Parallel und Reihenschaltung mit LEDs
von B. Kainka
Es wurde schon festgestellt, dass rote und grüne LEDs sich in ihren elektrischen Daten unterscheiden. Das Schaltbild zeigt, wie sich beide in einer Parallelschaltung verhalten. Der Gesamtstrom fließt nicht zu gleichen Teilen durch beide LEDs, sondern der größere Strom fließt durch die rote LED.
Parallelschaltung unterschiedlicher LEDs
Der Versuch zeigt die ungleiche Stromverteilung deutlich, die grüne LED leuchtet kaum noch. Zieht man jedoch die rote LED heraus, leuchtet die grüne LED mit voller Helligkeit. Man kann diesen Effekt ausnutzen, um eine Art Umschalter mit einem einfachen Tastschalter zu realisieren, der in Reihe zur roten LED liegt.
Die Parallelschaltung mit einem zusätzlichen Tastschalter
Farbumschaltung
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Die Parallelschaltung von LEDs ist übrigens auch bei gleichen Farben problematisch. Schon geringe Unterschiede in den elektrischen Kenndaten können zu ungleichen Strömen und damit zu unterschiedlicher Helligkeit führen.
2.5 Die Kurven einer LED
Als Kennlinie bezeichnet man ein Diagramm, das zwei Kenngrößen eines Bauteils in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit zeigt. In der Elektronik werden oft Strom-Spannungskennlinien verwendet, die z.B. das Verhalten einer Diode gut beschreiben. Man benötigt geeignete Wertepaare für Strom und Spannung, die dann im Diagramm eingetragen werden. Hier eine typische Schaltung zum Messen einer Kennlinie:
Prinzip der Messung einer LED-Kennlinie
Abb. 2.11 zeigt die real gemessenen Kennlinien der im Lernpaket verwendeten LEDs. Unterhalb 1,5 V (rot) bzw. 1,75 V (grün) fließt kein messbarer Strom. Tatsächlich können sich die Kennlinien je nach Fabrikat stark unterscheiden. Einige superhelle LEDs sowie blaue und weiße LEDs weisen noch erheblich größere Durchlassspannungen auf.
Die Kennlinien der verwendeten LEDs
Falls Sie ein einstellbares Netzgerät und zwei geeignete Messgeräte zur Verfügung haben, können Sie die Kennlinien selbst aufnehmen. Der grundsätzliche Aufbau kann aber mit einem Fotowiderstand erprobt werden. Die Umgebungshelligkeit bestimmt den Strom und damit die Helligkeit der LED. Die Widerstand des LDR ändert sich in weiten Grenzen zwischen ca. 1 k bei maximaler Helligkeit und 1 MOhm bei Dunkelheit. Er kann also in vielen Versuchen wie ein einstellbarer Widerstand verwendet werden.
Stromkreis mit LDR
Steuerung des LED-Stroms über den LDR
Alle in einer Reihe
Oft ist es günstig, zwei oder mehr LEDs mit einem gemeinsamen Vorwiderstand in Reihe zu schalten. Da nun beide Diodenspannungen sich addieren, wird der Spannungsabfall am Vorwiderstand entsprechend kleiner. Um dennoch den erlaubten Strom von 20 mA zu erreichen, muss der Vorwiderstand verkleinert werden. Allerdings hat der kleinste Widerstand unter den Bauteilen im Lernpaket 470 Ohm. Hier wird deshalb durch Parallelschaltung von zwei gleichen Widerständen ein neuer Widerstand mit 235 Ohm gebildet. Bei einer Batteriespannung von 9 V liegt ein Spannung von 5 V an den Widerständen. Daraus ergibt sich ein Strom von 21 mA.
Reihenschaltung von LEDs
Die Berechnung zeigt einen Strom, der den Grenzwert von 20 mA geringfügig überschreitet. Tatsächlich jedoch hat die Batterie meist eine geringere Spannung als 9 V. Man kann daher eine LED-Anwendung so dimensionieren, dass am Anfang der Batterielebensdauer eine geringe Überschreitung der Stromstärke vorliegt. Tatsächlich zerstört z.B. ein Strom von 30 mA die LED nicht unmittelbar, sondern führt nur zu einer geringfügig schnelleren Alterung und damit zu einer Abnahme der Helligkeit.
Mit dieser Schaltung erhalten Sie einen besseren Wirkungsgrad als mit nur einer LED. Bei etwa gleichem Strom ist die Gesamthelligkeit größer als mit nur einer LED.
Der Versuch zur Reihenschaltung
Die Reihenschaltung mehrerer LEDs führt zu einem besseren Gesamtwirkungsgrad, weil weniger Energie im Vorwiderstand vernichtet wird. In LED-Lampen sollte man also entsprechend der eingesetzten Batteriespannung so viele LEDs wie möglich in Reihe schalten und den Vorwiderstand so wählen, dass gerade der richtige Strom fließt. Bei roten und grünen LEDs kann man in erster Näherung 2 V Durchlassspannung ansetzen. Bei einer Batteriespannung von 12 V könne man z.B. 5 LEDs in Reihe schalten und einen Spannungsabfall von 2 V am Vorwiderstand vorsehen. Je nach den verwendeten LEDs werden sich etwas andere Spannungen ergeben, die mit einem geänderten Vorwiderstand angepasst werden sollten. Bei Batterielampen sollte aber auch bedacht werden, wie die Helligkeit sich bei einer Abnahme der Spannung ändert. Wenn es auf eine gleichmäßige Helligkeit ankommt, sollte man weiniger LEDs in Reihe schalten und eine größere Spannung am Vorwiderstand vorsehen. Weiße und blaue LEDs haben übrigens eine Durchlassspannung von 3,5V bis 4 V. Daher lassen sich bei einer Versorgungsspannung von z.B. 12 V nur zwei oder drei LEDs in Reihe schalten.
Literatur: Schnellstart LEDs
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