Immer wieder kommt hier das Thema Parallelschaltung von LEDs hoch und
immer wieder wird dabei sehr viel falsches behauptet und gestritten.
Daher will ich hier nochmals versuchen, ein wenig Klarheit in die
Zusammenhänge zu bringen und vereinfacht zeigen wie es möglich ist, LEDs
in direkter Parallelschaltung stabil zu betreiben.
In einer direkten Parallelschaltung arbeitet eine LED nicht mit der
Versorgung aus einer Stromquelle mit sehr hohem Innenwiderstand, sondern
praktisch an einer Spannungsquelle mit geringem Innenwiderstand, weil zu
einer LED die Innenwiderstände (Rled_rest) der anderen LEDs parallel
liegen. Je mehr LEDs parallel arbeiten, umso mehr nähert man sich dem
Fall der reinen Spannungsversorgung an. Man kann daher das Verhalten
einer solchen LED für den ungünstigsten Fall (extrem viele parallele
LEDs) durch den direkten Betrieb an einer idealen Spannungsquelle
beschreiben.
Weiterhin wird im Folgenden davon ausgegangen, daß die einzelnen LEDs
thermisch nicht gekoppelt sind, was dann insgesamt den schlechtesten
denkbaren Betriebsfall darstellt.
Es ist bekannt, daß die Flußspannung einer LED mit der Temperatur fällt
(negativer TkUf). Die thermische Drift einer LED wirkt deswegen wie ein
negativer Innenwiderstand der Größe:
Ri = TkUf Uf Rthja (1)
Wobei TkUf der Temperaturkoeffizient der Flußspannung ist, Uf die
Flußspannung der LED und Rthja der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht
und Umgebung.
Dem steht der positive Innenwiderstand (Bahnwiderstand Rb) der LED
entgegen, den man dem Datenblatt bei hohen Strömen entnehmen oder durch
Messung selbst ermitteln kann. Der an den Anschlüssen der LED wirksame
Widerstand Rled ist also:
Rled = Rb + Ri (2)
Die LED ist thermisch stabil, wenn
Rb > |Ri| (3)
weil dann der resultierende Gesamtwiderstand Rled
Rled > 0 (4)
ist und der Strom daher nicht unbegrenzt ansteigen kann. Durch Einsetzen
der Relation (3) in Gleichung (1) und Umstellen nach Rthja erhält man
die nötige Dimensionierung für thermische Stabilität:
Rthja < Rb / (Uf * TkUf) (5)
Man muss also nur für ausreichende Wärmeabfuhr sorgen, um die LED
prinzipiell stabil zu bekommen. Allerdings ist das der Grenzfall, der
praktisch zu große Ströme zulässt. Für eine brauchbar stabile
Stromverteilung wählt man den Wärmewiderstand deutlich kleiner, wobei
einem die Tatsache zu Hilfe kommt, daß in einem realen Aufbau mit
mehreren parallelen LEDs die aus einer hochohmigen Quelle versorgt
werden, der reale Innenwiderstand der versorgenden Quelle praktisch
nicht 0 ist, sondern der Innenwiderstand der restlichen
LED-Parallelschaltung. Dieser Rled_rest addiert sich zum Bahnwiderstand
einer LED und verbessert die Stabilität.
Rthja < (Rb + Rled_rest) / (Uf * TkUf) (6)
Weiterhin kann man durch Hinzufügen eines externen Vorwiderstandes Rv in
Reihe zu jeder LED die Stabilität auch für schlechte thermische
Bedingungen (großer Rthja) erreichen. Dieser externe Widerstand addiert
sich einfach zum inneren Bahnwiderstand Rb und erlaubt daher gemäß
Gleichung (7) höhere Wärmewiderstände für stabilen Betrieb.
