Wer auf der Suche nach praktischen Informationen über elektrische Schaltungen und die Verdrahtung von LED-Komponenten ist, hat hoffentlich zuerst diesen Leitfaden gefunden. Wahrscheinlich haben Sie bereits die Wikipedia-Seite über Serien- und Parallelschaltungen gelesen, vielleicht auch ein paar andere Google-Suchergebnisse zu diesem Thema und sind immer noch im Unklaren oder wünschen sich spezifischere Informationen, die sich auf LEDs beziehen. Da wir seit Jahren LED-Schulungen und -Trainings anbieten und unseren Kunden das Konzept der elektronischen Schaltkreise erklären, haben wir alle wichtigen Informationen zusammengetragen und aufbereitet, um Ihnen zu helfen, das Konzept der elektrischen Schaltkreise und ihre Beziehung zu LEDs zu verstehen.
Zuallererst: Lassen Sie sich von den elektrischen Schaltkreisen und der Verdrahtung von LED-Komponenten nicht einschüchtern oder verwirren – LEDs richtig anzuschließen, kann einfach sein und ist leicht zu verstehen, wenn Sie diesen Beitrag befolgen. Beginnen wir mit der grundlegendsten Frage…
Welche Art von Schaltung sollte ich verwenden?
Ist eine besser als die andere…Serie, Parallel oder Serie/Parallel?
Die Anforderungen einer Beleuchtungsanwendung diktieren oft, welche Art von Schaltung verwendet werden kann, aber wenn man die Wahl hat, ist die effizienteste Art, Hochleistungs-LEDs zu betreiben, die Verwendung einer Serienschaltung mit einem Konstantstrom-LED-Treiber. Eine Reihenschaltung hilft dabei, jeder LED die gleiche Strommenge zuzuführen. Das bedeutet, dass jede LED in der Schaltung die gleiche Helligkeit hat und keine einzelne LED mehr Strom verbraucht als eine andere. Wenn jede LED den gleichen Strom erhält, werden Probleme wie thermisches Durchgehen vermieden.
Keine Sorge, eine Parallelschaltung ist immer noch eine praktikable Option und wird oft verwendet; später werden wir diese Art von Schaltung beschreiben.
Zunächst wollen wir uns jedoch mit einer Reihenschaltung befassen:
Der Strom in einer Reihenschaltung wird oft als „daisy-chained“ oder „looped“ bezeichnet und folgt einem einzigen Pfad von Anfang bis Ende, wobei die Anode (positiv) der zweiten LED mit der Kathode (negativ) der ersten verbunden ist. Das Bild auf der rechten Seite zeigt ein Beispiel: Um eine Reihenschaltung wie die hier gezeigte zu verdrahten, wird der positive Ausgang des Treibers mit dem Pluspol der ersten LED verbunden, und von dieser LED wird eine Verbindung vom Minuspol zum Pluspol der zweiten LED hergestellt, und so weiter, bis zur letzten LED in der Schaltung. Schließlich geht die letzte LED-Verbindung vom Minuspol der LED zum Minuspol des Konstantstromtreibers, wodurch eine Endlosschleife oder Daisy Chain entsteht.
Hier sind ein paar Stichpunkte zu einer Reihenschaltung:
- Gleicher Strom fließt durch jede LED
- Die Gesamtspannung der Schaltung ist die Summe der Spannungen an den einzelnen LEDs
- Fällt eine LED aus, funktioniert die gesamte Schaltung nicht
- Serienschaltungen sind einfacher zu verdrahten und zu beheben
- Schwankende Spannungen an den einzelnen LEDs sind in Ordnung
Serienschaltung betreiben:
Das Schleifenkonzept ist mittlerweile kein Problem mehr und man kann sich sicher denken, wie man es verdrahtet, aber wie sieht es mit der Stromversorgung einer Reihenschaltung aus.
Im zweiten Aufzählungspunkt oben heißt es: „Die Gesamtspannung der Schaltung ist die Summe der Spannungen an den einzelnen LEDs“. Das bedeutet, dass Sie mindestens die Summe der Vorwärtsspannungen jeder LED liefern müssen. Betrachten wir dies am Beispiel der obigen Schaltung und nehmen wir an, dass die LED eine Cree XP-L ist, die mit 1050 mA und einer Vorwärtsspannung von 2,95 V betrieben wird. Die Summe von drei dieser LED-Vorwärtsspannungen ist gleich 8,85Vdc. Theoretisch sind also 8,85 V die erforderliche Mindesteingangsspannung, um diese Schaltung zu betreiben.
Anfangs erwähnten wir die Verwendung eines Konstantstrom-LED-Treibers, weil diese Leistungsmodule ihre Ausgangsspannungen an die Serienschaltung anpassen können. Wenn sich die LEDs erwärmen, ändern sich ihre Vorwärtsspannungen. Deshalb ist es wichtig, einen Treiber zu verwenden, der seine Ausgangsspannung variieren kann, aber den gleichen Ausgangsstrom beibehält. Für ein tieferes Verständnis von LED-Treibern schauen Sie hier nach. Generell ist es jedoch wichtig, dass die Eingangsspannung des Treibers eine Ausgangsspannung liefert, die mindestens der oben angegebenen Spannung von 8,85 V entspricht. Bei einigen Treibern muss man etwas mehr eingeben, um die internen Schaltkreise des Treibers mit Strom zu versorgen (der BuckBlock-Treiber benötigt 2 V Overhead), während andere über Boosting-Funktionen (FlexBlock) verfügen, die es ermöglichen, weniger einzugeben.
