Der wichtigste Parameter, der sich auf die Lebensdauer der LED auswirkt, ist der elektrische Strom, dessen Wert für jeden Typ von LED-Elementen streng geregelt ist. Eine gängige Methode zur Begrenzung des maximalen Stroms ist die Verwendung eines Begrenzungswiderstands. Der Widerstand für die LED kann ohne komplizierte Berechnungen auf der Grundlage des Ohm'schen Gesetzes anhand der technischen Werte der Diode und der Schaltungsspannung berechnet werden.
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Merkmale des LED-Anschlusses
Die lichtemittierenden Elemente funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Gleichrichterdioden, weisen jedoch besondere Merkmale auf. Die wichtigsten davon sind:
- Extrem negative Empfindlichkeit gegenüber Verpolungsspannungen. Eine LED in einer Schaltung, die nicht die richtige Polarität aufweist, fällt fast sofort aus.
- Enger Bereich des zulässigen Betriebsstroms durch den p-n-Übergang.
- Die Abhängigkeit des Übergangswiderstands von der Temperatur, die für die meisten Halbleiterelemente charakteristisch ist.
Auf den letzten Punkt sollte näher eingegangen werden, da er für die Berechnung des Abschreckwiderstandes ausschlaggebend ist. Die Dokumentation der strahlenden Elemente gibt den zulässigen Bereich des Nennstroms an, bei dem sie ihre Leistung beibehalten und die angegebenen Strahlungseigenschaften liefern. Eine Unterschätzung des Wertes ist nicht fatal, führt aber zu einer gewissen Verringerung der Helligkeit. Ab einem bestimmten Grenzwert hört der Stromfluss durch den Übergang auf und es gibt keine Lumineszenz mehr.
Eine Überschreitung des Stroms führt zunächst zu einem Anstieg der Leuchtkraft, aber die Lebensdauer wird drastisch reduziert. Ein weiterer Anstieg führt zum Versagen des Elements. Die Auswahl eines Widerstands für eine LED zielt also darauf ab, den maximal zulässigen Strom unter Worst-Case-Bedingungen zu begrenzen.
Die Spannung am Halbleiterübergang ist durch die physikalischen Prozesse am Übergang begrenzt und liegt in einem engen Bereich von etwa 1-2 V. Die häufig in Autos eingebauten 12-Volt-Leuchtdioden können eine Kette von in Reihe geschalteten Elementen oder eine Begrenzungsschaltung enthalten.
Warum braucht man einen Widerstand für eine LED?
Die Verwendung eines Begrenzungswiderstands zum Einschalten der LED ist nicht die effektivste, aber die einfachste und billigste Lösung, um den Strom innerhalb der zulässigen Grenzen zu begrenzen. Schaltungslösungen, die den Strom im Emitterkreis mit hoher Genauigkeit stabilisieren können, sind recht schwierig zu realisieren, und handelsübliche Lösungen sind sehr teuer.
Die Verwendung von Widerständen ermöglicht es, die Beleuchtung selbst zu realisieren. Der Schlüssel dazu ist der Umgang mit Messinstrumenten und minimale Lötkenntnisse. Ein gut konzipierter Begrenzer, der mögliche Toleranzen und Temperaturschwankungen berücksichtigt, stellt sicher, dass die LEDs während ihrer gesamten angegebenen Lebensdauer zu minimalen Kosten ordnungsgemäß funktionieren.
Parallel- und Reihenschaltung von LEDs
Um die Parameter von Stromkreisen und LED-Leistung zu kombinieren, sind Reihen- und Parallelschaltungen mehrerer Elemente weit verbreitet. Jede Verbindungsart hat Vor- und Nachteile.
Parallelschaltung
Der Vorteil dieser Anschlussart ist die Verwendung von nur einem Begrenzer pro Stromkreis. Es sei darauf hingewiesen, dass dies der einzige Vorteil ist, so dass eine Parallelschaltung - außer bei minderwertigen Industrieerzeugnissen - kaum vorkommt. Die Nachteile sind wie folgt:
- Die Verlustleistung am Begrenzungselement steigt proportional zur Anzahl der parallel geschalteten LEDs.
- Die Variation der Elementparameter führt zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung.
- Das Durchbrennen eines Emitters führt aufgrund des erhöhten Spannungsabfalls über die parallel geschaltete Gruppe zu einem lawinenartigen Ausfall aller anderen Emitter.
Eine Verbindung, bei der der Strom durch jedes strahlende Element durch einen separaten Widerstand begrenzt wird, erhöht die Leistung etwas. Genauer gesagt handelt es sich um eine Parallelschaltung von Einzelschaltungen, die aus LEDs mit Begrenzungswiderständen bestehen. Der Hauptvorteil ist die größere Zuverlässigkeit, da der Ausfall eines oder mehrerer Elemente keine Auswirkungen auf den Betrieb der anderen hat.
Der Nachteil ist, dass die Helligkeit der einzelnen Elemente aufgrund der Variationen bei den LEDs und der technologischen Toleranz der Widerstandsfähigkeit stark variieren kann. Eine solche Schaltung enthält eine große Anzahl von Funkelementen.
Die Parallelschaltung mit einzelnen Begrenzern wird in Niederspannungsschaltungen ab einem minimalen Spannungsabfall über dem p-n-Übergang verwendet.
