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In dieser Rubrik geht es um LED-Kennlinien, die man unbedingt verstehen muss, bevor man sich mit dem Treiben von LEDs beschäftigt.
Text überarbeitet (2.2.2015)
Der kurze Weg geht hier entlang:
LED-Kennlinie (Dezember 2003, März 2004)
LED-Kennlinien-Vergleich am Beispiel von 1W-LEDs (18.2.2007)
LED-Kennlinie (Dezember 2003, März 2004)
Auch wenn man inzwischen mit LEDs schon kräftig Licht machen kann, verhalten sich LEDs elektrisch völlig anders als Glühlampen, denn sie bestehen nicht aus einer Glühwendel sondern aus einem Halbleiterchip, das die Kennlinie einer Halbleiterdiode hat, nämlich eine nichtlineare (exponentielle) I=f(U)-Kennlinie mit einem ausgeprägten Knick bei einer farbspezifischen Spannung (einige typischen Werte siehe Tabelle in der Rubrik Vorwiderstand).
Die "Knickspannung" wird oft als Schnittpunkt einer Tangente (blau gestrichelt) im Nennarbeitspunkt (hier 2,1V/50mA) an der LED-Kennlinie und der waagrechten Achse definiert.
Im gezeigten Beispiel einer roten LED würde sich eine Knickspannung von ca. 1,85V ergeben.
Tatsächlich beginnt der LED-Strom bei dieser roten LED aber schon ab ca. 1,7V nennenswert zu fließen (ist alles eine Frage des Maßstabes!).
Hier gibt es neuerdings (25.10.2016) eine per Scope aufgezeichnete Kennlinie einer weißen Golden Dragon von Osram, die zum Schutz sogar eine kleine rote LED anti-parallel geschaltet hat.
Und das heißt, auf einen Nenner gebracht, dass man direkt an eine LED nicht irgend eine Spannung anlegt und dann ein Strom nach dem ohmschen Gesetz[1] fließt, sondern dass man den gewünschten LED-Strom fließen lässt (wie das geht, steht auf dieser Website) und sich dann die LED-Spannung zwangsläufig laut LED-Kennlinie ergibt.
Das ohmsche Gesetz ist bei LEDs aufgrund deren nichtlinearer Kennlinie also nicht anwendbar, wohl aber für LED-Vorwiderstände.
LED-Kennlinien im Vergleich (18.2.2007)
Anhand der Kennlinien von weißen 1W-LEDs verschiedener Hersteller kann man sehr schön sehen, was es bedeutet, anstatt eines eingeprägten LED-Stromes eine Spannung direkt an die jeweilige LED zu legen.
Würde man (entgegen allen Empfehlungen) z.B. ULED = 3,2V direkt an den LEDs anlegen bzw. diese drei LEDs parallel schalten und an genau 3,2V betreiben (gestrichelte senkrechte Linie), wäre der LED-Strom:
- bei der Luxeon™-LED nur 50mA,
- bei der XLamp® immerhin schon 200mA und
- bei der Golden Dragon® wären es schließlich die gewünschten 350mA!
Diese Ströme gelten aber nur für genau diese drei Exemplare, deren Kennlinien ich aufgenommen habe und nur bei Zimmertemperatur, sprich 21°C Umgebungstemperatur in diesem speziellen Fall!
Fazit:
Man betreibt eine LED nicht ohne besondere Vorkehrmaßnahmen an einer eingeprägten Spannung!
Man betreibt mehrere (gleiche) LEDs nicht ohne besondere Vorkehrmaßnahmen parallel, sondern vorzugsweise in Serie.
Geeignete Vorkehrmaßnahmen sind Vorwiderstände, Ausgleichswiderstände (bei Parallelschaltung) und schließlich geeignete LED-Treiber.
Parallelschaltung von LEDs
Wird jedoch eine Parallelschaltung von vielen gleichen LEDs (möglichst aus demselben Fertigungslos) durch einen Konstantstrom versorgt (nämlich von einem guten LED-Treiber), so kann man ggf. ausnahmsweise sogar auf Ausgleichswiderstände (typisch 1 Ohm) verzichten (oft aus Kosten- und Platzgründen).
Der eingeprägte Gesamtstrom teilt sich dann auf die einzelnen LEDs einigermaßen gleichmäßig auf. Man muss allerdings dabei beachten, dass bei Ausfall einer LED (normalerweise eine Unterbrechung, selten ein Kurzschluss) der aufgeteilte Strom in den noch intakten LEDs entsprechend größer ist!