Rthja < (Rb + Rled_rest + Rv) / (Uf * TkUf) (7)
Durch Umstellen von Gl. (7) kann man den notwendigen Vorwiderstand für
gegebene thermische Verhältnisse bestimmen:
Rvmin = Rthja Uf TkUf - (Rb + Rled_rest) (8)
Sind die LEDs thermisch gekoppelt, wie z.B. auf einer COB-LED, dann sind
die Verhältnisse etwas anders. Dort wirkt nämlich nur die Differenz der
Chiptemperaturen auf die Drift der Flußspannung aber nicht die absolute
Erwärmung der LED. Der wirksame Temperaturkoeffizient der Flußspannung
einer LED ist dann sehr viel kleiner und bei idealer thermischer
Kopplung gleich null. Es gibt dann keine Drift, die Anordnung ist immer
stabil. Allerdings ist zu beachten, daß infolge des Wärmeeintrags ALLER
LEDs in die Trägerplatte bzw. den Kühlkörper der für eine LED
"sichtbare" Wärmewiderstand mit der Anzahl der LEDs zunimmt, was die
Stabilität wieder verringert.
Erich schrieb im Beitrag #6932163:
> Wer LEDs parallel betreibt ist ein ahnungsloser Trottel.
Das ist noch harmlos. Die können auch anders.Garantiert.
Das geht bis zu den übelsten Beschimpfungen.
Als Beispiel mal ein 50W RGB COB für Gobolights die wir herstellen:
(Siehe Bild)
Das Seriel/Paralell-schalten der "Die" in COB ist üblich und
funktioniert bei guter Selektion wunderbar.
Erich schrieb im Beitrag #6932163:
> Wer LEDs parallel betreibt ist ein ahnungsloser Trottel.
Gibt genug Lampen, die das so machen. Diese enthalten aber billige LED,
die durch Billigbauweise bereits einen parasitaeren Widerstand
enthalten, so dass die thermische Kopplung einen parallen Betrieb
zulaesst.
Erich schrieb im Beitrag #6932163:
> Wer LEDs parallel betreibt ist ein ahnungsloser Trottel.
Also sind 97% aller Entwickler von Beleuchtungen beeep (deine
Beleidigung widerhole ich nicht).
Die beeep trifft höchstens auf Leute zu, die LED parallel schalten,
weil sie nicht verstanden haben, wie LED funktionieren und wie die
Kennlinie aussieht, und die trifft man hier leider schon.
Ich würde sagen:
Man schaltet LED nicht parallel, wenn man nicht haargenau weiß was man
tut. LED gehören per Default erst einmal in Serie geschaltet und mit
einer Stromquelle versorgt.
Man kann LED allerdings parallel schalten, wenn man das genau weiß was
man tut. Da wird aber nichts erfühlt oder dahergesponnen, sondern dafür
sind Berechnungen und Abklärungen nötig.
So wie ich das sehe, ist die Rangliste der LED-Jünger etwa so:
1: Manche Arduino-Jünger die keine Ahnung von LED haben, schalten sie
parallel, weil sie aus Prinzip Beratungsresistent sind. (Zitat: "so ein
Unsinn, das mit den Datenblättern")
2: Bastler, die sich geringfügig auskenenn, operieren nach geheiligten
Bauernregeln und brüllen alle an (und beleidigen diese), die diese
verletzen. Zitat siehe oben.
3: Hardwareentwickler die LED-Platinen für die Serie entwickeln wissen
von Möglichkeiten der Parallelschaltung, sind aber wegen technischer
Randbedingungen meist gezwungen Symmetrierwiderstände oder einzelne
Stromquellen zu verwenden.
4: Hersteller von COB-LED wissen GENAU über das Thema bescheid, und
können daher LED parallel schalten.
Leider hat die Forensoftware die Formeln (1) und (7) kaputtgemacht, was
in der Vorschau aber nicht wie oben, sondern korrekt angezeigt wurde.
Ich hatte extra mit Leerzeichen geschrieben, um das Fettstellen zu
vermeiden.
Vielleicht ist ein Moderator so nett und setzt dort wieder die
Multiplikationszeichen vor und hinter dem fett geschriebenen Therm ein.
Vielen Dank.
ArnoR schrieb:> ... will ich hier nochmals versuchen, ein wenig Klarheit in die> Zusammenhänge zu bringen und vereinfacht zeigen wie es möglich ist,> LEDs in direkter Parallelschaltung stabil zu betreiben.
[schnipp]
Gut und schön. Aber irrelevant. Denn du betrachtest einzig den Fall des
thermischen Runaway und wie er verhindert werden kann.
