LED Hintergrundwissen

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(Bild aus Wikipedia, CCL, Author: Anton)

Oberhalb der Durchbruchspannung nimmt der durch die LED reultierende Strom bei weiterer Steigerung der Spannung überproportional zu.

Faustregel: Oberhalb der Durchbruchspannung verdoppelt sich der Strom pro 20 mV höherer Spannung!

Einerseits ist das wunderbar, weil das emittierte Licht sich recht proportional zum Strom verhält, d.h. bei doppeltem Strom leuchtet es in etwa auch doppelt so hell. Nachteil: Nicht lange, die Lebensdauer sinkt dann rapide.

Daher MUSS jede LED mit einem Vorwiderstand (oder auch mehrere in Reihe geschaltete LEDs) betrieben werden um diesen Stromanstieg zu begrenzen. Auf das obige Diagramm bezogen wird durch den Vorwiderstand die Kurve abgeflacht und etwas realisiert (aber eigentlich ist das nur eine „billige“ Krücke).

2. Verringerung der Durchbruchspannung bei höherer Temperatur:

Leider veringert sich die Durchbruchspannung – wie bei allen Dioden – um etwa 2 mV pro Grad Temperaturerhöhung. Daher lassen sich Dioden übrigens auch gut als Temperatursensor verwenden.

Kling nicht viel, aber bei 10 Grad höherer Temperatur sind das schon 20 mV. Und wie wir gerade zuvor gesehen haben, bedeuten diese 20 mV geringere Duchbruchspannung – bei gleicher angelegter Spannung – doppelten Strom (ohne Vorwiderstand).

Dies führt dann leider dazu, dass der höhere Strom die Temperatur der Sperrschicht erhöht, was dann zu einer geringeren Durchbruchspannung führt, damit zu höherem Strom, der wieder zu höherer Temperatur und so weiter:

==> Das nennt man auch „Thermal Run“, also die Neigung von Dioden (passiert auch bei Bipolaren Transistoren) bei Temperaturanstieg einen höheren Strom durchfließen zu lassen der zu einem weiteren Anstieg der Sperrschichttemperatur führt mit immer mehr Strom bis zur Zerstörung.

LEDs unterliegen wie alle Bauelemente einer Exemplarstreuung, auch insbesondere hinsichtlich ihrer jeweiligen Durchbruchspannung – innerhalb der gleichen „Farbe“ ist hiermit gemeint. Zusätzlich sind die typischen Durchbruchspannungen für jede Farbe auch noch unterschiedlich (wegen des Bandabstandes in der Sperrschicht, der die Farbe bestimmt).

Daher die zweite Faustregel: NIEMALS zwei LEDs am gleichen Vorwiderstand parallelschalten.

Weil: Eine der Dioden wird IMMER eine geringere Durchbruchspannung haben als eine der anderen, diese nimmt dann einen höheren Strom auf, wird deshalb wärmer als die anderen, was zu einem noch höheren Strom führt…-> Termal Run, Defekt. Anschließend passiert das gleiche mit der nächsten bis nur noch eine LED über ist. Wie gesagt, hier nur für die Bastler, die mehrere LED parallel an EINEM gemeisamen Vorwiderstand betreiben wollen (gibt es immer wieder).

Diese drei Eigenschaften, die jeweilige Durchbruchspannung (Exemplarstreuung und je nach Farbe), die expontielle Spannung/Strom-Kennlinie und deren seitliche Verschiebung durch die jeweilige Sperrschichttemperatur ergeben – zusammen mit dem Vorwiderstand – den differentiellen Widerstand der Schaltung (der wie gezeigt erheblich variert, insbesondere nach Spannung und Temperatur)

3. Wie wird eine LED richtig gesteuert?

Wir haben 1. gesehen, dass der Strom sich nach der Spannung einstellt und kleine Änderungen der Spannung zu einem vielfach vergrößerten Strom führen. Die Durchbruchspannung variiert auch noch leicht zwischen den Dioden der gleichen Baureihe und stark nach der Temperatur.

Der Strom alleine bestimmt über die Menge des abgestrahlten Lichtstroms aber leider auch über die Lebensdauer.

Die 3. Faustregel: Der Arbeitspunkt einer LED kann richtig NUR über den Strom gesteuert werden, es ist der wichtigste Betriebparameter.

