Bild 1: Bei realisierter LED-Beleuchtung zählen Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer.

Bild 1: Bei realisierter LED-Beleuchtung zählen Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer.Riedon

Schon aus dem grundlegenden Funktionsprinzips der LEDs lässt sich ableiten, wie man die Bauelemente so beeinflusst, dass sie die vom Hersteller spezifizierte Lichtausbeute tatsächlich erreichen. Wichtig sind die elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften der Leuchtdioden. Mit dem entsprechenden Hintergrundwissen lässt sich einschätzen, warum es unter Umständen weitaus effizienter ist, verschiedene LEDs in Serienschaltung zu betreiben, als einzelne LEDs zu übersteuern. Die Merkmale zeigen, weshalb das Einhalten von Temperaturen nicht nur der Schlüssel zum Maximieren der Lichtausbeute ist, sondern auch dazu dient, den gewünschten Farbton aufrechtzuerhalten und für Zuverlässigkeit im Betrieb sowie eine lange Lebensdauer zu sorgen.

Wunschkandidaten definieren

Betrachtet man die Vorspannungsberechnungen für einige typische Lichtszenarien, ist schnell klar, dass in vielen Anwendungen die erforderlichen Lastwiderstände in der Lage sein müssen, mehrere Watt an Leistung aufzunehmen. Das unterstreicht nicht, warum eine geeigneter Hochleistungswiderstandes notwendig ist, sondern auch welche Bauform passt: Sie muss sich für die Montage auf Kühlkörpern eignen, um so Hitze von den LEDs fernzuhalten. Ein weiterer Punkt besteht darin, bereits schwierige Designanforderungen nicht noch zu verkomplizieren.

Diesen und weiteren Überlegungen – im Rahmen von möglichen Entwicklungslösungen durch Spezialwiderstände – widmet sich Riedon. Das Unternehmen greift dabei auf Produktlinien wie UT-Drahtleistungswiderstände mit einer Leistungsaufnahme bis 13 W zurück. Zu den Serien zählen auch die PF-Leistungs-Metallfilmwiderstände; sie warten mit Leistungen bis zu 20 W auf. Andere Baureihen im Portfolio ermöglichen zusätzlich die Montage auf Kühlkörpern und anderen geeigneten Oberflächen.

An der Spannungsversorgung

Eine lichtemittierende Diode (LED) ist eine Halbleiterdiode, die Lichtwellen aussendet, sobald über den p-n-Übergang des Halbleiterbauelementes ein Strom von der Anode zur Katode fließt. Daher ist für die normale Verwendung von LEDs Gleichstrom erforderlich, um die erforderliche positive Vorspannung (Durchlassspannung) bereitzustellen.

Bild 2: Eine typische LED-Strom-Spannungscharakteristik.

Bild 2: Eine typische LED-Strom-Spannungscharakteristik.Riedon

Ultrahelle LEDs für Beleuchtungszwecke erreichen ihre optimale Leistungsfähigkeit bei einer Durchlassspannung von zirka 3 V. Das Spannungs-/Stromverhältnis verläuft aber nicht linear (Bild 2). Beim Einschalten der LED bei geringer Spannung steigt die Stromaufnahme vergleichsweise schneller an als die Spannung ihren Nominalwert überschreitet. Abgesehen von der Wärmeabgabe und Lebensdauer ist das ineffizient, zumal das Verhältnis von Lichtleistung (luminous flux) und LED-Strom ebenfalls nicht linear verläuft. Eine Verdopplung des Stromes führt so sicherlich nicht zu einer zweifachen Lichtausbeute. Die bessere Variante, um eine höhere Lichtleistung zu bekommen, ist die Anzahl der eingesetzten LEDs zu erhöhen.

Reihenwiderstand

Anhand der Charakteristik (Bild 2) ist eine einfache und konventionelle Variante für den Betrieb von LEDs die Kontrolle des durch die LEDs fließenden Stromes mittels eines in Reihe geschalteten Widerstandes (Bild 3). Er begrenzt nach der Ohmschen Regel den Strom:

  • IF = (VDC – VF)/R

Dabei sind:

  • IF = Durchlassstrom
  • VDC = Versorgungsspannung
  • VF = Durchlassspannung
  • R = Lastwiderstand
Bild 3: Eine einfache LED-Vorspannungsschaltung.

