Reihen- und Parallelschaltung von LED
Allgemeines zu LED's Die Durchlassspannungen einzelner LED's hängen von dem verwendeten Substrat ab, mit denen der Grundsstoff dotiert worden ist. Damit wird auch die Wellenlänge also die Lichtfarbe bestimmt.
Ausgenommen Low Current LED's, die schon bei wesentlich weniger Strom ihre volle Leuchtkraft entwickeln.
Allerdings betreibt man LED's nicht mit ihrer Durchlassspannung sondern mit ihrem Typ. Durchlassstrom.Deshalb spricht man in diesem Zusammenhang auch von einer "Konstantstromquelle".
Weil Dioden eine extrem Steile Kennlinie aufweisen, und man mit der Konstantstromquelle statt mit der Konstantspannungsquelle besser den optimalen Arbeitspunkt auf der Kennlinie einstellen kann.
Jede LED funktioniert übrigens auch an Wechselstrom (nicht Steckdose!! sondern kleines Netzteil ohne Gleichrichtung mit der richtigen Spannung) dabei ist sogar die Polung der LED egal, aber die LED flimmert dann mit 50 Hz.
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| Hier die einzelnen Durchlassspannungen | | Rot | ca. 1,5 V | ca. 20-25 mA | | Gelb | ca. 1,7 V | ca. 20-25 mA | | Grün | ca. 2,1 V | ca. 20-25 mA | | Blau | ca. 3,0 V | ca. 30 mA | | Weiß | ca. 3,0 V | ca. 30 mA |
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Beispiel Eine blaue LED soll an 12 V Gleichspannung aus dem Computernetzteil angeschlossen werden.
12 V - 3 V (U max der LED) = 9 V die über den Vorwiderstand abfallen müssen.
Der Strom der LED I max = 30 mA = 0,03 A
Nach dem Ohmschen Gesetz ergibt sich nun R=U/I = 9 V : 0,03 A = 300 Ohm.
Da die Widerstände nach der E-Reihe gefertigt werden ergibt sich aus der E-12 Reihe ( 120, 150, 180, 240, 270, 330,... ) der nächst höhere Wert von 330 Ohm.
Bei einem Vorwiderstand von 330 Ohm und einer Spannung von 9 V ergibt sich ( wenn man die Toleranz des Widerstandes außer acht lässt ), folgende korrigierte Rechnung für den Strom, der durch die LED fliest:
I = U/R = 9V : 330 Ohm = 0,02727 A = ca. 27 mA.
Da der Widerstand nicht zu heiß werden darf, muss noch die Leistung die über den Widerstand abfällt errechnet werden.
Leistung = Spannung x Strom = P = U x I = 9 V x 0.027 A = 0,243 W = 243 mA.
Da die Widerstände gibt es bei gleichem Wert immer für verschiedene Leistungen ( werden dann immer dicker ).
genormt sind z.B. 0.125 W, 0.25 W 0,5 W, 1 W usw.
Ausreichend wäre also der Widerstand 330 Ohm mit 0.25 W, besser aber mit 0,5 W.
Vor- und Nachteile der Reihen- und Parallelschaltung LED's besitzen eine extrem steile Durchlasskennlinie. Deswegen ist bei der Verschaltung von vielen LED's einiges zu beachten. Bleiben wir bei dem Beispiel der blauen LED.
U = 3,0V
I = 30 mA
Die Parallelschaltung kommt immer dann zum Einsatz wenn mehrere LED's verschaltet werden sollen ohne das die Betriebsspannung sich erhöhen soll. Dadurch steigt allerdings der Strom den die Schaltung zieht.
Diese Variante wird bevorzugt eingesetzt wenn genügend Strom zur Verfügung steht, aber die Spannung klein bleiben soll (Schutzkleinspannung max. 24 V nach VDE 0100).
Die Reihenschaltung kommt immer dann zum Einsatz wenn ein geringer Strom bei einer höheren Spannung zur Verfügung steht. (Aber auch hier bitte als Laie den Schutzkleinspannungsbereich nicht verlassen).
Nachteil: Wenn eine LED so ausfällt, das sie eine Unterbrechung im inneren hat, fällt die ganze Reihe aus.
