Wer mehrere LEDs gleichzeitig zum Leuchten bringen will, der stellt sich natürlich die Frage, ob man die LEDs in Reihe oder zueinander parallel schalten sollte.

Warum man keine LEDs parallel schalten sollte

Zwei LEDs wurden parallel geschaltet und mit einem einzigen Vorwiderstand von 1k2 gegen 12V geschaltet. Seltsamerweise leuchtet einer der LEDs heller als die andere. Woran liegt das?

Ganz einfach, die LED mit der geringeren Durchflussspannung bekommt mehr Strom. Das bedeutet, sie leuchtet heller.
Gleichzeitig muss man berücksichtigen, dass während der Spannungsunterschied nur gering ist, dass der Unterschied der Stromstärken groß ist. Das führt dann dazu, dass die LEDs unterschiedlich hell leuchten. Im schlimmsten Fall leuchtet nur eine der beiden LEDs. Zum Beispiel dann, wenn sie unterschiedlich farbig sind. Wenn das so ist, dann leuchtet immer die LED mit der geringsten Flussspannung.

Hierbei erkennt man, dass LEDs mit Strom gesteuert werden (Einstellung der Helligkeit).

Mehrere LEDs in Reihe ohne Vorwiderstand an einer Spannungsquelle betreiben

Theoretische würde es funktionieren mehrere LEDs ohne Vorwiderstand an einer Spannungsquelle zu betreiben. Das würde voraussetzen, dass die Spannungsquelle absolut konstant ist und die Spannung an den LEDs ebenso konstant sind und es auch bleiben. Dann könnte man einfach mehrere LEDs in Reihe schalten, die abfallende Spannung an den LEDs aus den Datenblättern suchen und die Spannungsquelle dementsprechend einstellen.

Aber, in der Praxis wird kaum eine Spannungsquelle absolut konstant sein. Die Exemplarstreuungen der LEDs wirken aber noch viel schlimmer. Die abfallende Spannung ist in der Regel immer anders. Das führt dazu, dass die ganze Berechnung für die Katz ist. Im ungünstigsten Fall fließt mehr Strom durch eine der Leuchtdioden. Sie wird wärmer. Und warme Halbleiter leiten besser, als kalte Halbleiter. Es folgt ein Anstieg des Stroms. Wieder steigt die Temperatur. Irgendwann steigt der Strom rasant an und zerstört eine der Leuchtdioden.

Wenn eine oder mehrere LEDs ausfallen, dann müssen die restlichen den “Stromüberschuss” verkraften. Eine Stromzunahme bedeutet wiederum Wärme, die zu einem größeren Stromfluss führt. Die Folge ist, dass weitere LEDs kaputt gehen.

Die einzige Möglichkeit dem entgegen zu wirken, ist die Strombegrenzung durch eine Konstant-Stromquelle oder einen Vorwiderstand.

Vorwiderstand berechnen

Den Vorwiderstand legt man so aus, dass die LEDs nicht mit dem maximal zulässigen Strom betrieben werden, sondern dass sie noch einige mA Reserve haben. In der Regel kann man LEDs “untersteuere”. Das bedeutet, dass man einer LED nur soviel Strom zugesteht, dass sie mit 60 bis 75% der maximal möglichen Leuchtstärke leuchten. Für die meisten Anwendungsfälle reicht das vollkommen aus.

• Vorwiderstandsrechner
• Beispiel: Berechnung für den Vorwiderstand einer LED

Fazit

So viel ist sicher, eine Reihenschaltung von LEDs ist wesentlich effizienter als eine Parallelschaltung. In der Reihenschaltung wird weniger Energie benötigt. Die Durchflussspannung der in Reihe geschalteten LEDs wird einfach addiert. Abzüglich der Betriebsspannung ergibt sich die Restspannung, die am Vorwiderstand abfällt. Und zusammen mit dem Durchflussstrom durch die LEDs ergibt sich der Wert des Vorwiderstands. Die Betriebsspannung sollte um die 1 bis 3 Volt größer sein, als die Summe der Durchflussspannungen der in Reihe geschalteten LEDs. Andernfalls wird der Widerstand sehr klein und nimmt einen eher ungünstigen Wert an.

Mit der Zeit sammeln sich schnell viele Steckernetzteile an. Irgendwann will man welche davon wegschmeißen. Vorher prüft man, welche davon defekt sind. Mit einem Digitalmultimeter misst man als die Ausgangsspannung.

Auf den ersten Blick scheinen die Ergebnisse zu verblüffen. Man stellt fest, dass die gemessenen Ausgangsspannungen mit dem aufgedruckten Spannungswert wenig zu tun haben.

Liegt hier ein Messfehler vor?

Vorausgesetzt man hat das Multimeter richtig verwendet liegt hier indirekt ein Messfehler vor. Der Grund: Im Fall eines der üblichen Steckernetzteile misst man im Leerlauf (also ohne Last) immer eine deutlich höhere Spannung. Die aufgedruckte Spannung stellt sich erst ein, wenn ein Strom fließt.

Hier ist zu beachten, dass bei der Spannungsmessung kein Strom durchs Messgerät fließt. Ein Netzteil gibt es also immer eine Leerlaufspannung ab, wenn kein Strom fließt. Mit dem Multimeter misst man immer die Leerlaufspannung, die in der Regel höher als die angegebene Spannung ist.

