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LEDs in Reihe oder Parallel schalten? Drucken E-Mail
Sonntag, 05. August 2001 von Joker

Einleitung

Wer sich Leuchtdioden zu Beleuchtungszwecken in sein Gehäuse einbaut, wird nicht nur eine, sondern mehrere Leuchtdioden verwenden.
Die Frage, die sich vielen an dieser Stelle stellt, ist, wie man die Leuchtdioden (LEDs) nun an die Spannungsversorgung anschliesst.
Dieser Frage soll in diesem Tutorial nachgegangen werden.
Um die LEDs richtig anschliessen zu können, benötigt man die Betriebsdaten (Spannung und Strom), wie z.B. bei roten Standard-LEDs 2V/20mA.

1. Möglichkeit: Reihenschaltung (FALSCH!)

ledanschluss_01

Zunächst einmal könnte man auf die Idee kommen, die LEDs wie auf diesem Bild dargestellt anzuschliessen. Jede LED braucht z.B. 2V, insgesamt haben wie am PC-Stromstecker 12V zur Verfügung, also können wir 6 LEDs in Reihe schalten.

Aber ACHTUNG!

In vielen Fällen funktioniert diese Vorgehensweise. Es kann jedoch keine Garantie dafür übernommen werden, und elektrotechnisch gesehen ist es völlig unsauber.

Warum ist diese Schaltung wie oben gezeigt so kritisch?
Hierfür müssen wie die Kennlinie einer Diode zu Hilfe nehmen.

ledanschluss_02

Die Kennlinie einer Leuchtdiode sieht etwa so aus wie in obigem Bild. Das Diagramm zeigt, welcher Strom durch die Diode fliesst, wenn eine bestimmte Spannung angelegt wird. Es fällt auf, dass bis zu einer bestimmten Spannung überhaupt kein Strom fliesst (Diode leuchtet nicht), und ab dieser Spannung der Strom langsam ansteigt. Ab einer gewissen anliegenden Spannung sieht man aber, dass der Strom sehr stark ansteigt.
Das bedeutet, dass ab dann bei einer nur sehr geringfügigen Erhöhung der Spannung der Strom gewaltig ansteigt.

Dieser Effekt, und weitere Effekte wie z.B. Temperaturabhängigkeit der Kennlinie, große Fertigungstoleranzen bei Halbleitern, etc, sind dafür verantwortlich, dass die LED durch diese starke Erhöhung des Stroms zerstört werden kann.

Um zu vermeiden, dass dies geschieht, benötigt man zum Betreiben von LEDs unbedingt einen Vorwiderstand- ansonsten KANN die Schaltung zwar funktionieren, aber sie MUSS es nicht- die Chance dass alle LEDs in der Reihenschaltung durch eine Spannungs- oder Temperaturschwankung zerstört werden, ist sehr hoch.

In der nächsten (korrekten!) Schaltungsart wird gezeigt, wie die LEDs mit Vorwiderstand angeschlossen werden müssen.

2. Möglichkeit: Parallelschaltung mit Vorwiderstand (Korrekt!)

ledanschluss_04

Obiges Bild zeigt das Prinzip: Die LEDs sind alle parallel geschaltet, und jede bekommt einen eigenen Vorwiderstand. Wie groß dieser sein muß könnt ihr im Tutorial "Berechnung des Vorwiderstands" nachlesen.
Die Berechnung des Widerstands für obige Schaltung ist exakt diesselbe, man rechnet also den Vorwiderstand für eine LED bei der gewünschten Versorgungsspannung (hier: 5V) aus, baut einen Widerstand dieser Größe vor jede LED, und schaltet die LEDs samt Vorwiderstand dann parallel.
Man könnte als Versorgungsspannung natürlich auch 12V nehmen (gelbes statt rotes Kabel zu den Widerständen in obiger Schaltung), dies ist aber nicht zu empfehlen, denn: Die Spannungsdifferenz zwischen Betriebsspannung der Dioden und Versorgungsspannug muß am Widerstand abfallen. Wenn die LED 2V Betriebsspannung hat, und man wie in obiger Schaltung 5V Versorgung wählt, fallen an jedem Widerstand 3V ab, bei 12V fallen an jedem Widerstand 10V ab. Die thermische Belastung für die Widerstände wäre damit in zweiten Fall westentlich höher, oder auf deutsch: Die Widerstände würden sich stark erwärmen, bei LEDs mit hohem Stromverbrauch könnten die Widerstände sogar zerstört werden.

Der Grund, warum durch die Vorwiderstände die LEDs nicht mehr durch Überstrom zerstört werden können, ist nicht ganz einfach zu erklären und erfordert einiges Hintergrundwissen über Halbleiter.

Nur die Grundzüge an dieser Stelle:
Auch (ohmsche) Widerstände haben eine Kennlinie. Diese sieht aber im Gegensatz zu einer LED etwa so aus:

ledanschluss_03

Man sieht deutlich den Unterschied: Wenn man die Spannung erhöht, erhöht sich der Strom stets in gleichem Maße (also z.B. doppelte Spannung -> doppelter Strom). Der Strom hat also keine Chance, bei einer kleinen Spannungserhöhung sehr stark anzusteigen, sondern kann auch nur wenig ansteigen.
Durch die Reihenschaltung der LED und des Widerstands kann genau eingestellt werden, welcher Strom letztendlich in dem Reihenzweig fliesst (für Insider: Stichwort Arbeitspunkteinstellung).

Ändern sich nun die äußeren Bedingungen (Temperatur, Versorgungsspannung), so wird durch diese Schaltweise der Strom in einem Reihenzweig auf einen bestimmten Wert begrenzt, und kann nicht wie bei der Variante ohne Widerstände so gewaltig ansteigen.

Also: Nur die "2. Möglichkeit" ist eine gute Möglichkeit!

Für keine LED-Schaltung ohne Widerstände kann eine Funktionsgarantie übernommen werden!

 
 

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