Während der Arbeit an einem Projekt stand ich kürzlich vor dem Problem, dass mir Komponenten fehlten. Aus diesem Grund wollte ich das Projekt vereinfachen, um nicht auf komplexe Komponenten angewiesen zu sein.
Das Projekt ist ziemlich einfach. Ich möchte eine 5-V-Lampe mit einer dieser USB-Power-Banks betreiben, die mittlerweile recht gängig sind, oder mit einer USB-Stromquelle wie Artesyn DCH5. Ich weiß, dass dies mit einer einzelnen LED einfach funktioniert, da der Spannungsabfall über die Diode definitiv innerhalb von 5 V liegt. Als kleine Herausforderung wollte ich jedoch ausreichend Licht erzeugen, um ein Buch lesen zu können oder beim Campen den Weg zu meinem Zelt zu finden. Meine Konstruktion bestand daher aus vier LEDs.
Bei der Verwendung mehrerer LEDs werden diese normalerweise in Reihe geschaltet, um eine konstante Stromverteilung auf alle LEDs zu erreichen. Sie leuchten dadurch einheitlicher, und es wird verhindert, dass eine LED den gesamten Strom zieht und durchbrennt. Meine 5-V-Quelle reicht jedoch für einen Betrieb der LEDs in Serie nicht aus, da die an jeder LED anliegende Spannung für den Betrieb zu gering ist. Ich könnte LEDs mit einer geringeren Vorwärtsspannung verwenden, beispielsweise mit 1,2 Vf. Aber es ist extrem schwierig, LEDs mit einer derart niedrigen Vorwärtsspannung mit einem sichtbaren Spektrum zu finden, insbesondere in Weiß. Meine LEDs haben etwa 3,2 Vf, sodass ich sie für mein Vorhaben nicht in Reihe schalten kann.
Es ist möglich, sie mit einer höheren Spannung zu betreiben, als von der Stromquelle unterstützt wird. Hierfür ist jedoch ein LED-Boost-Treiber wie der Linear Tech LT3491 erforderlich. Oft werden auch aus einer 5-V-Quelle über 20 V herausgeholt, aber ich möchte diesem einfachen Projekt nur ungern eine integrierte Schaltung hinzufügen. Die verwendeten LEDs ähneln stark der CREE C513A-Teilefamilie, nur dass meine 3 mm Durchmesser haben.
Parallel oder in Reihe
Da ich keinen Boost-Treiber verwenden wollte, konnte ich die LEDs nur parallel schalten. Durch die Parallelschaltung der LEDs kann eine geringere Gesamtspannung aufrechterhalten werden, da sich die Spannungen nicht aufsummieren. Dafür steigt jedoch die Leistungsaufnahme aus der Stromquelle, wenn die Wattleistung gleich bleiben soll. Bei parallel geschalteten LEDs muss man ein Thema beachten, wenn die internen Widerstände nicht identisch sind. Ein Unterschied bei den internen Widerständen führt dazu, dass eine LED einen Großteil des Stromes von der Stromquelle zieht, da dieser stets den Weg des geringsten Widerstands nimmt. Dies verkürzt die Lebensdauer der betreffenden LED, da sie sehr schnell oder sogar sofort durchbrennen kann.
Um dies zu verhindern, können die LEDs vorab vermessen und entsprechend ihres internen Widerstandswerts gruppiert werden. Um ähnliche LEDs zu gruppieren, sind eine Konstantstromquelle und ein gutes Multimeter erforderlich. Da ich die vorhandenen LEDs mit ihrem Nennwert von 20 mA betreiben wollte, schloss ich die Stromquelle an und stellte eine Überspannungsgrenze von 3,6 V ein. Um die tatsächliche Spannung mit einer gewissen Genauigkeit und Auflösung zu messen, wird das Multimeter an dieselben positiven und negativen Anschlüsse der LEDs wie die Stromversorgung angeschlossen. Beim Einschalten der Konstantstromversorgung sollten die LEDs leuchten und die Spannung an allen LEDs nach Bedarf angepasst werden. LEDs sind Dioden, was bedeutet, dass sich ihre Eigenschaften beim Erwärmen geringfügig verändern. Ich wartete daher, bis sich die Ausgangsspannung stabilisiert hatte. Die getesteten Komponenten und deren Werte notierte ich auf einem Zettel. Anschließend wählte ich die vier LEDs aus, deren stabile Spannung 3,2V am nächsten kam. Um den ganzen Prozess zu vereinfachen, bieten einige Lieferanten wie etwa Cree sogar an, Teile nach Vorwärtsspannung und Farbtemperatur gruppiert zu liefern, um möglichst konsistente Ergebnisse zu ermöglichen.
Dann ein kurzer Test.
Meine Messungen ergaben ein paar interessante Details. Ich hatte einen Satz LEDs vom selben Hersteller und aus derselben Packung verwendet. Diese LEDs stammten möglicherweise aus unterschiedlichen Produktionsläufen, was jedoch nicht aus den Angaben hervorging. Meine Messung der LEDs, die laut Angaben eine Vorwärtsspannung von 3,2 Vf haben sollten, ergab bei 20 mA einen Bereich von 2,991 Vf bis 3,127 Vf. Dies bedeutete einen Spannungsunterschied von über 10 Prozent über alle LEDs, ohne dass auch nur eine davon bei 20 mA die erwarteten 3,2 Vf erreichte. Durch Erhöhen der Stromstärke auf 30 mA entsprach der Spannungsabfall eher den erwarteten Angaben. Ich konnte sie also vermutlich mit einer höheren Stromstärke als geplant betreiben, was jedoch aktuell nicht erforderlich war. Bei diesen unterschiedlichen Spannungsabfällen variieren die internen Widerstände voraussichtlich von 156 Ohm bis 149 Ohm. Dies ist ein relativ kleiner Bereich, aber wenn ich die Stromstärke erhöhe, werden die Unterschiede deutlicher, was zu Systemproblemen führen könnte.
Hier eine hochwissenschaftliche Dokumentation.
Wenn Sie für Ihre Projekte und Systeme LEDs verwenden, sollten Sie deren Eigenschaften möglichst genau bestimmen. Dies gilt speziell dann, wenn Sie sie ohne intelligente Treiber-IC parallel schalten. Indem Sie die Teile gruppieren, erhalten Sie hochwertigere Systeme, die langlebiger und stabiler sind.