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Woran sterben Leuchtdioden?
Bei korrekter Beschaltung sterben Leuchtdioden niemals – sie werden nur im Laufe von
vielen tausend Stunden immer dunkler. Eine LED, die aufgrund ihrer normalen Alterung nur
noch 75 % ihrer ursprünglichen Leuchtkraft hat, gilt als „defekt“. Je nach
Einsatzzweck und Spezifikation können es auch mehr oder weniger als 75 % sein, bei denen
die LED „defekt“ ist.
Wird die vorgesehene Maximalleistung der LED nur leicht überschritten, wird lediglich
der Alterungsprozess beschleunigt. Die LED funktioniert weiterhin, ist aber vielleicht
schon nach 1000 Stunden bei 75 % und nicht erst nach 50000.
Bei stärkerer Überlastung wird der Prozess noch mehr beschleunigt. Außerdem wird die
LED direkt beschädigt – in der Regel deutlich erkennbar daran, dass sie ihre Wellenlänge
(also ihre Farbe) ändert. Manchmal riecht sie in diesem Moment auch schon etwas streng.
Noch stärkere Überlastung führt zum sofortigen Durchbrennen: Die LED ist und bleibt
schwarz.
Was ist Leistung?
Leistung, das wissen wir alle aus dem Physikunterricht, ist das Produkt aus Spannung
und Stromstärke.
Angenommen, eine LED ist für eine Durchlassspannung von 1,9 V bei 20 mA spezifiziert,
dann hat sie eine Nennleistung von 38 mW. Legt man eine Spannung von 2 Volt an, steigt die
Leistung auf 40 mW.
Tatsächlich stimmt das so aber nicht, denn Spannung und Stromaufnahme hängen bei LED
direkt voneinander ab. Bei 2 V statt den spezifizierten 1,9V würde auch die Stromaufnahme
steigen – die LED würde nicht mehr nur 20 mA aufnehmen, sondern vielleicht 30 mA. Damit
wäre die Leistung schon bei 60 mW – fast doppelt soviel wie zulässig.
Das ist auch der Grund, warum bereits geringe Überspannung für LED äußerst
schädlich ist: Der Effekt auf die Leistungsaufnahme ist nicht linear.
Natürlich gilt das auch in umgekehrter Richtung. Liegen nur 1,8 Volt an, sinkt die
Stromaufnahme vielleicht auf 17 mA und die Leistung damit auf rund 31 mW.
Beschädigt werden LED, wenn die umgesetzte Leistung nicht abgeführt werden kann – in
Form von Licht und Wärme: Die LED überhitzt und brennt irgendwann durch. Bei
Unterschreitung der Nennleistung ist das kein Problem, im Gegenteil. Unterspannung ist
also nicht schädlich für LED – man verschenkt nur etwas Helligkeit.
Keine LED ohne Vorwiderstand
Der Vorwiderstand sorgt dafür, Spannung und Stromstärke auf ein für die LED
verträgliches Niveau zu senken. Das hängt nicht zuletzt mit dem ohmschen Gesetz
zusammen:
Der Strom, der durch die LED fließt, fließt genauso durch den Vorwiderstand. Würde
die Stromaufnahme I steigen, so müsste gleichzeitig die Spannung U steigen, die am
Widerstand abfällt, denn der Widerstand R bleibt natürlich konstant. Damit läge an der
LED weniger Spanung an – und weniger Spannung, wir erinnern uns, bedeutet automatisch
weniger Stromaufnahme.
Durch einen passenden Vorwiderstand stellt sich also ein stabiler Zustand ein, bei dem
die LED nicht überlastet wird. Auch bei Fertigungstoleranzen oder minimalen Abweichungen
der Eingangsspannung bleibt die LED in einem ungefährlichen Leistungsbereich.
Wie man den Vorwiderstand berechnet, habe ich hier kurz beschrieben.
Warum Parallelschaltung tödlich ist
In der Literatur wird vor der Parallelschaltung von LED gewarnt und viele Elektroniker
tragen diese Warnung als Mantra in ihrem Herzen, doch sie stimmt nur bedingt.
Werden LED parallel hinter einem gemeinsamen Vorwiderstand betrieben, so stellt der
Widerstand auch hier die Spannung für die LED passend ein – soweit die Theorie. In der
Praxis kann es jedoch Fertigungstoleranzen bei LED geben, die dazu führen, dass sie
minimal unterschiedliche Durchlassspannungen aufweisen. Bei gleicher Eingangsspannung
bedeutet das dann stark unterschiedliche Stromaufnahme.
Am Ende kann es zu der Situation kommen, dass die LED mit der niedrigsten
Durchlassspannung überlastet wird, weil der Widerstand wegen der geringeren Stromaufnahme
der anderen LED die Spannung zu hoch einstellt. Dies wirkt sich auf den Alterungsprozess
aus, der wirkt sich auf die elektrischen Eigenschaften aus, …
Langer Rede kurzer Sinn: Bei Parallelschaltung geht irgendwann die erste LED kaputt und
reißt danach alle anderen mit in den Abgrund.