Praktisch ist das aber nur der worst case, die Probleme beginnen viel
früher. Nämlich mit der ungleichmäßigen Aufteilung des Stroms. Deswegen
kann man LED nicht gleichzeitig mit Nennstrom betreiben und dabei
parallel schalten. Wenn man LED parallel betreiben will, muß man sie mit
geringerem Strom betreiben. Was für Beleuchtungszwecke (und nur dafür
ergibt die Parallelschaltung überhaupt Sinn) kontraproduktiv ist.
Wenn man LED parallel schaltet und dabei mit dem Maximalstrom betreibt,
kommt genau das heraus was man reihenweise in freier Wildbahn sehen
kann: die LED, die den meisten Strom bekommt, geht als erste kaputt. Die
anderen LED der Parallelschaltung kriegen dann auch mehr Strom und
folgen. Man bekommt erst einzelne Ausfälle (die man nicht unbedingt
sehen muß, gerade bei COB-LED) und am Ende ist das ganze Leuchtmittel im
Eimer.
Und das gemeine dabei ist: es passiert nicht sofort. Eine überlastete
LED stirbt nicht instantan. Dafür muß man sie schon mit dem 10-fachen
des Nennstroms betreiben. Aber die Lebensdauer verkürzt sich. Dann ist
die Leuchte aber längst verkauft. Den Hersteller tangiert das nicht
mehr.
Axel S. schrieb:> Und das gemeine dabei ist: es passiert nicht sofort. Eine überlastete> LED stirbt nicht instantan. Dafür muß man sie schon mit dem 10-fachen> des Nennstroms betreiben. Aber die Lebensdauer verkürzt sich. Dann ist> die Leuchte aber längst verkauft. Den Hersteller tangiert das nicht> mehr.
Wie kann ich eine Gute Selektion erkennen?
Dazu machen wir 2 Tests mit den Gefertigten COB:
Zuerst wird die Spannung langsam hochgefahren, sollte ein oder Mehrere
"Die" nicht im gleichen Pegel anfangen zu "Glimmen/Leuchten* ist es
klasse (B) und geht meist in den eBay handel.
dann wird mit der Wärmebildkamera der COB unter Vollast beobachtet.
Ist die Wärmeentwicklungsunterschied der einzelnen "Die" gößer als 0,5%,
ist es Klasse B+ und geht in die Herstellung von Billigprodukten (an
unsere Kunden, Spielzeug/Customer Artikel)
Nur wen die COB beide Tests besteht und nach 12h keine Änderung
erfährt,(Spannungstest wird danach wiederholt)
ist sie Klasse A und wird in den eigenen Produkten verbaut.
Ja auch eine Vorselektion ist nie 100%, da je nach Dottierungsgrad,
könne Abweichungen erst nach 2h~5h Auftreten.
Allerdings kosten die A Klasse COB auch mehr als B oder B+.
Axel S. schrieb:> Denn du betrachtest einzig den Fall des> thermischen Runaway und wie er verhindert werden kann.
Ja genau. Schon das allein wird ja von den Meisten für unmöglich
erklärt.
Es ist aber auch maßgebend für den Betrieb unterhalb des Maximalstromes:
> Praktisch ist das aber nur der worst case, die Probleme beginnen viel> früher. Nämlich mit der ungleichmäßigen Aufteilung des Stroms. Deswegen> kann man LED nicht gleichzeitig mit Nennstrom betreiben und dabei> parallel schalten.> Wenn man LED parallel schaltet und dabei mit dem Maximalstrom betreibt,> kommt genau das heraus was man reihenweise in freier Wildbahn sehen> kann: die LED, die den meisten Strom bekommt, geht als erste kaputt. Die> anderen LED der Parallelschaltung kriegen dann auch mehr Strom und> folgen.
Ja, je dichter man die LEDs am Maximalstrom betreibt und je größer die
individuellen Unterschiede sind, umso größer muss der Abstand zur
thermischen Instabilitätsgrenze sein, um Differenzen aufzufangen.
