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Konstantstromquelle mit LM317

Zwei 1-W-LEDs mit konstant 350 mA am 12-V-Akku: der LM317 als Stromquelle mit nur einem Widerstand – Strom, Spannungsreserve und Wärme sauber ausgelegt.

6 Min. LesezeitLM317 KonstantstromquelleLM317 LEDKonstantstrom LEDPower-LED Treiber

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

Konstantstromquelle: +12 V an IN (Pin 3) des LM317T, C1 100 nF am Eingang nach Masse; OUT (Pin 2) über R1 3,6 Ω, 1 W an den Knoten, an dem auch ADJ (Pin 1) hängt; von dort zwei 1-W-LEDs in Reihe nach Masse; Strom 347 mA
Der ADJ-Pin hängt hinter dem Widerstand. Der Regler hält über R1 genau 1,25 V – und damit den Strom fest.
  • 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:

I = UREFR1 + IADJ

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:

LED-Strom über der Versorgungsspannung von 9 bis 15 V: mit LM317 konstant 347 mA ab 9,5 V; mit Vorwiderstand 15 Ω steigt der Strom linear von 306 mA bei 11 V auf 503 mA bei 14,4 V
Im Bereich des Bleiakkus schwankt der Strom mit Vorwiderstand um über 60 %, mit dem LM317 gar nicht.

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:

R1 = UREFI = 1,25 V350 mA ≈ 3,57 Ω

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:

UEmin = 2 · 3,5 V + 1,25 V + 1,7 V ≈ 9,95 V

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):

PIC = (14,4 V − 2 · 3,0 V − 1,25 V) · 0,347 A ≈ 2,5 W

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.

Rechner

LM317 und einstellbare Spannungsregler

Ausgangsspannung
3,30 V
Bereich (UREF 1,2 … 1,3 V)
3,17 V … 3,43 V
Spannungsdifferenz
5,70 V
Verlustleistung
570 mW
LM317INOUTADJ100 nF1 µFR1 = 240 ΩR2 = 390 Ω1,25 VUein = 9,00 VUaus = 3,30 V

Uaus = 1,25 V · (1 + R2/R1) + IADJ · R2 mit IADJ = 50 µA (typisch). Der LM317 braucht etwa 3 V mehr am Eingang als am Ausgang und höchstens 40 V Differenz. Die Verlustleistung (Uein − Uaus) · I wird im Regler zu Wärme – ob ein Kühlkörper nötig ist, rechnest du mit dem Kühlkörper-Rechner nach.

Bauteilliste

BezeichnerWert/TypHinweis
IC1LM317TTO-220, Pinfolge ADJ-OUT-IN, Fahne = OUT
R13,6 Ω, 1 W1 % oder 5 %; alternativ 2 × 7,5 Ω parallel
LED1, LED2weiße 1-W-LED, 350 mAauf Alu-Sternplatine mit Kühlung
C1100 nF, 50 VKeramik, direkt an IN
Kühlkörper≤ 15 K/WFahne liegt am Ausgang: isoliert montieren
Sicherung1 A flinkdirekt am Akku

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

Welchen Widerstand brauchst du für 700 mA?

1,25 V / 0,7 A ≈ 1,79 Ω; gewählt 1,8 Ω (694 mA). Er setzt etwa 0,87 W um.

Warum ändert sich der LED-Strom nicht, wenn der Akku von 11 V auf 14,4 V steigt?

Der Regler hält über R1 stets 1,25 V; die zusätzliche Spannung fällt zwischen IN und OUT ab.

Welche Spannung braucht die Schaltung mindestens für drei LEDs mit 3,3 V?

3 · 3,3 V + 1,25 V + 1,7 V ≈ 12,85 V – am 12-V-Akku nur beim Laden.

Wie viel Leistung setzt der LM317 bei 14,4 V und LEDs mit 3,3 V um?

(14,4 V − 6,6 V − 1,25 V) · 0,347 A ≈ 2,3 W.

Warum ist die Schaltung für 2 mA ungeeignet?

Der LM317 braucht einen Mindest-Laststrom von bis zu 10 mA, sonst steigt seine Ausgangsspannung unkontrolliert.