Parallele Ketten in Reihe geschalteter LEDs
Wenn mehrere LEDs gemeinsam betrieben werden, sollten sie alle mit dem gleichen Strom betrieben werden.
Am besten werden LEDs in Reihe geschaltet, weil sie dann alle mit dem gleichen Strom betrieben werden.
Optimal wird eine Kette von LEDs an einer Konstantstromquelle betrieben.
Die meisten LED-Lichterketten werden allerdings nicht so betrieben.
Bild 1: LED-Lichterkette aus in Reihe geschalteten Ketten von LEDs, die parallel geschaltet sind
Bild 1 zeigt eine LED-Lichterkette, die aus in Reihe geschalteten Ketten von LEDs besteht. Diese Ketten werden parallel geschaltet und an einer Stromversorgung betrieben.
Häufig wird eine 12 V-Spannungsversorgung eingesetzt.
Um das Verhalten einer derartigen LED-Lichterkette zu verstehen, betrachten wir zunächst einfachere Fälle:
- Wir betrachten nur weiße LEDs
- Nur eine in Reihe geschaltete Kette von LEDs
- Diese Kette kann an einer Spannungsquelle oder
- einer Konstantstromquelle betrieben werden.
- Noch einfacher ist eine einzelne LED an einer Konstantstromquelle.
- Bei diesen Untersuchungen gehen wir auf die Toleranzen der LED und der Stromversorgung ein.
Abschließend fassen wir unsere Ergebnisse zusammen und übertragen sie auf allgemeine Fälle.
Eine LED an einer Konstantstromquelle
Dieser Fall ist einfach. Wir betrachten ihn aber unter dem Aspekt, dass die Flussspannung von LEDs Fertigungstoleranzen unterliegt.
In Bild 2 sehen wir, wie LEDs mit einem Strom von 20 mA (orange Linie) betrieben werden können.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann die Flussspannung einer LED erheblich vom mittleren Wert abweichen.
Die Flussspannung bei 20 mA
typisch bei 3,2 V (durchgezogene violette Kennlinie),
minimal (untere Grenze) bei 2,84 V (durchgezogene blaue Kennlinie) und
maximal (obere Grenze) bei 3,66 V (durchgezogene grüne Kennlinie) beträgt.
Die Grenzfälle können bei jeder 20. LED vorkommen.
Typische Konstantstromquellen wie z. B. die BCR401 R und BCR402 R haben eine Toleranz von ±10 %, d. h., sie liefern 18 mA bis 22 mA.
- Wir müssen entweder eine leichte Überlastung der LED in Kauf nehmen oder
- den Strom auf 18 mA reduzieren, was beim BCR401 R möglich ist.
- Die Konstantstromquelle muss bei 20 mA eine Spannung von 2,84 V bis 3,66 V ausgleichen können.
Reihenschaltung von LEDs
Bei der Reihenschaltung von LEDs müssen wir die Flussspannung aller LEDs in Reihe betrachten. Wir müssen alle Flussspannungen addieren.
Die meisten LEDs haben bei 20 mA eine Flussspannung von 3,2 V. Nur wenige (weniger als eine von 20) werden eine Flussspannung über 3,66 V oder unter 2,84 V aufweisen. Dass z. B. alle 10 LEDs unter 2,84 V haben, kommt praktisch nie vor.
Die interessante Aussage ist:
Wir können bei vielen (N) LEDs in Reihe im Mittel davon ausgehen:
- dass die Summe der Flussspannungen ziemlich nahe an 3,2 V * N liegt.
- dass wir so rechnen können, als hätten wir N LEDs mit 3,2 V in Reihe geschaltet.
Wenn wir z. B. Stränge von 10 LEDs mit 20 mA betrachten, können wir davon ausgehen, dass fast alle (99,8 %) Stränge eine Spannung über 10 * 3,14 V und unter 10 * 3,24 V haben.
Selbst bei nur 4 LEDs pro Strang können wir davon ausgehen, dass über 98 % der Stränge eine Spannung zwischen 4 * 3,14 V und 4 * 3,24 V haben.
- Im Folgenden betrachten wir zunächst eine fiktive mittlere LED.