Hat man also nur zwei LEDs parallel mit einem LED-Treiber mit Konstantstrom versorgt und eine der beiden LEDs fällt aus, muss die noch intakte LED den ganzen (also doppelten) Strom vertragen können.
Der LED-Strom ist das Maß aller Dinge
Würde man also - wie auf dieser Website zuhauf dringend empfohlen - den LED-Strom einzeln einprägen, wäre der Spannungsabfall bei 350mA LED-Strom laut obigem Diagramm:
- bei der Luxeon™-LED ca. 3,6V,
- bei der XLamp® ca. 3,5V und
- bei der Golden Dragon® nur 3,2V
und zwar wiederum nur bei meinen gemessenen Exemplaren und nur bei Zimmertemperatur (natürlich alle auf Kühlkörper montiert).
Diese kleinen Spannungsunterschiede beim Einprägen des Stromes kümmern im Normalfall niemanden, deshalb nochmals und immer wieder:
Beim Treiben von LEDs unbedingt den LED-Strom einprägen (das würde im obigen Diagramm einer waagrechten Geraden mit Schnitt bei ILED = 350mA [obere Kante] entsprechen) und den LED-Spannungsabfall (so gut wie, aber nicht ganz) vergessen.
Serienschaltung von LEDs
Aus obigen Überlegungen folgt fast zwangsläufig, dass man mehrere LEDs richtig gepolt "in Serie" (oder auch "in Reihe" oder "hintereinander”) schaltet, die dann genauso zwangsläufig von ein- und demselben LED-Strom durchflossen sind, wobei es nun egal ist, wenn es Unterschiede in den einzelnen LED-Flussspannungen gibt. Deshalb dürfen auch LEDs unterschiedlicher Farbe (mit normalerweise unterschiedlicher Flussspannung) in Reihe geschaltet werden - sofern sie denselben Strom vertragen!
Daraus folgt schließlich, dass sich die einzelnen LED-Flussspannungen bei Serienschaltung addieren. D.h., der verwendete LED-Treiber muss diese höhere Gesamtflussspannung auch treiben und dabei dennoch den vorgesehenen LED-Strom liefern können.
LED-Vorwiderstand
Nimmt man statt einer Stromquelle allerdings doch lieber einen LED-Vorwiderstand, schaut die Angelegenheit - wie nicht anders zu erwarten - etwas anders aus.
Wie man diesen Vorwiderstand auch grafisch aus der LED-Kennlinie bestimmen kann, ist hier beschrieben.
Verlustleistung nicht immer gleich
Unter den geschilderten Bedingungen wären die Verlustleistungen in den LEDs (die es zu kühlen gilt):
- 1,3W bei der Luxeon™-LED
- 1,2W bei der XLamp® und nur
- 1,1W bei der Golden Dragon®
Auch eine interessante Erkenntnis!
Dass man dennoch sehr häufig LED-Taschenlampen und LED-Fahrradlampen etc. findet, bei denen eine oder mehrere LEDs knallhart direkt ohne Strombegrenzungswiderstand an eine Batterie geklemmt werden, liegt daran, dass das alles nichts kosten darf.
Außerdem sind solche Beschaltungen auf eine ganz bestimmte Batteriesorte abgestimmt und leben vom jeweiligen Innenwiderstand dieser Batterie, der schließlich den LED-Strom[1] begrenzt.
So gesehen ist das nichts anderes als ein LED-Treiber mittels (relativ niedrigem) Vorwiderstand.
Sehr typisch für diese Art LED-Lampen ist das Nachlassen der Helligkeit kurz nach dem Einschalten und bei weißen LEDs ein Blaustich des Lichtes, was auf Betrieb etwas oberhalb des Nennstromes schließen lässt (abhängig von der verwendeten LED-Sorte).
Großen Schaden richtet das zunächst nicht an. Nur wird die so betriebene LED nicht die versprochenen 100.000 Betriebsstunden (das sind mehr als 11 Jahre) erleben, sondern ihre Helligkeit wird sehr viel früher nachlassen - aber wen kümmert das schon bzw. wem fällt das über die immer noch lange Lebensdauer überhaupt auf?
Ein konkretes Beispiel einer Billigstirnlampe ist in der Rubrik LEDs fetz beschrieben.
[1] Als Beispiel ist zum Vergleich die lineare Kennlinie I = U/R eines 100-Ohm-Widerstandes in das Diagramm mit eingezeichnet, die sich im Nullpunkt und bei 2V/20mA mit der LED-Kennlinie schneidet.