Konstantstromquelle mit LM317

Leistungs-LEDs wollen einen festen Strom, keine feste Spannung. Ihre Flussspannung schwankt von Exemplar zu Exemplar und sinkt mit der Temperatur; ein einfacher Vorwiderstand hält den Strom nur so gut, wie die Versorgung stabil ist. An einem 12-V-Bleiakku, der zwischen 11 V und 14,4 V pendelt, reicht das nicht. Die Lösung mit den wenigsten Teilen ist der LM317 als Konstantstromquelle: ein IC, ein Widerstand, fertig.

Dieselbe Schaltung lädt NiMH-Akkus mit festem Strom, versorgt Messbrücken und Heizwiderstände oder dient im Labor als Strombegrenzung. Hier baust du einen LED-Treiber für zwei weiße 1-W-LEDs, etwa als Leselicht im Wohnwagen oder für eine Werkbankleuchte am Solarakku.

Schaltplan

• IC1, LM317T: der Regler im TO-220, hier als Stromregler beschaltet.
• R1, 3,6 Ω, 1 W: legt den Strom fest. Er liegt zwischen OUT und ADJ.
• LED1, LED2: weiße 1-W-LEDs auf Alu-Sternplatine, Flussspannung etwa 3,3 V bei 350 mA.
• C1, 100 nF: Keramik direkt am Eingang, gegen Schwingen bei langer Zuleitung.

So funktioniert die Schaltung

Der LM317 regelt immer so, dass zwischen OUT und ADJ seine Referenzspannung von 1,25 V liegt. Im einstellbaren Netzteil mit LM317 hängt ADJ an einem Spannungsteiler; hier hängt er direkt am unteren Ende von R1. Damit liegt über R1 stets 1,25 V, und der Strom durch R1 ist festgelegt:

Derselbe Strom fließt durch die LEDs. Steigt die Akkuspannung, wächst nicht der Strom, sondern die Spannung zwischen IN und OUT: Der Regler nimmt den Überschuss auf. Sinkt die Flussspannung der LEDs, weil sie warm werden, passiert dasselbe. Die Schaltung ist eine Stromquelle mit einem Ausgang, der „nach unten“ an die Last geht – die LEDs liegen auf Masse und dürfen dort auch angeschraubt sein.

Der Vergleich mit einem Vorwiderstand zeigt den Unterschied:

Dimensionierung

Gegeben: zwei weiße 1-W-LEDs mit höchstens 350 mA Dauerstrom, Flussspannung 3,0 bis 3,5 V; Versorgung 12-V-Bleiakku, 11 bis 14,4 V.

1. Widerstand. Für 350 mA:

Der nächste Wert der E24-Reihe ist 3,6 Ω. Der Strom wird 1,25 V / 3,6 Ω + 50 µA ≈ 347 mA; die 50 µA aus dem ADJ-Pin spielen bei diesem Strom keine Rolle. Die Referenz darf laut Datenblatt zwischen 1,2 V und 1,3 V liegen, der Strom also zwischen 333 mA und 361 mA. Wer die LED nie über 350 mA treiben will, nimmt 3,9 Ω (320 mA).

2. Leistung im Widerstand. Er setzt P = 1,25 V · 0,347 A ≈ 0,43 W um. Ein 0,6-W-Metallschicht wäre zu knapp; nimm 1 W oder zwei 7,5-Ω-Widerstände parallel.

3. Mindestspannung. Der LM317 braucht bei 350 mA etwa 1,7 V zwischen IN und OUT, dazu kommen die 1,25 V über R1 und die beiden LEDs. Im ungünstigsten Fall mit 3,5 V pro LED:

Der Akku liefert mindestens 11 V – genug Reserve. Drei LEDs in Reihe (3 · 3,5 V + 2,95 V = 13,45 V) würden bei leerem Akku nicht mehr voll leuchten.

4. Verlustleistung im Regler. Am ungünstigsten ist der volle Akku beim Laden mit 14,4 V und LEDs mit kleiner Flussspannung (3,0 V):

Ohne Kühlkörper hat das TO-220 etwa 50 K/W; bei 40 °C Umgebung käme die Sperrschicht auf 40 °C + 2,5 W · 50 K/W = 165 °C – zu heiß. Ein kleiner Aufsteckkühlkörper mit 15 K/W senkt das auf 40 °C + 2,5 W · (5 + 0,5 + 15) K/W ≈ 91 °C. Grundlagen dazu unter Wärme und Kühlung.

Bauteilliste

Varianten

NiMH-Akkus laden. Vier AA-Zellen mit 2000 mAh lädst du mit 0,1 C, also 200 mA, in 14 bis 16 Stunden. R₁ = 1,25 V / 0,2 A = 6,25 Ω, gewählt 6,2 Ω (202 mA). Bei diesem kleinen Strom vertragen NiMH-Zellen auch eine Überladung von einigen Stunden; eine Zeitschaltuhr beendet die Ladung. Eine Diode 1N4001 in der Ausgangsleitung verhindert, dass sich die Akkus bei fehlender Versorgung rückwärts entladen. Moderne Verfahren mit Ladeschlusserkennung zeigt Akkus richtig laden.

Umschaltbarer Strom. Zwei Widerstände parallel, einer davon über einen Schalter: 7,5 Ω allein ergeben 167 mA (Sparstufe), beide zusammen 3,75 Ω und 333 mA.

Kleine Ströme. Unter etwa 10 mA regelt der LM317 nicht mehr zuverlässig, weil er einen Mindest-Laststrom braucht. Für einige Milliampere ist die Konstantstromquelle mit Transistoren besser, für Präzision die Stromquelle mit OPV.

Strom plus Spannung. Schaltest du die Stromquelle vor ein einstellbares Netzteil mit LM317, erhältst du eine einfache Strombegrenzung für erste Tests neuer Schaltungen.

Typische Fehler

• ADJ am falschen Ende von R1: Hängt ADJ an Masse statt hinter R1, liefert die Schaltung 1,25 V Festspannung und die LEDs bleiben dunkel. Hängt ADJ an OUT, gibt es gar keine Regelung.
• LEDs flackern bei leerem Akku: Die Spannungsreserve ist aufgebraucht. Spannung zwischen IN und OUT messen; unter 1,5 V fällt der Regler aus der Regelung.
• Widerstand verfärbt sich: 0,25-W-Typ verbaut. Die Leistung liegt bei 0,43 W.
• LED wird schnell dunkler: Nicht der Treiber, sondern die LED ist zu heiß. 1-W-LEDs brauchen eine Sternplatine auf Metall.
• Gehäuse unter Spannung: Die Fahne des LM317 ist der Ausgang. Auf einem geerdeten Kühlkörper ohne Isolierscheibe fließt der Strom an den LEDs vorbei.

Selbsttest