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Holger

nitroxatmer

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Samstag, 12. Oktober 2013, 16:53

LED Praxis Teil 1 -LEDs anschließen- in Reihe oder Parallel ?

LED Praxis Teil 1 -LEDs anschließen- in Reihe oder Parallel ?

Mehrere LEDs anschließen- in Reihe oder Parallel ?

Essoll gleich am Anfang vorweg genommen sein: es geht vernünftig nur in Reihenschaltung !

Doch warum ist das so ?

Dazu eine kurze Einführung:

Zum Betrieb einer LED benötigen wir eine Spannung und einen bestimmten Strom.
Aus dem Faktor von Spannung und Strom ergibt sich die Leistung, welche in Watt angegeben wird.
P(Watt) = U (Volt) x I (Ampere)

Wie viel Strom bei einer anliegenden Spannung fließen kann ergibt sich
aus dem Widerstand den das Bauteil besitzt.

R(Ohm) = U / I

Eine 21W KFZ-Glühlampe zB hat einen Widerstand (im Betrieb, also glühend)von :
21W/ 12V = 1,75 A >dieser Stromfließt ( P / U = I )
nun den Widerstand berechnen:
12V/ 1,75 A = 6,85 Ohm

Daher (wegen dem "Eigen"-Widerstand) kann man die Glühlampe direkt an den 12V betreiben,
ohne dass sie Schaden nimmt.

Erhöht man nun aber die Betriebsspannung auf zB 24 Volt ergibt sich folgende Rechnung:
24V / 6,85 Ohm = 3,5 A
die doppelte Spannung lässt einen doppelten Strom fließen, welcher die Glühlampe überlastet und sie brennt durch.
Umgekehrt bei nur 6V Betriebspannung:
6V/ 6,85 Ohm = 0,87 A
Es fließt bei halber Spannung nur der halbe Strom und die entstehende Leistung reicht nicht aus,
die Glühwendel richtig zum Glühen zu bringen, die Lampe glimmt nur.

Was hat das nun mit der LED zu tun?
Die LED ist und verhält sich anders als eine Glühlampe (resp. ein Widerstand),
sondern wie eine Diode, genau genommen eine Z-Diode. (LED = Licht Emittierende Diode)

Eine Z-Diode wird in Sperrrichtung betrieben und hat unterhalb der so genannten „Durchbruchspannung“
einen nahezu unendlich großen Widerstand, welcher sich mit erreichen dieser Spannung schlagartig reduziert
und im weiteren Verlauf praktisch gegen Null geht (bzw. gehen würde, wenn sie nicht vorher abrauchen würde)
Genaueres zum Thema Z-Dioden/LED-Grundprinzip bei Bedarf bitte einfach mal googeln.

Die LED verhält sich ebenso und beginnt erst ab einer bestimmten Spannung mit der Abgabe von Lichtenergie.
Da umgehend der Innenwiderstand mit ansteigen der Spannung abnimmt, wird sie relativ schnell um ein
vielfaches heller (innerhalb weniger 10tel Volt) und bald steigt der Strom weiter an, während
die abgegebene Lichtenergie fast gleich bleibt.


Durch den hohen Strom wird die Leistungsaufnahme der LED immer größer (mit zunehmender Erwärmung)
-bis schließlich mehr Wärme
entsteht als abfließen kann.... die LED verlischt wegen Überhitzung.

Da LEDs, wie alles andere auch, einer gewissen Streuung der Parameter unterliegen,
gibt es auch bei Exemplaren gleichen Typs kleine aber feine Unterschiede in den Parametern,
sodass man bei Markenprodukten teilweise gar verschiedene Typenranges beziehen kann,
welche vorselektiert sind.

So wird die Flussspannung einer LED-Type meist mit einer von ...bis... Volt-Größe angegeben,
während der Strom der selbe ist.

Beispiel:

eine LED mit 3W (Typisch) wird mit folgenden Parametern angeboten:
Flussspannung 3,2 - 4 Volt bei einem Strom von max. 700mA.
Der maximal zulässige Strom dieser LED-Type ist also 700mA und darf nicht überschritten werden
(zumindest im Dauerbetrieb. Gepulst ginge auch mehr, das ist aber ein Thema für
sich und für`s AQ nicht so wichtig).


