DC-DC-Wandler für 100W High-Power LED

Paul H. hat uns eine Frage zum Thema Stromstärke bei DC-DC-Wandlern geschickt: Wenn ein DC/DC-Wandler eine Ausgangsstromstärke von 6A hat, kann man dann einen Verbraucher dranhängen, der nur 3A hat?

Die Antwort ist einfach: Ja! 

Warum? Die Ausgangsstromstärke wird immer als Maximum angegeben. Bei „6A“ bedeutet das, dass „bis zu 6A zur Verfügung gestellt werden können“. 

Paul hat einen sehr coolen Anwendungsfall dazu: Er möchte eine 100W High-Power-LED an eine 12V-Batterie anschließen. Die LED arbeitet bei 32V und braucht einen Strom von 3A. Ein Spannungswandler soll die Spannung von 12V auf 32V wandeln.

High-Power-LED 100W

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Leistungsdaten:

• Leistung: 100W
• Farbtemperatur: 6500K (kaltweiß)
• Betriebsspannung: 32-34V DC
• Betriebsstrom: 3A
• Größe: 56 x 52 mm

Spannungswandler

Zum Anschluss an eine 12V-Batterie kann z.B. dieser Step-Up-Wandler verwendet werden:

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Leistungsdaten:

• Eingangsspannung 10V bis 32V
• Ausgangsspannung 10V bis 35V (Vorsicht: Ausgangsspannung muss höher als Eingangsspannung sein)
• Ausgangsstrom: max. 10A
• Eingangsstrom: max. 16A (bei mehr als 10A muss die Wärmeableitung verbessert werden…)
• Ausgangsleistung: max. 100w mit vorhandenen Kühlkörpern, max. 150w bei verbesserter Wärmeableitung

Auslegungsparameter DC-DC-Spannungswandler

Schauen wir uns den Spannugnswandler etwas genauer an:

Ausgang

Die LED hat 100W bei 32-34V. Mit ca. 10% Toleranz sollten folgende Größen verwendet werden:

• Leistung = 110W
• Spannung = 32V
• Strom = 110W / 32V = 3,5A

Verluste

Der Wirkungsgrad ist mit 94% angegeben. Da dieser Wert natürlich unter optimalen Bedingungen gemessen wird, sollte hier ein deutlich höherer Verlust einkalkuliert werden, ich würde 15% ansetzen.

• Verlustleistung = 110W * 15% = 16,5W

Eingang

Für den Eingang sollten folgende Werte berücksichtigt werden:

• Leistung = 110W + 16,5W = 126,5W
• Spannung: 11V (recht stark entladene Batterie)
• Strom = 126,5W / 11V = 11,5A

Fazit

Damit ist der oben angegebene Spannungswandler ausreichend, vermutlich wird er bereits recht warm. Da die Toleranzen und die Verlustleistung großzügig bemessen ist, sollten die vorhandenen Kühlkörper ausreichend sein.

Auslegung Anschlusskabel

Mit der Faustformel 5A pro 1 mm² ergeben sich folgende Werte

Batterie – Spannungswandler

• Durchmesser mindestens 2,5 mm² , besser 4 mm²

Spannungswandler – LED

• Durchmesser mindestens 0,75 mm², besser 1,5 mm²

Eine passende Sicherung möglichst nahe der Batterie ist auf jeden Fall sehr sinnvoll.

Auslegung Batterie

Wenn wir beispielsweise davon ausgehen, dass die LED 1 Stunde brennen soll, dann brauchen wir zur Abschätzung folgende Parameter:

• Verbrauchleistung: 126,5W (siehe oben)
• Dauer: 1h

Somit ergeben sich bei einer 12V-Batteriespannung: 10,5Ah. Dementsprechend muss dann die Batterie dimensioniert werden.

Die passende Batterie

Welche Batterie ist die beste für einen Spannungswandler?

Das hängt vom Anwendungsfall ab. Folgende Faktoren sind zu berücksichtigen und miteinander zu vergleichen:

• Passende Spannung (z.B. 12V)
• Zur Verfügung stehende Kapazität
• Maximale Stromentnahme (wichtig bei großen Leistungen wie z.B. Kaffeemaschinen)
• Abmessungen und Gewicht (je nach Einbauort)
• Anzahl der Lade-/Entladezyklen (wichtig z.B. bei Solar-Inselanlagen)

Das sind die häufigsten Batterie-Arten, die in Verbindung mit einem Spannungswandler eingesetzt werden:

Starterbatterie (Blei-Säure)

Normale Starterbatterien sind darauf ausgelegt, für kurze Zeit einen hohen Strom zu liefern (zum Anlassen des Motors), um dann gleich wieder über die Lichtmaschine aufgeladen zu werden. Um im Auto unterwegs zusätzlich einen Kleinverbraucher über einen Spannungswandler zu betreiben, ist die normale Autobatterie absolut ausreichend. Im Stand solltest du allerdings darauf aufpassen, dass die Batterie nicht zu stark entladen wird möglichst bald wieder aufgeladen wird. Längere Entladungen mögen diese Batterien nur ungern.

Die Starterbatterie ist ein Massenprodukt, und dadurch die günstigste Variante. Für den seltenen Einsatz ist sie voll und ganz geeignet, viele Lade-/Entlade-Zyklen schaden ihr allerdings.