Das ist nicht anders als bei der Parallelschaltung von
Leistungstransistoren z.B. in Stromsenken. Auch da gibt es Differenzen
in der Stromverteilung und man muss eine Reserve vorsehen; auf Kante
genähte Dimensionierungen gehen dort genauso kaputt.
> Wenn man LED parallel betreiben will, muß man sie mit> geringerem Strom betreiben. Was für Beleuchtungszwecke (und nur dafür> ergibt die Parallelschaltung überhaupt Sinn) kontraproduktiv ist.
Nicht unbedingt. Die Effizienz und Lebensdauer der LEDs steigt mit
geringerem Strom deutlich an.
Patrick L. schrieb:> Nur wen die COB beide Tests besteht und nach 12h keine Änderung> erfährt,(Spannungstest wird danach wiederholt)> ist sie Klasse A und wird in den eigenen Produkten verbaut.
Interessant. Aber wenn jede einzelne COB-LED 12+ Stunden getestet wird,
dann ist das ein Riesen-Aufwand. Da muß man massig parallelisieren
oder kann nur homöopathische Stückzahlen fertigen. Ganz zu schweigen
von den Apothekenpreisen, die man dann nehmen muß.
Axel S. schrieb:> Ganz zu schweigen> von den Apothekenpreisen, die man dann nehmen muß.
Das ist die Kehrseite der Medalie!
Aber wenn das Produkt in die Industrie geht (Bespiel: Sonnensimulatoren
Spektrometer, Analysengeräte, usw) dan ist der x Fache Preis für ein COB
nichts im Vergleich zu dem Preis was ein frühzeitiger Ausfall eines COB
kostet.
Mann muss immer alles in Relation sehen.
Es gibt Billig und es gibt Günstig!
In der USA kannst du Medikamente im Suppermarkt kaufen, OK. aber
Beratung =0
Du kannst aber hier in eine Apotheke gehen und dich Beraten lassen.
Nun denkst du der Apotheker hat sein Studium aus Jux und Tollerei
gemacht?
Nein er will sein Aufwand bezahlt haben.
Genau so ist es halt wenn du ein eBay COB für ein Butterbrot haben
willst, oder halt ein COB der sogar eine Medizinische Zulassung hat.
Nur da reicht der Preisfaktor 100 nicht, weil für die Kosten der
Zulassung kannst du einen ganzen Tray an COB's kaufen!
Der QM Mensch hat ganz gesunde Preise, Ich glaube er fährt den Porsche,
ich bin "nur" mit einem normalem VW-Golf unterwegs. GRINS
ArnoR schrieb:> auf Kante> genähte Dimensionierungen gehen dort genauso kaputt.
Yupp, damit haben wir schon den Hauptgrund für den Tod vieler
LED-Schaltungen erkannt.
Wer weiß schon, dass viele LED ab 40°C oder 60°C Umgebungstemperatur ein
Derating haben? Wenige...
Wer beachtet Toleranzen?
Kuckuck schrieb im Beitrag #6932273:
> Warum will ich den Widerstand sparen
Niemand ist geiziger als Hersteller.
Beitrag "100W LED Strahler ständig Ausfälle"Natürlich passiert das bei teurem Billigmüll nicht. Die
Selbstüberschätzung ist immer wieder grenzenlos. Ahnungslosigkeit rulez.
Einfach die 3 parallel angeordneten LED Chip 10er Reihen elektrisch als
eine lange Reihenschaltung von 30 LED für ca. 100V zusammenzuschalten
überfordert den Hersteller, der nicht auf Anhieb eine chinesischen
Billigstromquelle mit 100V sondern nur mit 36V findet. Die andere wäre
ja viel zu teuer.
Kuckuck schrieb im Beitrag #6932273:
> Außerdem täte ich denken, ich bin nicht ganz dicht. Warum will ich den> Widerstand sparen, gehts noch?LEDs mit Vorwiderständen kenne ich genau aus einer Anwendung:
Der blinke-LED vom controller.
Für Beleuchtungen komplett untauglich. (Toleranzen der
Versorgungsspannungen...)
Alles andere geht über Buck-Regler (z.B: LM3402) oder diverse
Stromsenken (basierend auf LMV431 zum Beispiel).