Warum Parallelschaltung kein Problem ist
Was ist, wenn der Widerstand so bemessen wird, dass bei keiner einzigen LED die
Durchlassspannung überschritten wird? Das würde natürlich bedeuten, dass die LED nicht
an ihrem Leistungsoptimum laufen, wenn sie aufgrund von Fertigungstoleranzen noch einen
Tick mehr Spannung vertragen könnten, aber wäre es auch schädlich?
Wir erinnern uns: Durch Unterspannung geht eine LED nicht kaputt. Man verschenkt nur
etwas Helligkeit. Parallelbetrieb ist daher kein Problem, wenn bei keiner einzigen LED die
maximale Durchlassspannung überschritten wird.
Doch Vorsicht: Sobald eine LED ausfällt oder wegen Alterung ihre elektrische
Charakteristik ändert, kann das System kippen und die LED sterben doch alle wie die
Fliegen. Deshalb ist Parallelbetrieb hinter einem Vorwiderstand tatsächlich ein hohes
Risiko.
Wenn allerdings sichergestellt ist, dass die Durchlassspannung niemals überschritten
wird – auch nicht bei Ausfall einzelner LED –, dann kann man LED tatsächlich gefahrlos
parallel anschließen. Man kann dies durch eine stabilisierte Spannungsquelle wie etwa
einen Linear- oder einen Schaltregler
erreichen.
Angaben in Datenblättern
Die Daten, die für Modellbahn-Basteleien relevant sind und sich in den Datenblättern
finden, sind folgende:
Durchlass- oder Nennspannung
Dies ist die Spannung, für die die LED spezifiziert ist. Üblicherweise erreicht die
LED bei dieser Spannung ihre höchste Leistung und längste Lebensdauer.
Oft ist auch ein Spannungsbereich angegeben:
- Die minimale Durchlassspannung wird gebraucht, damit die LED überhaupt leuchtet.
- Die maximale Durchlasspannung darf keinesfalls überschritten werden, um die LED nicht
zu beschädigen.
- Ist eine typische Spannung angegeben, so ist diese der optimale Wert für den Betrieb.
Die Durchlassspannung hängt primär von Farbe und Material der LED ab, nicht von deren
Leistung. Eine superhelle rote LED kann also durchaus dieselbe Durchlassspannung wie eine
trübe rote Funzel haben.
Im Datenblatt findet man die Durchlassspannung unter UF.
Wenn die LED mit Durchlassspannung betrieben wird, dann hat sie diese
Durchlassstromaufnahme. Umgekehrt: Wenn die LED mit ihrer Durchlasstromaufnahme betrieben
wird, fällt an ihr die Durchlassspannung ab.
Auch hier gibt es oft einen zulässigen Bereich, wobei die Unterschreitung des
Minimalwertes natürlich unproblematisch ist.
Da sich die Stromaufnahme bei unterschiedlicher Eingangsspannung sehr stark ändert,
ist es oft einfacher, zur Prüfung der richtigen Beschaltung die Stromaufnahme zu messen
statt der Spannung.
Im Datenblatt findet man die Stromaufnahme unter IF.
Der Abstrahlwinkel gibt an, wie stark das Licht der LED fokussiert ist.
- Bedrahtete LED mit klarem Gehäuse haben in der Regel einen sehr geringen Abstrahlwinkel
von wenigen Grad: Das Licht, das sie aussenden, wird in einem Punkt gebündelt.
- SMD-LED haben dagegen meist einen großen Abstrahlwinkel von 120°, weil keinerlei
Bündelung des Lichts stattfindet.
- Matte LED streuen das Licht, so dass der Abstrahlwinkel oft noch größer ist als bei
SMD-LED, sind aber in der Regel nicht sehr leistungsstark.
Für Beleuchtungszwecke ist ein großer Abstrahlwinkel meist besser. Mit fokussierten
LED kann man zusätzliche Akzente setzen, zum Beispiel eine Pultbeleuchtung im Stellwerk
.
Wellenlänge oder Farbtemperatur
Die Wellenlänge bestimmt die Farbe einer LED. Eine Wellenlänge von 630 nm bedeutet,
dass die LED rot ist. Jede Angabe einer beliebigen Wellenlänge bedeutet, dass die LED
farbig ist.
Bei weißen LED wird keine Wellenlänge angegeben, da weißes Licht aus verschiedenen
Wellenlängen zusammengesetzt ist. Hier gibt es stattdessen eine Farbtemperatur in Kelvin:
2700 K sollen etwa dem Licht klassischer Glühbirnen entsprechen (Gelb- oder Rotstich),
5500 K der Sonne (bläulich).
Für die Modellbahn sind 2700 K oft noch zu blau – mit orangener
Glasmalfarbe kann man das korrigieren.
Die Helligkeit wird in Microcandela angegeben und bezieht sich in der Regel auf den
Betrieb mit der typischen Durchlassspannung.
Pauschal gesagt: alles ab 120 mcd ist hell genug für die Modellbahn. Oft reicht auch
weniger.
Wenn LED heller sind, kann man einfach die Spannung absenken und spart dadurch auch
noch Strom.