Bild 3: Eine einfache LED-Vorspannungsschaltung.Riedon

Es ist möglich, die LED-Vorspannungsschaltung mit einer gleichgerichteten und geglätteten Nennspannung zu versorgen, jedoch liegt die resultierende Versorgungsspannung (VDC) viel höher, als die Durchlassspannung (VF). Der Lastwiderstand absorbiert einen hohen Anteil des Stromes, welcher verloren geht. Die Serienschaltung mehrerer LEDs, die für eine Reihe von LED-Lampen typisch ist, löst dieses Problem nur teilweise. Die kumulierte Durchlassspannung ist noch immer geringer als die Spannung, welche über den Widerstand abfällt.

Der passende Treiber

Stattdessen verwenden die meisten LED-Beleuchtungssysteme Netzteile (Power Supply Units, PSUs) mit speziellen LED-Treiberschaltungen und einem an die erforderliche LED-Konfiguration angepassten Ausgang. Diese Netzteile besitzen normalerweise einen Wechselstromeingang und einen Gleichstromausgang, der den Betrieb einer einzelnen LED ermöglicht, aber in der Regel jedoch für eine ganze Kette LEDs mit einer Betriebsspannung bis 60 V konzipiert ist.

Auf einen Blick

Gute LED-Lichttechnik hängt von verschiedenen Faktoren ab; hier spielt auch die Auswahl des richtigen strombegrenzenden Widerstands eine Rolle. Der Wert lässt sich zwar theoretisch berechnen, dennoch sollte man im Anschluss das Ergebnis im Zusammenhang mit der Applikation betrachten.

Auch im 60-W-Glühlampenersatz in Form einer LED-Glühlampe kommt ein LED-Treiber zum Einsatz, der zur Versorgung seiner LEDs eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Verwendet man entsprechende Netzgeräte ist es möglich, einzelne LED-Lampen oder LED-Leuchtketten im Parallelbetrieb zusammenzuschalten. Allerdings benötigt jeder parallele Strompfad zur Strombegrenzung einen separaten, seriellen Widerstand.

Die Auswahl treffen

Einfache Berechnungen, basierend auf den dargestellten Vorspannungsschaltungen und LED-Charakteristiken, stellen das verständlich dar. Beispielsweise beim Verwenden eines 24-V-Netzteiles und sechs in Serienschaltung miteinander verbundenen LEDs (jede mit einer nominellen Durchlassspannung von 3 V) verbleiben 6 V, welche man über einen Lastwiderstand abführt. Mit dem dementsprechenden LED-Durchlassstrom von 350 mA lässt sich der erforderliche Widerstandswert berechnen:

  • R = (VDC – 6 x VF) / IF = (24 – 6 x 3) / 0,35 = 17,1 Ω

Die entsprechende Leistung, die der Widerstand aufnehmen muss, berechnet sich zu:

  • P = V x I = 6 x 0,35 = 2,1 W

Auf diese Weise lässt sich eine grundsätzliche Spezifikation für den Widerstand ermitteln. Bevor man jetzt nach einem geeigneten Widerstandstyp Ausschau hält, ist es ratsam, die bisherigen Betrachtungen zu hinterfragen. Wozu soll beispielsweise ein 24-V-Netzteil Einsatz finden, wenn ein 20-V-Netzteil die Leistungsaufnahme des Widerstandes eindeutig auf 0,7 W reduzieren könnte? Ein Grund sind die Konstruktion und die Toleranzen der einzelnen Komponenten.

Typisches Netzteil

Ein typisches Netzteil hat eine Ausgangsspannungstoleranz von ±5 %. Die Strom-/Spannungscharakteristik von LEDs ist nur ein geringer Faktor. Weitaus größer ist die Beeinflussung des Widerstandes durch ausgangsseitige Änderungen am Netzteil. Nimmt man das Beispiel mit dem 24-V-Netzteil, so führt eine Spannungssteigerung um fünf Prozent (+1,2 V) zu einem Anstieg des Durchlassstromes auf rund 400 mA, welcher noch immer dem Nominalwert für LEDs weitgehend entspricht. Bei einem 20-V-Netzteil führt eine fünfprozentige Erhöhung der Ausgangsspannung (+1 V) zu einer Erhöhung des Durchlassstromes auf zirka 450 mA, was die geforderten 350 mA übersteigt.

Bild 3: Eine einfache LED-Vorspannungsschaltung.