Unterhalb des Sollstrom wird es recht schnell dunkel und darüber leidet die Lebensdauer. Also eigentlich ist alles andere als der Betrieb mit einer Konstantstromquelle („KSQ“) falsch oder zumindest ungünstig, aber auch teurer.

Bei den einfachen LED-Stripes wird es – rein aus Kostengründen – nur mit einem einfachen Vorwiderstand gemacht. Bei den teuren High-Power-LEDs dagegen ausschließlich mit Konstantstrom, weil die LED einfach zu teuer ist um sie wegen nur angenäherter Betriebsbedingungen zu opfern.

Und was hat das nun alles mit dem hintereinanderschalten von zwei LED-Stripes zu tun?

4. Verhältnisse in einer „Konstantspannungs“-LED-Stripe ohne KSQs:

Bei den üblichen LED-Stripes für 12V / 24V werden zwischen 3 und 8 LEDs einer Farbe in Serie hintereinandergeschaltet mit einem Vorwiderstand davor (oder dazwischen, das ist egal).

Mehrere solcher „Serien-LEDs mit Vorwiderstand“ sind parallel zueinander angeordnet – wie im Beitrag oben skizziert. Deshalb können die Stripes auch jeweils nach einer LED-Serie abgetrennt werden – oder auch weitere hintereinander hinzugefügt. Optisch sieht das zwar aus als würden Serien gekürzt oder verlängert, tatsächlich werden nur weitere parallele Zweige von LED-Serien hinzugefügt (oder abgetrennt).
Das Verlängern solcher Stripes (mit mehreren parallelen LED-Serien alle 5 bis 20 cm, je nach Dichte und Anzahl der Serie wg. Betriebsspannung) ist nur abhängig von der Strombelastbarkeit der Leiterbahnen entlang der Stripes laufenden gemeinsamen Zuleitungen für Serien-Anoden und Serien-Kathoden.

Die Spannung über all diesen einzelnen Serienelementen ist jeweils gleich (lassen wir mal den Leiterbahnwiderstand unberücksichtigt) die Ströme in den jeweiligen Zweigen sind jedoch sicher unterschiedlich, je nachdem welcher differentielle Widerstand sich im jeweiligen Zweig ergibt (aus der Summe der Durchbruchspannungen der in Reihe geschalteten LEDs, dem jeweiligen Vorwiderstand und dessen Toleranz und der jeweiligen Temperatur).

Streng genommen ist das Murks, den der wichtigste Betriebsparameter ist und bleibt der Strom. Was machen die Hersteller da nur? Sparen. Solche Stripes werden für eine mittlere Umgebungstemperatur und eine bestimmte Spannung bemessen (hinsichtlich des Vorwiderstandes), die LEDs (hoffentlich) gut selektiert und fertig.

Manche Hersteller mögen auch dazu neigen den Vorwiderstand etwas zu klein auszulegen, damit ein höherer Strom fließt und damit die eigene Leiste heller ist als die der Konkurrenz. Zudem hält sie dann auch nicht zulange und der Kunde braucht bald wieder eine neue.

Bei Stripes mit höherer Betriebsspannung (24 V) sind mehr LEDs in Serie mit einem Vorwiderstand verschaltet als bei Leisten mit einer Spannung von 12V. Je geringer der Vorwiderstand ist desto geringer auch dessen „stabiliserende“ Wirkung hinsichtlich des Stromes (die Kurve wird steiler).

Die „Begrenzung“ des Stromes über den Vorwiderstand ist eine Krücke und ist nur eine Näherung an die optimalen Betriebsbedingungen.

Kann man das akzeptieren? Es ist ein Kompromiss zwischen technisch richtig und dem resultierenden Preis. Wenn der Hersteller der Versuchung widersteht den Vorwiderstand hinsichtlich einer größeren Lichtausbeute und möglichen höheren Umgebungstemperaturen zu gering auszulegen und die LEDs ordentlich selektiert kann man sicher damit leben. Zwar werden die LEDs dann auch unterhalb ihrer optimalen Lichtausbeute betrieben, dafür bleibt Raum nach oben bei höheren Temperaturen und durch die Exemplarstreuung was sich positiv auf die Lebensdauer auswirkt.

Und was hat das nun mit der Serienschaltung von zwei 12 V Stripes zur Nutzung an einem 24 V Vorschaltgerät zu tun?

