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.

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.

Da LEDs auch ohne Vorwiderstand funktionieren, ist es schwierig, Argumente für den dringend notwendigen Vorwiderstand zu finden. In der Regel fußt der Versuch eines dauerhaften Betriebs einer LED “ohne Vorwiderstand” auf der Unkenntnis über die innere Funktionsweise einer LED oder von Halbleitern allgemein.

LEDs sind stromgesteuert. Je mehr Strom durch sie hindurch fließt, desto heller leuchten Sie. Betreibt man eine LED mit drei verschiedenen Vorwiderständen und erzeugt 10, 15 und 20 mA sieht man deutlich den Unterschied.

Bei der Erzeugung von Licht, egal ob Glühlampe oder LED, entsteht immer auch Wärme. Wärme drückt sich bei einen Halbleiter, wie zum Beispiel bei einer LED, in einer besseren Leitfähigkeit aus. Das bedeutet, der Strom durch eine warme LED ist größer als durch eine kalte LED.

Welche Konsequenz resultiert daraus? Die leuchtende LED erzeugt Wärme. Die Wärme führt zu einer besseren Leitfähigkeit. Durch die LED fließt dann mehr Strom. Die LED leuchtet heller und erzeugt mehr Wärme. Mehr Wärme, bessere Leitfähigkeit und noch mehr Strom. Irgendwann ist der Strom jedoch so groß, dass die LED zerstört wird.
Um dem vorzubeugen, wird der Strom durch die LED durch eine Konstantstromquelle geregelt oder einen Vorwiderstand begrenzt.

Ein Blockkondensator blockt eine kurzfristige sinkende Betriebsspannung an einem integrierten Schaltkreis, die zum Beispiel bei einer kurzfristigen hohen Stromentnahme durch den Schaltkreis entstehen kann.

Ein Blockkondensator kann auch eine kurzfristig erhöhte Betriebsspannung blocken. Man spricht dann auch von einem Entstörkondensator.

Der Blockkondensator ist auch unter dem Begriff Stützkondensator bekannt.

Bei digitalen Schaltkreisen werden üblicherweise Folienkondensatoren mit 100 nF als Blockkondensatoren verwendet. Es gibt auch IC-Sockel, die bereits einen Blockkondensator eingebaut haben.