Bild 3: Eine einfache LED-Vorspannungsschaltung.Riedon

Ähnlichen Einfluss auf den Durchlassstrom hätten Änderungen des Widerstandswertes, würde dieser von den Schaltungsvorgaben abweichen oder würden die einzelnen LEDs nicht ihrer normalen Charakteristik entsprechen. Das zeigt, dass es keine absoluten Regeln zur Ermittlung einer LED-Vorspannungsschaltung gibt, alle diese unterschiedlichen Faktoren müssen aber Berücksichtigung finden.

Wie schon vorangehend bemerkt, besteht der Nachteil darin, dass die durch höhere Ströme verursachte Verlustleistung zu einer erhöhten LED-Sperrschichttemperatur führt. Das wiederum reduziert die Lichtleistung, was einer Erhöhung des Arbeitsstromes widerspricht. Bedeutender ist jedoch der negative Einfluss auf die Funktionszuverlässigkeit und die zu erwartende Lebensdauer.

Wert auf Farbe legen

Der relative Farbwertanteil (Farbton) einer LED lässt sich von einer Änderung der Stromstärke und Temperatur beeinflussen. Daher ist es wichtig, beide Größen unter Kontrolle zu behalten. Dies betrifft besonders das Dimmen von LEDs. Grundsätzlich lassen sich LEDs über einen eingeschränkten Helligkeitsbereich mittels Änderung des Treiberstromes, sogar bei Überschreiten dessen Nominalwertes dimmen, jedoch besteht auch hier das Problem der Farbtonänderung.

Eine andere Methode ist die Pulsweitenmodulation (PWM) des Vorstromes. Mittels PWM lassen sich die LEDs mit einem Rechtecksignal ansteuern, welches die LEDs bei einer Frequenz von 100 kHz oder höher ein- und ausschaltet. Die LED erhält so den idealen Durchlassstrom während der An-Phase des Signalzyklus, wobei die Verlustleistung während der Aus-Phase vernachlässigbar ist. Eine Grundanforderung an Lastwiderstände bei der Anwendung des PWM-Verfahrens für das Dimmen von LEDs ist, dass diese Widerstände eine minimale Eigeninduktivität und Eigenkapazität besitzen sollten.

Geeignete Lastwiderstände

Die typischen LEDs in der Lichttechnik benötigen Durchlassströme von 350 mA. Ein Anstieg ist zunehmend vor allem bei der Verwendung von LED-Typen mit Durchlassströmen von 700 mA, 1 A und sogar 1,5 A zu verzeichnen. Waren für das vorangehend dargestellte Beispiel Widerstände mit einer Leistungsaufnahme von 2 W ausreichend, so verlangen Hochleistungs-LEDs Widerstände mit Leistungen von 10 W oder mehr.

Axialbedrahtete Drahtwiderstände haben ein gutes Leistungsverhalten und lassen sich mit sehr geringen Widerstandstoleranzen und exzellenten TK-Werten (Temperaturkoeffizient des Widerstandes) herstellen; sie sind in einem breiten Temperaturbereich einsetzbar.

Bild 4: Die Widerstände eignen sich für LED-Beleuchtungsanwendungen.

Bild 4: Die Widerstände eignen sich für LED-Beleuchtungsanwendungen.Riedon

Beispielsweise Riedons Drahtwiderstände der UT-Serie (Bild 4) haben Leistungen bis zu 13 W und einen Temperaturbereich von -55 bis +250 °C (bis 350 °C bei einigen Typen). Für eine höhere Leistungsaufnahme oder wenn die Notwendigkeit einer effektiveren Wärmeableitung, weg vom Lastwiderstand besteht, verfügt Riedon über seine UAL-Serie (Bild 4) von Leistungswiderständen im Aluminiumgehäuse mit einer Leistungsaufnahme bis 50 W und mehr.

Die Drahtwiderstände sind mit nichtinduktiven Wicklungen lieferbar aber auch die Dünnfilm-Widerstandstechnik eignet sich als Alternative in einigen Anwendungen. Leistungswiderstände der PF-Serie (Bild 4) besitzen eine geringe Eigeninduktivität und sind in verschiedenen Gehäuseformen erhältlich, beispielsweise: 20 W beim TO-126 und 50 W beim TO-220. Für die direkte Leiterplattenmontage gibt es die PFS-Serie in Form von SMD-Widerständen mit einer Leistungsaufnahme bis 35 W.