5. Serienschaltung zweier 12 V Stripes für den Betrieb an 24 V:

Wir wir gesehen haben, sind die normalen LED-Stripes ohne KSQs eigentlich ein kleiner Murks. Der optimale Betriebspunkt wird nur angenähert getroffen, dafür läßt es sich kostengünstigst realisieren, weil Widerstände praktisch nichts kosten.

Wenn nun zwei solcher Stripes hintereinandergeschaltet werden, dann addieren sich die durch die Näherung über einfache Vorwiderstände einhergehenden Fehler. Oder mit deutlichen Worten: Großer Murks – zumindest kann es einer sein (hängt einzig von den Exemplarstreuungen der Bauteile ab)

Weil: In einer Stripe sind mehrere LED-Serien parallelgeschaltet. Auch wenn die Ströme sich unterscheiden mögen, wenigstens die Betriebsspannung ist die gleiche.

Werden nun zwei solcher Stripes hintereinandergeschaltet, dann haben wir mehrere Serien-LEDs parallelgeschaltet in jeder Stripe. Die beiden Stripes dann hintereinander.

6. Funktioniert nun die Serienschaltung zweier Stripes?

Jein. Getestet hab ich es nicht, aber rein theoretisch mag es gehen – in engen Grenzen:

– Beide Stripes vom selben Hersteller und aus der gleichen Serie.
– Keine Billigware.
– Beide Stripes exakt gleich lang, damit der Strom wenigstens theoretisch gleich ist.
– NUR mit gleicher Lichtfarbe (was sich aber aus „gleicher Serie“ schon ergeben sollte)

Mag funktionieren, kommt eben drauf an.

Ist es empfehlenswert? Nein, eher nicht.

7. Gibt es andere Lösungen um eine 12 V Stripe an 24 V zu betreiben?

JA! Vorwiderstand vor einer Stripe!

Bemessung:
– Widerstand in Ohm = 12V / Stromaufnahme der Stripe (Messen)
– Leistung in Watt: 12 V * Stromaufnahme der Stripe (Messen)

Nachteil:
Die Hälfte der Gesamtleistung wird an dem Vorwiderstand verbraten, für ein paar Watt ist das tolerierbar. Daran denken, dass dieser große Vorwiderstand heiß wird, also lieber mehr Watt und nichts brennbares!

8. Weitere Empfehlungen für „Konstantspannungs-Stripes“ ohne KSQs:

Eher nicht für den Außenbereich geeignet:
Da die Vorwiderstände nur für einen vom Hersteller ausgewählten Temperaturbereich bemessen wurden, sind solche Leisten meiner Ansicht nach wenig für den Außenbereich geeignet.
Wenn es zu kalt ist, dann sind sie nicht gut hell und wenn es zu warm ist zu hell (Strom..) was auf die Lebensdauer geht (sofern einem das nicht egal ist). In unseren Breiten sind -20 °C bis 35 °C normal, je nach Einbauort ist die Temperaturspanne zwischen Winter und Sommer auch größer. Wie oben gezeigt beträgt der Unterschied von 55 Grad einer Änderung von 110 mV bei der Flussspannung – mit den beschriebenen extremen Auswirkungen beim Stromfluss. Letzteres wird zwar vom Vorwiderstand reduziert, aber gerade bei den 24 V Leisten mit bis zu 8 Dioden bei einem Vorwiderstand ist die Limitierung nicht mehr so groß (weil das Verhältnis zwischen der am Vorwiderstand abfallenden Spannung und der Spannung über den in Serie geschalteten LEDs schlecht ist.)

Nur stabilisierte LED-Netzteile:
Bitte nur dafür geeignete stabilisierte LED-Netzteile verwenden die bei 12 V auch dann 12 V an den Klemmen anliegen haben. Mal eben den alten Trafo von früher nehmen kann ziemlich in die Hose gehen wenn dieser dann noch über den Aktor geschaltet wird und zunächst die (bis zu 1,6 fach) höhere Leerlaufspannung „zuschlägt“.

Stripes mit Konstantstromquelle pro Segment kaufen:
Muss ich nun nicht mehr erklären, oder?
BTW: Mal eben eine Konstantstromquelle kaufen für Konstantspannungsleiste geht übrigens nicht. Warum? Nochmal von vorne lesen bitte (Ein Tipp: Die Serien-LEDs sind auf einem längeren Stripe parallel….)