Fiktive mittlere LED
Die fiktiven mittleren Kennlinien sind in Bild 2 dargestellt:
typisch bei 3,2 V (durchgezogene violette Kennlinie),
minimal (untere Grenze) bei 3,14 V (gestrichelte blaue Kennlinie) und
maximal (obere Grenze) bei 3,24 V (gestrichelte grüne Kennlinie).
- Unsere fiktive mittlere LED hat bei 20 mA eine geringere Toleranz von 3,14 V bis 3,24 V gegenüber einer einzelnen LED mit 2,84 V bis 3,66 V.
- Das ist so, weil die Toleranzen einzelner LEDs in Reihenschaltung gemittelt werden.
Fiktive mittlere LED an 3 V
Bisher haben wir den Fall einer fiktiven LED an einer Konstantstromquelle betrachtet.
- Hier gehen wir von einer Spannungsquelle mit exakt 3 V aus.
Bei einer Flussspannung von 3 V fließen in der fiktiven LED
typisch 9,25 mA (violette Kennlinie schneidet die schwarze 3 V-Linie),
minimal (untere Grenze) 6,9 mA (die gestrichelte grüne Kennlinie schneidet die schwarze 3 V-Linie) und
maximal (obere Grenze) 12 mA (die gestrichelte blaue Kennlinie schneidet die schwarze 3 V-Linie).
- Die fiktive LED wird an 3 V nie überlastet.
Fiktive mittlere LED an 3 V ±5 %
Gängige Netzgeräte werden mit einer Toleranz von ±5 % angeboten. Wir betrachten hier eine Spannungsquelle von 3 V ±5 %, d. h., mit 2,85 V bis 3,15 V.
- Tatsächlich verwenden wir ein Netzgerät mit N * 3 V.
Die untere Spannung von 2,85 V ist in Bild 2 als dunkelblaue Linie und die obere als rote Linie bei 3,15 V eingetragen.
Der minimale Strom durch die fiktive mittlere LED ergibt sich an der Schnittstelle der dunkelblauen Linie für 2,85 V und der gestrichelten grünen Kennlinie für die minimale Flussspannung zu 2,8 mA.
Der maximale Strom, bei dem die rote Linie für 3,15 V die gestrichelte blaue Kennlinie für die maximale Flussspannung schneidet, beträgt 21 mA.
Im Mittel sind es 9,5 mA (die gelbe Linie schneidet die violette Kennlinie).
Bei einer Spannungsquelle von 3 V ±5 % beträgt der Strom durch die fiktive mittlere LED meistens 9,5 mA, minimal jedoch 2,8 mA und maximal 21 mA.
Die LED wird im zulässigen Bereich betrieben.
Der Strom kann allerdings erheblich vom mittleren Wert abweichen.
Dies kann zu einer merklichen Abweichung der Helligkeit führen.
- Die erheblichen Schwankungen werden hauptsächlich durch die Toleranzen des Netzgeräts verursacht.
Ketten von in Reihe geschalteten LEDs
Die fiktiven LEDs beschreiben, wie sich Ketten von N in Reihe geschalteten LEDs verhalten:
- Die Flussspannung Ufn einer Kette von N in Reihe geschalteten LEDs beträgt Ufn = N * Uff. Uff ist die Flussspannung der fiktiven LED.
- In einer Kette von N in Reihe geschalteten LEDs mitteln sich die Toleranzen der einzelnen LEDs.
- Je mehr LEDs in Reihe geschaltet werden, desto geringer sind die Toleranzen.
- Wir können beliebig viele dieser LED-Ketten parallel an eine Stromversorgung anschließen.
Wir können eine Kette von N in Reihe geschalteten LEDs an einer Spannungsquelle betreiben.
4 in Reihe geschaltete LEDs für 12 V
- Bei 4 in Reihe geschalteten LEDs wirkt sich das mittlere Verhalten günstig aus. Wir können sie an 4 * 3 V = 12 V ohne Vorwiderstand betreiben.
Allerdings können wir nicht immer von 2,8 mA bis 21 mA ausgehen. In jeder 50. Kette können höhere und geringere Ströme vorkommen.
- Die Toleranzen des Netzgeräts verursachen große Abweichungen des Stroms.
- So ist der Strom bei maximaler Versorgungsspannung 7,5-mal so hoch wie bei minimaler.