Jemand schrieb:> LEDs mit Vorwiderständen kenne ich genau aus einer Anwendung:> Der blinke-LED vom controller.> Für Beleuchtungen komplett untauglich.
Du kennst halt wenig von der Welt.
Quasi alle LED Streifen fur 12V verwenden Vorwiderstände, und die
neliebten WS2812 zumindest keine Schaltregler sondern lineare
Stromregelung.
Und an 230V sind Kondensatornetzteile beliebt, in gewisser Weise auch
ein Vorwiderstand an eine Spannungsquelle.
Du musst halt noch viel lernen.
Wenn man es richtig machen will:
Wenn man einzel LED und nicht COB verwendet.
Selektierte LED-Ketten, jede Kette hat ihr eigener Strom-mess-shunt,
Die Leistung wird für jede Kette sauber geregelt, und dann
protokollieren und messen.
Erst dann kannst du eine Zulassung für Industrie oder Medizin überhaupt
beantragen.
Das betrifft aber nicht die Lampen die man im Obi oder Ikea kauft :-D
Speise mal so eine Kette extern und fahre langsam mit der Spannung hoch
bis sie anfangen zu glimmen/leuchten.
Du wirst überrascht sein was da für bunte Muster entstehen können :-D
Erich schrieb im Beitrag #6932163:
> Wer LEDs parallel betreibt ist ein ahnungsloser Trottel.
Letztendlich besteht doch JEDE LED aus Millionen direkt auf dem Die
parallel geschalteter kleinster LEDs, wenn man das ganze mal auf
atomarer Ebene betrachtet.
Und da geht's doch auch.
MaWin schrieb:> Quasi alle LED Streifen fur 12V verwenden Vorwiderstände, und die> neliebten WS2812 zumindest keine Schaltregler sondern lineare> Stromregelung.
Spielzeug.
Kuckuck schrieb im Beitrag #6932343:
> Frage an die Comunity:> Kann ich beide Geräte in Reihe schalten und an unserem 230V-Netz> betreiben?
Auch wenn etwas (unpassend und OT erscheinend) aber gute Frage. :-)
Ist zwar etwas weit hergeholt da, da die Unterschiede natürlich
unverhältnismäßig anders sind.
Aber für Laie eine gute Verständnisfrage.
Mal schauen ob und was für Antworten da kommen, ganz zu schweigen von
der Laaaangen Diskussion die folgen wird :-D
Patrick L. schrieb:> Aber für Laie eine gute Verständnisfrage.
Nein.
Die richtige Antwort die man einem Laien geben heißt: Nein, auf keinen
Fall.
Tatsächlich gibt es aber genug Beispiele, wo man es in der Praxis so
macht.
Es ist wie immer:
Bauernregeln -> Tonne.
MaWin schrieb:> Kuckuck schrieb im Beitrag #6932273:>> Warum will ich den Widerstand sparen>> Niemand ist geiziger als Hersteller.>> Beitrag "100W LED Strahler ständig Ausfälle">> Natürlich passiert das bei teurem Billigmüll nicht. Die> Selbstüberschätzung ist immer wieder grenzenlos. Ahnungslosigkeit rulez.> Einfach die 3 parallel angeordneten LED Chip 10er Reihen elektrisch als> eine lange Reihenschaltung von 30 LED für ca. 100V zusammenzuschalten> überfordert den Hersteller, der nicht auf Anhieb eine chinesischen> Billigstromquelle mit 100V sondern nur mit 36V findet. Die andere wäre> ja viel zu teuer.
Sorry, aber das ist doch genauso gut oder schlecht oder sogar noch
schlechter, wenn wenigstens das Netzteil gut ausgesucht sein sollte.
Billig-Consumer-LED-Leuchten/Leuchtmittel werden nun einmal gerne im
Grenzbereich betrieben, um billigst die maximale Leuchtstärke für die
verwendeten LEDs zu erreichen.
Irgendwann brennt die erste durch, egal ob als 3 x 10 oder 1 x 30
betrieben.
Nur ist doch bei 1 x 30 dann sofort zappenduster, bei 3 x 10 hat man
wenigstens temporär noch 2 x 10 am leuchten.