Beispiel für eine gemischte Reihen und Parallelschaltung Vor ein paar Monaten habe ich mir auf einer Streifen Raster Platine im Europakarten Format (10x15 cm.) blaue SMD LED's aufgelötet. Das ganze Ding mit 80 Stück LED's bestückt und in der Sprechanlage an der Haustüre als Beleuchtung eingebaut.
Die Matrix besteht aus 20 Reihen parallel geschalteter LED's und jede Reihe besteht aus 4 Stück In Reihe geschalteter LED's.
Normalerweise würden 4 in Reihe geschaltete LED's 4x3 V also 12 V bei 30 mA Strom benötigen. Aber in diesem Fall würden die LED’s unterschiedlich hell leuchten!Selbst bei selektierten LED's ist der optimale Arbeitspunkt der LED's auf der Diodenkennlinie nicht exakt gleich. Deshalb ist die Spannungsverteilung die in der Reihenschaltung normalerweise gleich ist, ungleich verteilt. An LED 1 liegen z.B. 2,7 V an während an LED 4 3,3 V anliegen. Da sich in Folge dessen an den einzelnen LED's auch ein unterschiedlicher Strom einstellt, haben wir den Salat.
Weiteres Problem: Selbst LED's entwickeln bei Betrieb eine geringe Wärme zumindest wenn man 80 Stück auf so kleinem Raum unterbringt. An den LED's die so unterschiedlich belastet werden entwickeln sich so genannte Hot Spots die auf lange Sicht zu Zerstörung der Reihe führen.
Deswegen bekommt jede LED in der Reihenschaltung einen eigenen Vorwiderstand der zur Strombegrenzung dient. Dieser wird wie folgt berechnet:
Die Spannung an der Sprechanlage beträgt 12 V Wechselstrom. Nach der Gleichrichtung mit anschließender Glättung durch Elkos erhöht sich der Wert um den Faktor 1,414 also auf ca. 17 V.(Dies ist so, weil die 12 V Wechselspannung nur den Effektivwert darstellt, die Spitze liegt um den Faktor 1,414 höher, da die sinusförmige Wechselspannung bei 50 Hz 100 mal in der Sekunde den Nullpunkt durchläuft).
Bei Gleichspannung wie aus dem Computernetzteil spielen diese Überlegungen natürlich keine Rolle.
Meine Ausgangsspannung beträgt also ca. 17 V. Die 4 LED's in der Reihenschaltung benötigen 4 x 3 V also 12 V. 17 V – 12 V für die LED's erbeben 5 V die über die Vorwiderstände abfallen müssen. Nach dem Ohmschen Gesetz bedeutet dies R = U/I = R = 5 V/ 30 mA = 166,67 Ohm, wobei die 30 mA den maximal zulässigen Strom der LED darstellt.
Dieser Widerstandswert muss noch durch vier geteilt werden, da ja jede LED einen bekommen soll, also 41,67 Ohm. Ich habe 48 Ohm Widerstände benutzt damit die LED's nicht jahrelang an ihrer Leistungsgrenze betrieben werden.
Damit ergibt sich folgende korrigierte Rechnung:
I = U/R = 5 V : ( 48 Ohm x 4 ) = 0,021 A also 21 mA Strom für die LED’s.
Ein Strang bestehend aus 4 LED's ist also an 17 V Gleichspannung angeschlossen und verbraucht 21 mA Strom.
Dazu kommen 19 Stück weitere so aufgebaute Stränge die alle parallel geschaltet werden.
| Dies ergibt also folgende Werte | | Versorgungsspannung: | 17 V | Gesamt Stromaufnahme: | 321 mA x 20 Reihen = 420 mA oder 0,42 A | | Leistungsaufnahme: | P = U x I = 17 V x 0,42 A = 7,14 W. |
Schlusswort Dies sind natürlich rein mathematische Betrachtungen, die sämtliche Toleranzen z.B. die der Widerstände außer Acht lässt.
Es geht ja auch nicht in erster Linie um die exakten Werte sondern um die Überlegungen die dahinter stecken wenn man seinen PC mit haufenweise LED's verschönern möchte.
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