Wirkung der Toleranzen von Netzgeräten ausgleichen
- Am einfachsten wäre es, Netzgeräte mit geringer Toleranz zu verwenden.
- Diese Geräte sind kaum zu beschaffen und teuer.
- Für jede einzelne Kette einen Konstantstromregler vorsehen.
- Die Spannungsquelle muss eine um mindestens 1,2 V + N * 0,06 V höhere Spannung liefern.
- Einen Vorwiderstand einbauen und die Versorgungsspannung erhöhen.
- Parallele Ketten von in Reihe geschalteten LEDs an einer gemeinsamen Konstantstromquelle betreiben.
Günstige LED-Ketten werden meistens an einer gemeinsamen Konstantstromquelle betrieben.
Wir betrachten hier diesen Fall.
Wenn wir den Konstantstrom für M parallele Ketten auf M * 17 mA einstellen, stellt sich eine mittlere Flussspannung von 3,14 V ein.
Hat eine Kette eine geringe mittlere Spannung (blaue gestrichelte Kennlinie in Bild 2), fließen dort etwa 21 mA.
Hat eine Kette eine höhere mittlere Spannung (grüne gestrichelte Kennlinie in Bild 2), fließen dort etwa 13 mA.
Der Strom in den parallelen Ketten liegt also nur zwischen 13 mA und 21 mA.
- Das ist eine Abweichung, die kaum wahrnehmbare Helligkeitsunterschiede der LEDs bewirkt.
Die gemeinsame Konstantstromquelle unterliegt natürlich auch Toleranzen.
Der Strom muss soweit reduziert werden, dass im ungünstigsten Fall kein zu hoher Strom fließt. Diese Toleranz hat keine große Auswirkung, weil sich eine Änderung des Stroms auf alle LEDs gleich auswirkt. Mit anderen Worten, wenn die Konstantstromquelle eine Toleranz von 10 % hat, muss der mittlere Strom lediglich um 10 % reduziert werden.
Im obigen Beispiel ist der mittlere Strom dann etwa 15 mA (12 mA bis 18 mA).
- Eine gemeinsame Konstantstromquelle für M parallele Ketten von LEDs wird am besten mit einem Strom von M * 15 mA betrieben.
Sinnvolle LED-Ketten
- LED-Ketten ohne Vorwiderstand sind für 12 V, 15 V, ... 36 V möglich.
- Mehr als 36 V, d. h., 12 LEDs in Reihe sollten wir nicht hinausgehen.
- Toleranzen in der Versorgungsspannung können große Auswirkungen auf den Strom in den LEDs und damit auf deren Helligkeit haben.
- Die Versorgungsspannung sollte möglichst genau sein.
- LED-Ketten an einer gemeinsamen Konstantstromquelle.
- Es lassen sich Ketten mit jeweils gleicher Anzahl von LEDs parallel betreiben.
- Der Konstantstrom sollte pro Kette nicht über 15 mA liegen.
- Mehr als 12 LEDs in Reihe, d. h., 36 V sollten nicht verwendet werden.
Fazit für LEDs in Reihenschaltung
Werden Ketten aus LEDs in Reihe gebildet,
- werden die Toleranzen einzelner LEDs gemittelt.
- LEDs können deshalb auch ohne Vorwiderstand an einer Spannungsquelle betrieben werden.
- Am besten werden Ketten aus LEDs in Reihe an einer Konstantstromquelle betrieben.
- Es sollten möglichst viele, mindestens vier LEDs in Reihe geschaltet werden.
- Vier LEDs in Reihe können an 12 V ohne Vorwiderstand betrieben werden.
- Mehr als 12 LEDs sollten nicht in Reihe geschaltet werden.
- Ketten von LEDs können parallel geschaltet werden.
- Die parallelen Ketten werden am besten von einer Konstantstromquelle versorgt.
- Dabei ist ein Strom von 15 mA pro LED-Kette optimal.
- Die Toleranz der Konstantstromquelle wirkt sich nur wenig auf die Helligkeit der LEDs aus.
- Die parallelen Ketten können an einer Konstantspannungsquelle betrieben werden.
- Die Toleranz der Spannungsquelle wirkt sich stark auf die Helligkeit der LEDs aus.