LEDs ohne Vorwiderstand
Wir untersuchen die Problematik des Betriebs von LEDs ohne Vorwiderstand sowie den Betrieb parallel geschalteter LEDs.
In Bild 1 sehen wir, wie eine LED mit einer Betriebsspannung von 3 V betrieben werden kann. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann die Flussspannung einer LED erheblich vom mittleren Wert abweichen.
Wir betrachten hier weiße LEDs, deren Flussspannung bei 20 mA
- typisch bei 3,2 V (violette Kennlinie),
- minimal (untere Grenze) bei 2,95 V (blaue Kennlinie) und
- maximal (obere Grenze) bei 3,48 V (grüne Kennlinie) beträgt.
LED ohne Vorwiderstand an 3 V
Betrachten wir zunächst, wie sich die LEDs verhalten, wenn sie ohne Vorwiderstand an 3 V betrieben werden.
- Bei einer typischen Flussspannung stellt sich ein Strom von 9,5 mA ein. Die violette Kennlinie kreuzt die vertikale rote 3 V-Linie bei 9,5 mA.
- Bei LEDs mit minimaler Flussspannung sind es 24 mA. Die blaue Kennlinie kreuzt die 3 V-Linie bei 24 mA.
- Bei LEDs mit maximaler Flussspannung sind es 3,3 mA. Die grüne Kennlinie kreuzt die 3 V-Linie bei 3,3 mA.
Wir müssen davon ausgehen, dass die LEDs bei 3 V mit einem Strom zwischen 3,3 mA und 24 mA betrieben werden. In den meisten Fällen sind es 9,5 mA. Bei 3,3 mA werden sie merklich dunkler sein. Bei 24 mA werden sie oberhalb des zulässigen Stroms von 20 mA betrieben.
LEDs ohne Vorwiderstand an 3 V parallel betreiben
Für die einzelnen LEDs ändert sich nichts.
- Die meisten LEDs werden mit 9,5 mA betrieben.
- Wenige – eventuell keine – werden mit 3,3 mA betrieben.
- Wenige – eventuell keine – werden mit 24 mA betrieben.
- Problematisch sind die LEDs mit 24 mA, die überlastet werden können.
LED ohne Vorwiderstand an 3 V mit Toleranz
Wir gehen davon aus, dass die Spannungsquelle zwischen 2,9 V bis 3,1 V liefert, im Mittel 3 V.
- Wenn die Spannung bei 2,9 V liegt, müssen wir die gelbe Linie betrachten.
- Bei der typischen Flussspannung stellt sich ein Strom von 5,6 mA ein. Die violette Kennlinie kreuzt die vertikale gelbe 2,9 V-Linie bei 5,6 mA.
- Bei LEDs mit minimaler Flussspannung sind es 16 mA. Die blaue Kennlinie kreuzt die 2,9 V-Linie bei 16 mA.
- Bei LEDs mit maximaler Flussspannung sind es 1,6 mA. Die grüne Kennlinie kreuzt die 2,9 V-Linie bei 1,6 mA.
- Wenn die Spannung bei 3,1 V liegt, müssen wir die schwarze Linie betrachten.
- Bei der typischen Flussspannung stellt sich ein Strom von 14,3 mA ein. Die violette Kennlinie kreuzt die vertikale schwarze 3,1 V-Linie bei 14,3 mA.
- Bei LEDs mit minimaler Flussspannung sind es weit über 25 mA. Die blaue Kennlinie kreuzt die 3,1 V-Linie oberhalb des dargestellten Bereichs von 25 mA.
- Bei LEDs mit maximaler Flussspannung sind es 5,6 mA. Die grüne Kennlinie kreuzt die 3,1 V-Linie bei 5,6 mA.
Bei einer Spannung zwischen 2,9 V und 3,1 V kann der Strom durch die LED
- zwischen 1,6 mA und 25 mA liegen.
- Bei 25 mA wird die LED überlastet.
Fazit
- Im Mittel kann man davon ausgehen, dass durch die LEDs 10 mA fließen.
- Es kann wenige LEDs geben, die mit über 25 mA überlastet werden und
- wenige LEDs, durch die nur ein geringer Strom fließt.
- LEDs mit minimaler Flussspannung werden bei 3,0 V überlastet.
- Bei einer Betriebsspannung von 3,1 V werden sie mit einem Strom weit über dem maximal zulässigen Wert von 20 mA betrieben.
LEDs parallel an 3 V betreiben
Werden LEDs parallel an einer Spannungsquelle betrieben, treffen die obigen Aussagen auch zu:
- Im Mittel kann man davon ausgehen, dass durch die LEDs 10 mA fließen.
- Es kann wenige LEDs geben, die mit über 25 mA überlastet werden und
- wenige LEDs, durch die nur ein geringer Strom fließt.
- LEDs mit geringer Flussspannung werden überlastet und
- relativ schnell beschädigt werden oder ausfallen.
- Wenn die Betriebsspannung höher als 3 V ist,
- können LEDs beschädigt werden oder ausfallen.
- Das hat in der Regel zur Folge, dass weitere LEDs ausfallen.
- Wenn die Betriebsspannung unter 3 V ist,
- werden die LEDs nicht optimal (dunkler) leuchten.
Lösung
- Es sollten LEDs mit geringer Toleranz der Flussspannung eingesetzt werden.
- Am besten LEDs mit garantierter minimaler Flussspannung.
Farbige LEDs
Wir haben oben nur weiße LEDs betrachtet.
Weiße LEDs werden meist für Beleuchtungszwecke verwendet. Dabei sind relativ hohe Ströme üblich, damit sie hell leuchten.
- Für farbige LEDs gelten die obigen Aussagen sinngemäß. Sie müssen jedoch für die spezifischen Flussspannungen angepasst werden.