Zyklenfeste Bleibatterie (Blei-Säure oder Blei-Gel; Solarbatterie; AGM)

Diese Batterien sind ähnlich aufgebaut wie eine Starterbatterie, allerdings auf Zyklenfestigkeit optimiert. Damit sind längere Entladungen möglich, z.B. bei Solar-Inselanlagen, wo die Batterie tagsüber bei Sonnenschein aufgeladen und nachts entladen wird. Allerdings schaden diesen Batterien hohe Ströme, die bei großen Leistungen auftreten.

Zyklenfeste Bleibatterien sind etwas teurer als Starterbatterien, machen dafür wesentlich mehr Lade-/Entlade-Zyklen mit. Für die meisten Anwendungen dürften sie das beste Preis-/Leistungsverhältnis haben.

Lithium-Ionen-Batterie

Diese Batterien werden vor allem eingesetzt, wenn viel Kapazität auf kleinstem Raum gespeichert werden soll, wie z.B. in Handys und Laptops. Ein weiterer Vorteil ist der deutlich bessere Wirkungsgrad als bei Bleibatterien. Diese Technologie ist vergleichsweise jung, größere Speicher haben durch Elektroautos einen ordentlichen Entwicklungsschub bekommen.

Die aufwändigere Technik macht sich natürlich auch im Preis bemerkbar.

Wie lange kann man einen Spannungswandler an einer Batterie betreiben?

Ausschlaggebend ist die benötigte Leistung und die Größe (=Kapazität) der Batterie. Dazu folgendes Beispiel:

Eine 12V-Solarbatterie (Zyklenfeste Blei-Säure oder Blei-Gel-Batterie) hat die Kapazität von 100 Amperestunden (Ah).

Um die Batterie nicht zu beschädigen, sollte sie maximal auf 50% entladen werden. Somit stehen 50Ah zur Verfügung.

Bei einer Spannung von 12V können damit 12V * 50Ah = 600 Wattstunden (Wh) entnommen werden. Das reicht aus, um 6 Stunden lang einen Verbraucher mit einer Leistung von 100W zu betreiben.

Kann man einen Spannungswandler an eine normale Autobatterie anschließen?

Ja. Allerdings sollte man sich bewusst sein, dass normale Starterbatterien darauf ausgelegt sind, kurzzeitig viel Strom abzugeben und dann sofort wieder über die Lichtmaschine nachgeladen zu werden. Eine alte, aussortierte Batterie kann man fast bedenkenlos weiterverwenden, bis die Leistung nicht mehr ausreicht.

Wenn viele Zyklen (z.B. langes Entladen über Nacht, erst am nächsten Tag wieder aufladen) geplant sind, ist eine Batterie sinnvoller, die auf viele Zyklen ausgelegt ist.

Unsere Empfehlung

Für eine Solaranlage hat das Team von spannungswandler.info die zyklenfesten Blei-Säure-Batterien „Banner Energy Bull“ im Einsatz, die wir gerne weiterempfehlen.

Zur passenden Batterie

Muss ein Spannungswandler auch die Frequenz 50Hz/60Hz wandeln?

Das kommt auf die anzuschließenden Geräte an:

Bei vielen Geräten wird intern über einen Eingangstrafo eine Zwischenspannung erzeugt, mit der dann geräteintern weitergearbeitet wird. Das ist bei den meisten Geräten der Fall, wie z.B. bei Netzteilen, Ladegeräten, Computer, Notebooks oder allen möglichen Kleingeräten. Meist steht dies auch auf dem Typenschild, so dass keine Frequenzwandlung notwendig ist.

Schwierig wird es erst bei Motoren, die direkt mit der Wechselspannung arbeiten, z.B. Bohrmaschine, Kreissäge oder Mixer. Durch die unterschiedliche Frequenz laufen die Motoren schneller oder langsamer:

Gerät aus USA in Europa anschließen

Ein Gerät aus den USA oder Kanada mit 60Hz läuft im 50Hz-Netz von Europa ca. 17% langsamer, was einen Leistungsverlust bedeutet. Viele Erfahrungsberichte berichten darüber, dass es sonst keine Auswirkungen gibt.

Gerät aus Europa in USA anschließen

Wenn ein 50Hz-Gerät im 60Hz-USA-Netz angeschlossen wird, läuft es ca. 20% schneller. Dadurch können die Geräte überlastet und entsprechend geschädigt werden. Hier ist also Vorsicht geboten, da es auch zu einem Brand kommen kann. Wenn die Maximaldrehzahl geregelt werden kann, sollte man nur auf 70-80% der Drehzahl gehen.

Normale Spannungswandler wandeln nicht die Frequenz, sondern nur die Spannung. Frequenzumwandler gibt es zwar, allerdings nur im teuren Industriebereich. Hier ist es eventuell günstiger, gleich ein passendes Gerät anzuschaffen, evtl. gibt es auch vom Hersteller einen Umrüst-Satz.

Fazit

Eine Umwandlung der Frequenz ist bei den meisten Geräten nicht notwendig, dies ist dann meist auch auf dem Typenschild erkennbar.

Falls ein Gerät nur für eine Frequenz ausgelegt ist, kann es eventuell trotzdem eingeschränkt funktionieren. Wer auf Nummer sicher gehen will, sollte beim Hersteller anfragen, ob das Gerät auch mit der anderen Frequenz arbeiten kann.

Den passenden Spannungswandler findest Du hier:

Spannungswandler USA und Kanada >>