Reihenschaltung
Die Reihenschaltung von Strahlerelementen ist am weitesten verbreitet, da der offensichtliche Vorteil einer Reihenschaltung die absolute Gleichheit des durch jedes Element fließenden Stroms ist. Da der Strom durch den einzelnen Abschlusswiderstand und durch die Diode der gleiche ist, ist die Verlustleistung minimal.
Ein erheblicher Nachteil: Wenn auch nur ein Element ausfällt, ist die gesamte Kette nicht mehr funktionsfähig. Die Reihenschaltung erfordert eine höhere Spannung, deren Mindestwert proportional zur Anzahl der angeschlossenen Elemente steigt.
Gemischter Modus
Die Verwendung einer großen Anzahl von Strahlern ist möglich, indem man eine gemischte Verbindung herstellt, mehrere parallele Ketten verwendet und einen Begrenzungswiderstand und mehrere LEDs in Reihe schaltet.
Das Durchbrennen eines der Elemente führt dazu, dass nur ein Stromkreis, in dem das Element installiert ist, nicht funktioniert. Die anderen werden ordnungsgemäß funktionieren.
Formeln für die Berechnung von Widerständen
Die Berechnung des Widerstandes für LEDs basiert auf dem Ohmschen Gesetz. Die Eingabeparameter für die Berechnung des Widerstands für eine LED sind:
- Schaltspannung;
- den Betriebsstrom der LED;
- ist der Spannungsabfall über der Leuchtdiode (Versorgungsspannung der LED).
Der Widerstandswert ergibt sich aus dem Ausdruck:
R = U/I,
wobei U der Spannungsabfall über dem Widerstand und I der Gleichstrom durch die LED ist.
Der Spannungsabfall der LED wird durch den Ausdruck bestimmt:
U = Upit - Usv,
wobei Upit die Schaltungsspannung und Uc der Nennspannungsabfall über der Sendediode ist.
Die Berechnung der LED für einen Widerstand ergibt einen Widerstandswert, der nicht im Standardwertebereich liegt. Nehmen Sie den Widerstand, dessen Widerstand dem berechneten Wert auf der größeren Seite am nächsten kommt. Auf diese Weise wird einer möglichen Spannungserhöhung Rechnung getragen. Es ist besser, den nächsten Wert in der Widerstandsreihe zu nehmen. Dadurch wird der Strom durch die Diode leicht reduziert und die Helligkeit des Glühens verringert, aber jede Änderung der Versorgungsspannung und des Diodenwiderstands (z. B. aufgrund von Temperaturänderungen) wird aufgehoben.
Vor der Wahl des Widerstandswertes sollte die mögliche Reduzierung von Strom und Helligkeit gegenüber dem eingestellten Wert mit Hilfe der Formel abgeschätzt werden:
(R - Rst)R-100%.
Wenn der resultierende Wert unter 5 % liegt, sollten Sie einen höheren Widerstand nehmen, bei 5 bis 10 % können Sie sich auf einen kleineren beschränken.
Ein ebenso wichtiger Parameter, der sich auf die Zuverlässigkeit des Betriebs auswirkt, ist die Verlustleistung des Strombegrenzungselements. Der Strom, der durch einen Widerstandsabschnitt fließt, führt zu dessen Erwärmung. Die Formel zur Bestimmung der abzuführenden Leistung wird verwendet:
P = U-U/R
Es wird ein Begrenzungswiderstand verwendet, dessen zulässige Verlustleistung den berechneten Wert übersteigt.
Beispiel:
Eine LED hat einen Spannungsabfall von 1,7 V und einen Nennstrom von 20 mA. Er muss an einen 12-V-Stromkreis angeschlossen werden.
Der Spannungsabfall über dem Begrenzungswiderstand beträgt:
U = 12 - 1,7 = 10,3 V
Widerstandswert des Widerstands:
R = 10,3/0,02 = 515 Ohm.
Der nächsthöhere Wert im Standardbereich ist 560 Ohm. Bei diesem Wert liegt der Stromabfall gegenüber der Referenz bei etwas weniger als 10 %, so dass ein höherer Wert nicht erforderlich ist.
Verlustleistung in Watt:
P = 10,3-10,3/560 = 0,19 W
Für diese Schaltung kann also ein Element mit einer zulässigen Verlustleistung von 0,25 W verwendet werden.
Verdrahtung von LED-Streifen
LED-Streifen sind in verschiedenen Versorgungsspannungen erhältlich. Der Streifen hat eine Schaltung von Dioden in Reihe. Die Anzahl der Dioden und der Widerstand der Abschlusswiderstände hängen von der Versorgungsspannung der Leiste ab.
Die gebräuchlichsten Typen von LED-Streifen sind für den Anschluss an einen Stromkreis mit einer Spannung von 12 V ausgelegt. Auch hier ist die Verwendung einer höheren Spannung für den Betrieb möglich. Um die Widerstände richtig berechnen zu können, muss man den Strom kennen, der durch einen einzelnen Abschnitt des Bandes fließt.
Mit zunehmender Länge des Bandes steigt der Strom proportional an, da die Mindestabschnitte technisch parallel geschaltet sind. Beträgt beispielsweise die Mindestlänge eines Abschnitts 50 cm, so hat ein Streifen von 5 m Länge mit 10 solchen Abschnitten einen 10-fach höheren Stromverbrauch.
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