Beachten muss man dabei, dass insbesondere günstige Netzteile eine etwas ungenaue Spannungsstabilisierung haben.

Rohm Semiconductor hat ein Online-Simulations-Tool für Schaltregler und H-Brücken-Treiber entwickelt. Damit lassen sich Schaltungen entwerfen, berechnen und simulieren. Auf Basis der Simulationsergebnisse erstellt das Tool eine Teileliste. Damit soll dem Entwicklungsingenieur die Bauteile-Auswahl erleichtert werden.

• Rohm Electronic Laboratory

In Netztrafos werden Flussdichten bis ca. 2 Tesla (T) gewählt. In Übertragern bis ca. 0,5 Tesla (T). Was ist dafür der Grund? Und was hat das mit der Sättigung zu tun?

Netztransformatoren werden auf die Netzfrequenz optimiert und sollen nur eine Frequenz übertragen. Übertrager sollen eine Frequenz von (ca.) 30 Hz bis 15 kHz übertragen. Netztransformatoren werden ohne Luftspalt im Eisenkern gefertigt und bis zur Sättigungsgrenze magnetisiert. Die Sättigungsgrenze liegt meist bei 1,5 bis 1,6 Tesla wenn hochlegiertes Elektroblech verwendet wird.

Durch die große Frequenzbandbreite bei Übertragern darf bei keiner Frequenz die Sättigung erreicht werden. Das würde zu Verzerrungen führen und der Klirrfaktor würde stark ansteigen. Luft ist ein magnetisch schlechter Leiter. Eine magnetische Sättigung bei Luft ist nicht möglich. Darum wird bei Tonfrequenzübertragern im Eisenkern ein Luftspalt eingebaut. Nur so ist eine einigermaßen verzerrungsarme Übertragung des gewünschten Tonbereiches möglich. Es wird damit auch nur eine geringere Magnetisierung möglich.

Seit dem Leuchtdioden sehr hell und weiß sind, liegt der Wunsch nahe sie zur Beleuchtung einzusetzen. Doch für Beleuchtungszwecke können LEDs normale Glühbirnen nicht einfach so ersetzen. LEDs produzieren neben Licht auch Wärme. Wärme wiederum verbessert die Leitfähigkeit von Halbleitern und deshalb auch von LEDs. Der Strom steigt an, was auch einen Temperaturanstieg zur Folge hat. Das Aufschaukeln von Temperatur und Strom wird in der Regel durch eine Strombegrenzung verhindert. Doch auch eine gute Wärmeableitung ist sehr wichtig.

Gefordert sind völlig neue Beleuchtungskonzepte, um die Möglichkeiten der LEDs ausschöpfen zu können. Das bedeutet freie Formen und digitale Farbsteuerung.

Zur Beleuchtung nutzt man derzeit weiße LEDs. Deren Farbstabilität und Farbtemperatur ist allerdings alles andere als optimal. Weiße LEDs bestehen aus einem blau leuchtenden Halbleiter, der in einem gelben Phosphor beschichteten Gehäuse steckt. So wird aus dem blauen Licht ein weißes Licht. Dessen Farbtemperatur hängt von der Phosphor-Beschichtung und der Dotierung des Halbleiters ab. Hinzu kommt, dass sich der Weißton in Abhängigkeit der Richtung, aus der man auf das Licht sieht, ändert.

Vorteile gegenüber Glühlampen

• deutliche höhere Lichtausbeute
• lange Lebensdauer
• hohe manuelle Belastbarkeit
• zuverlässiger
• lassen sich schneller schalten und modulieren
• günstige Gesamtkosten (Anschaffung + Betrieb)
• Lebensdauer bis 100.000 Stunden

Schwächen der LED

• geringe Leistung pro Einheit
• Elektronik zur Ansteuerung notwendig
• hohe Einstiegskosten
• Effizienz und Lichtfarbe von den Temperaturen abhängig
• Farbunterschiede zwischen den Produktionsserien

Ansteuerung

Für die Ansteuerung der Leuchtdioden ist zusätzliche Elektronik notwendig. Für die beste Lichtausbeute und Lebensdauer müssen die festgelegten Ströme und Spannungen eingehalten werden. Während sich eine LED mit 20 mA Betriebsstrom mit einem einfachen Vorwiderstand steuern lässt, ist das bei einer Hochleistungs-LED nicht möglich. Sie benötigt einen größeren Strom und eine umfangreiche Wärmeabfuhr.

Wärmeproblem

Die Lebensdauer einer LED hängt maßgeblich von deren Erwärmung ab. Je wärmer, desto kürzer ist die Lebensdauer und desto ineffizienter arbeitet sie. Da nicht die gesamte Energie in Licht umgewandelt werden kann, entsteht Wärme. Diese muss abgeleitet werden. Entweder über das Gehäuse oder einen Kühlkörper. Eine aktive Kühlung scheidet aus verschiedenen Gründen aus.

Fazit

Noch sind LEDs keine gebührenden Nachfolger von Glühlampen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass LEDs sich im Bereich der Beleuchtung vollständig durchsetzen werden. Das kann aber noch ein paar Jahre dauern.