Erwischt man nun den Typ mit den 3Volt Flussspannung nimmt diese eine Leistung von 2,1W auf.
(3V x 0,7 A )
Ist es jedoch das Exemplar mit 4 V sind es dann schon 2,8W.
Während bei dem einen Exemplar der maximale Strom schon bei 3,2V erreicht wird,
braucht es bei dem anderen dafür ganze 4V.
Da jedoch in beiden Fällen nur ein max. Strom von 700mA fließen darf,
benötigen wir ein „Vorschaltgerät“ welches optimaler Weise den Strom, der
durch die LED fließt,
auf den maximal zulässigen Wert begrenzt.

Dazu mehr in "LED-Praxis 2".

Dann bleiben also noch die 2 Varianten der Verschaltung von mehreren LEDs zu klären:

Parallel:
da hier mehrere „Pfade“ parallel bestehen, wird sich dort der höchste Stromfluß einstellen,
wo für ihn der geringste Widerstand besteht= die Diode mit der geringsten Durchbruchspannung.
Es wird sich also beim parallelen Betrieb von mehreren LEDs mit unterschiedlicher Flussspannung
bei jeder einzelnen ein anderer Strom einstellen, was ggf zur Überlastung einer einzelnen führt

und damit zu deren Zerstörung.
Außerdem werden sie so auch verschieden hell leuchten.

Ohne weiteres ist dies also keine Lösung.

>Abhilfe könnte hier eine Vorselektion der Exemplare schaffen bzw. der Kauf von
selektiver Ware,
was sich beides jedoch im Preis auswirkt.
(Entweder sind die LEDs ohnehin teurer oder weil einige der Billigen LEDs am Ende über bleiben werden.)
Kombiniert man dann nur Exemplare mit exakt der selben Flussspannung werden die einzelnen
Ströme auch annähernd gleich sein.
Probleme kann dann jedoch immer noch der Temperatureinfluss bereiten,
denn Halbleiter (unsere LED`s) verändern mit steigender Temperatur ja ihren Widerstand,
sodass bei "Betriebstemp." das Spannung/Strom-Verhältnis anders ausfallen kann
als bei der Selektionstemperatur. Kritisch.

Doch was ist, wenn eine LED dann wegen Defekt ausfällt?
Dann werden die verbleibenden LEDs den „überschüssigen“ Strom aufnehmen,
was am Ende womöglich zur Zerstörung der ganzen Sektion führt, da die LEDs überlastet werden.

Reihe:
Bei der Reihenschaltung fließt nun durch alle LEDs der selbe Strom, unabhängig der einzelnen Flussspannungen.
Allerdings muß man in der Summe etwas mehr als die Durchbruchspannung aller LEDs in Summe anlegen,
damit überhaupt was leuchtet.
Bei z.B. 10 Stück 3W-LEDs mit o.g. Parametern könnten sich die Einzelspannungen auf
32 (10x3,2V) oder 40 Volt (10x4Volt) summieren.

Bei einem Netzteil mit 36Volt kann diese 10er-Kette also leuchten- muß sie aber nicht.

Wenn man in Summe nämlich auf eine Spannung von 36,5Volt käme
(zB 5 LEDs mit 3,4V + 5 mit3,7V) bliebe alles dunkel.
Wenn eine LED ausfällt, fällt der ganze Strang aus,
was sofort bemerkt wird und keine weiteren negativen Folgen hat.

Daher ist als sichere und bessere Variante die Reihenschaltung anzusehen.

Allerdings
führt dies bei LED-Chips mit 30 oder 50 Watt zu Problemen in der
Spannungsversorgung....


Denn diese brauchen jeweils um die 30 Volt, was bei 2 in Reihe bereits 60V bedeutet,
bei 3 gar schon 90V, was in Verbindung mit Wasser und der Tatsache,
dass es
Gleichspannung ist, ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt.
(Gefährlicher als 230V Wechselspannung !)
Daher ist hier eine andere Lösung zu suchen.

Im 2.
Teil folgt dann die Betrachtung der möglichen Spannungs-
(Strom-) versorgungen

für
die LEDs.


Bis
dahin

Beste
Grüße

Holger



Letzte Überarbeitung: 12.10.13 :this:
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Wer ruhig leben will, der darf
nicht alles sagen, was er weiß und
nicht alles glauben, was er hört.
(aus China)