In Reihe geschaltete Stränge paralleler LEDs
Kann man Lichterketten ohne Vorwiderstände betreiben?
Wir betrachten zunächst weiße LED-Ketten, die an 12 V betrieben werden, und zeigen anschließend, welche Versorgungsspannungen außerdem möglich sind.
Wir betrachten hier in Reihe geschaltete Stränge parallel geschalteter LEDs.
- Es gibt außerdem parallele Ketten von in Reihe geschalteten LEDs.
Die Lichterkette in Bild 1 besteht aus vier Strängen mit parallel geschalteten LEDs:
- Ein Strang enthält in der Regel zehn oder mehr LEDs.
- Die Zahl der LEDs in einem Strang ist gleich.
- Die Stränge sind in Reihe geschaltet.
- Für 12 V werden vier Stränge in Reihe geschaltet.
Die Stränge sind im Prinzip LEDs, die ohne Vorwiderstand an der gleichen Spannungsquelle betrieben werden. In LEDs ohne Vorwiderstand wurde festgestellt, dass
- LEDs ohne Vorwiderstand an einer 3 V-Spannungsquelle betrieben werden können,
- wenn die 3 V-Spannungsquelle nur wenig von 3 V abweicht und/oder
- wenn LEDs mit geringer Toleranz der Flussspannung eingesetzt werden.
Die Stränge einer LED-Kette bestehen meist aus vielen, über zehn oder gar zwanzig LEDs.
- Der Strom in einem Strang liegt dann bei N*10 mA, wobei N die Zahl der LEDs ist.
- Bei einer Spannung zwischen 2,9 V und 3,1 V kann der Strom durch eine einzelne LED
- zwischen 1,4 mA und weit über 25 mA liegen;
- bei über 25 mA wird die LED überlastet.
- Werden viele LEDs parallel betrieben, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine der LEDs eine geringe Flussspannung hat und überlastet wird.
- Ein Strang paralleler LEDs wird am besten mit maximal 3 V betrieben.
Stränge paralleler LEDs in Reihe schalten
Jeder Strang braucht 3 V.
Werden vier Stränge mit jeweils gleicher Zahl von LEDs in Reihe geschaltet,
- ist eine Betriebsspannung von 4*3 V=12 V nötig.
- Die Betriebsspannung sollte nur wenig von 12 V abweichen.
Wir haben damit die gleiche Problematik wie bei parallelen LEDs an 3 V:
- Im Mittel können wir 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.
Beispiel
Beispiel eines Strangs weißer LEDs
Ein Strang ist sehr einfach aufgebaut.
- Er besteht aus SMD-LEDs in Kunstharz zwischen lackisolierten Drähten.
- Manchmal sind die einzelnen LEDs farbig.
- Das ist aber nur ein Farbüberzug über eine weiße LED.
Warum funktioniert das?
- In LEDs ohne Vorwiderstand wurde beschrieben, dass LEDs parallel an 3 V betrieben werden können, wenn deren Flussspannung selektiert wird.
Bild 2 stellt die Kennlinien von drei Strängen mit 20 LEDs (a bis c) dar.
Im Vergleich dazu wurden die Kennlinien einer typischen LED und die für minimale und maximale Flussspannung eingetragen.
Die Kennlinien a bis c liegen nahe bei der typischen Kennlinie.
Sie zeigen zwar unterschiedliche Steigungen, aber keine Verschiebung der Kennlinien.
Die geringe Verschiebung zeigt, dass der Hersteller der LED-Kette SMD-LEDs mit nahe beieinander liegender Flussspannung verwendet hat.
Die unterschiedlichen Steigungen deuten darauf hin, dass der differenzielle Widerstand der LEDs bei der Selektion keine Rolle spielte.
Im Mittel fließen 10 mA durch die einzelnen LEDs im Strang.
- Im Strang c fließen bei 3 V maximal 270 mA, d. h. im Mittel 13,5 mA pro LED.
In den LEDs eines Strangs tritt dennoch eine relativ hohe Streuung des Stroms auf.
- Diese Differenzen nimmt das menschliche Auge kaum wahr.
Fazit
Stränge paralleler LEDs können in Reihe geschaltet werden:
- Die LEDs in einem Strang müssen selektiert sein, d. h., deren Flussspannung muss nahe beieinander liegen.
- Jeder Strang sollte die gleiche Zahl von LEDs enthalten.
- Ein Strang wird am besten mit einer Spannung von 3 V betrieben, d. h.:
- die Versorgungsspannung ist Uv = N * 3 V. N ist die Zahl der Stränge in Reihe.
- LEDs mit zu geringer Flussspannung werden überlastet und
- werden relativ schnell beschädigt oder fallen aus.
- Wenn die Betriebsspannung höher als Uv = N * 3 V ist,
- können LEDs beschädigt werden oder ausfallen;
- das hat in der Regel zur Folge, dass weitere LEDs ausfallen.
- Wenn die Betriebsspannung niedriger als Uv = N * 3 V ist,
- werden die LEDs nicht optimal (dunkler) leuchten.
- Die Betriebsspannung sollte möglichst genau eingehalten werden.