Hat das verwendete NT nicht nur die passende Strombegrenzung, sondern
auch noch die passende Spannungsbegrenzung, können die überlebenden
Stränge noch sehr lange ihren Zweck erfüllen.
Ralf X. schrieb:> Sorry, aber das ist doch genauso gut oder schlecht oder sogar noch> schlechter
Nein, weil man dann, für alle 30 LED in Reihe und somit jede Farbe, den
Konstantstrom von aussen vorgeben kann der auch durch jede LED in
gleicher Höhe fliessen wird so dass sie alle gleichhell erscheinen, und
nicht hoffen muss, dass sich der 3-fache Strom schon irgendwie
gleichmässig dreiteilt und keine Reihe überlastet wird.
Patrick L. schrieb:> Das Seriel/Paralell-schalten der "Die" in COB ist üblich und> funktioniert bei guter Selektion wunderbar.
Und da sieht man, was bei Billigware ohne Selektion passiert:
https://youtu.be/kPyBkjgl5bI?t=639
Patrick L. schrieb:> Speise mal so eine Kette extern und fahre langsam mit der Spannung hoch> bis sie anfangen zu glimmen/leuchten.> Du wirst überrascht sein was da für bunte Muster entstehen können :-D
Oh ja, ist auch sehr schoen beobachtbar bei Billigramsch von Aliexpress.
Hab hier eine Handvoll 12V 10W COBs (wahrscheinlich 3p3s), wo der erste
Chip
bereits bei 6,5V anfaengt zu leuchten und der Rest dann sukzessive beim
Hochregeln der Spannung folgt..
Sowas bekommt man fuer 10st/1Teuro.
Gute bauartgleiche LEDs mit selektierten Chips gibts durchaus, da kostet
aber eine LED ~1,50-
Dafuer gehen die Chips dann bei gleicher angelegter Spannung an.
Stefan ⛄ F. schrieb:> Und da sieht man, was bei Billigware ohne Selektion passiert:
Ja da war wohl schon gar keine Vorselektion im Gange ;-)
So etwas habe ich echt noch nie gehabt :-S
MaWin schrieb:> Ralf X. schrieb:>> Sorry, aber das ist doch genauso gut oder schlecht oder sogar noch>> schlechter>> Nein, weil man dann, für alle 30 LED in Reihe und somit jede Farbe, den> Konstantstrom von aussen vorgeben kann der auch durch jede LED in> gleicher Höhe fliessen wird so dass sie alle gleichhell erscheinen, und> nicht hoffen muss, dass sich der 3-fache Strom schon irgendwie> gleichmässig dreiteilt und keine Reihe überlastet wird.
Naja, bei einer Reihenschaltung von LEDs gehe ich an sich per se davon
aus, dass die alle die gleiche Farbe haben. *gg
Ok, bei unterschiedlichem Strom ändert sich natürlich die Farbtemperatur
ggf. ein wenig, aber bei normalen Beleuchtungszwecken unerheblich.
Aber wie kommst Du darauf, dass bei identischem Strom alle
(unselektierten) LED gleich hell erscheinen?
Bei einer Serienschaltung von nicht- oder schlecht selektierten LEDs
werden sich immer unterschiedliche Spannungen an den Einzel-LEDs ergeben
und damit auch unterschiedliche Leistungen, ggf. auch unterschiedliche
Wirkungsgrade.
Bei Billig(st) LED-Lampen/Leuchten waren bei den mir begegneten
Totalausfällen fast ausschliesslichlich jeweils eine einzige defekte LED
der Schuldige.
Vorteil für den Bastler bei einem String:
Die eineLED kann er brücken und das Ding funktioniert ggf. wieder
länger ohne neue Auffälligkeiten, als bei der Brückung einer defekten
LED bei einem Mehrfachstring an einer einzigen Quelle.
Aber steht hier der Bastler bei den Teilen überhaupt zur Debatte?
Der Konsument hat in DE die Wahl, Ware mit/ohne Gewährleistung und mit
oder ohne Garantie zu kaufen.
Und bei der Garantiezeit kann er aussuchen, welches Produkt er von
welchem Händler/Hersteller er kauft.