Hoffentlich findet man einen Treiber, der die LED-Schaltung mit den Dioden in Reihe schalten kann, aber es gibt Umstände, die dies unmöglich machen. Manchmal reicht die Eingangsspannung nicht aus, um mehrere LEDs in Reihe zu schalten, oder vielleicht gibt es zu viele LEDs, um sie in Reihe zu schalten, oder man möchte einfach die Kosten für LED-Treiber begrenzen. Was auch immer der Grund sein mag, hier wird erklärt, wie man eine parallele LED-Schaltung versteht und konfiguriert.
Parallelschaltung:
Während bei einer Reihenschaltung jede LED den gleichen Strom erhält, erhält eine Parallelschaltung die gleiche Spannung für jede LED, und der Gesamtstrom für jede LED ist der Gesamtstromausgang des Treibers geteilt durch die Anzahl der parallelen LEDs.
Noch einmal, keine Sorge, hier werden wir sehen, wie man eine parallele LED-Schaltung verdrahtet, und das sollte helfen, die Ideen miteinander zu verbinden.
In einer Parallelschaltung sind alle positiven Anschlüsse miteinander und mit dem positiven Ausgang des LED-Treibers verbunden und alle negativen Anschlüsse sind miteinander und mit dem negativen Ausgang des Treibers verbunden. Sehen wir uns das in der Abbildung rechts an.
Bei dem gezeigten Beispiel mit einem Treiber mit 1000 mA Ausgang würde jede LED 333 mA erhalten; die Gesamtleistung des Treibers (1000 mA) geteilt durch die Anzahl der parallelen Stränge (3).
Hier sind ein paar Stichpunkte zu einer Parallelschaltung:
- Die Spannung an jeder LED ist gleich
- Der Gesamtstrom ist die Summe der Ströme durch jede LED
- Der Gesamtausgangsstrom wird durch jeden parallelen Strang geteilt
- In jedem parallelen Strang sind exakte Spannungen erforderlich, um Stromfresser zu vermeiden
Nun machen wir uns einen Spaß daraus und kombinieren sie miteinander und skizzieren eine Reihen/Parallelschaltung:
Wie der Name schon sagt, kombiniert eine Serien-/Parallelschaltung Elemente der beiden Schaltungen. Beginnen wir mit dem Serienteil der Schaltung. Nehmen wir an, wir wollen insgesamt 9 Cree XP-L-LEDs mit je 700 mA und 
einer Spannung von 12 VDC betreiben; die Vorwärtsspannung jeder LED bei 700 mA beträgt 2,98 VDC. Regel Nummer 2 aus den Aufzählungspunkten der Reihenschaltung beweist, dass 12 VDC nicht ausreichen, um alle 9 LEDs in Reihe zu betreiben (9 x 2,98 = 26,82 VDC). 12Vdc reichen jedoch aus, um drei in Reihe zu betreiben (3 x 2,98= 8,94Vdc). Und aus der Parallelschaltungsregel Nummer 3 wissen wir, dass der Gesamtstrom durch die Anzahl der parallelen Stränge geteilt wird. Wenn wir also einen 2100mA BuckBlock verwenden und drei parallele Reihen von 3 LEDs in Serie haben, dann werden die 2100mA durch drei geteilt und jede Reihe erhält 700mA. Das Beispielbild zeigt diesen Aufbau.
Wenn Sie versuchen, ein LED-Array aufzubauen, hilft Ihnen dieses Tool zur Planung von LED-Schaltungen bei der Entscheidung, welche Schaltung Sie verwenden sollen. Es bietet Ihnen verschiedene Optionen für Serien- und Serien/Parallelschaltungen, die funktionieren würden. Alles, was du wissen musst, ist deine Eingangsspannung, die LED-Vorwärtsspannung und die Anzahl der LEDs, die du verwenden möchtest.
Der Nachteil mehrerer LED-Strings:
Eine Sache, die man bei parallelen und seriellen/parallelen Schaltungen beachten sollte, ist, dass, wenn ein String oder eine LED durchbrennt, die LED/der String dann aus dem Stromkreis herausgeschnitten wird, so dass die zusätzliche Stromlast, die zu dieser LED ging, dann auf den Rest verteilt wird. Bei größeren Arrays ist dies kein großes Problem, da der Strom auf kleinere Mengen verteilt wird, aber was ist mit einer Schaltung mit nur 2 LEDs/Strings? Der Strom würde sich dann für die verbleibende LED/String verdoppeln, was zu einer höheren Belastung führen könnte, als die LED verkraften kann, was zu einem Durchbrennen führen und Ihre LED ruinieren würde! Behalten Sie dies immer im Hinterkopf und versuchen Sie, eine Anordnung zu finden, die nicht alle Ihre LEDs ruiniert, wenn eine durchbrennt.
Ein weiteres potenzielles Problem ist, dass die Vorwärtsspannung selbst bei LEDs aus derselben Produktionscharge (gleiches Binning) immer noch eine Toleranz von 20 % aufweisen kann. Unterschiedliche Spannungen zwischen den einzelnen Strängen führen dazu, dass der Strom nicht gleichmäßig aufgeteilt wird. Wenn ein String mehr Strom zieht als ein anderer, erwärmen sich die übersteuerten LEDs und ihre Vorwärtsspannungen ändern sich stärker, was zu einer noch ungleicheren Stromaufteilung führt; dies wird als thermisches Durchgehen bezeichnet. Wir haben viele Schaltungen gesehen, die auf diese Weise aufgebaut sind und gut funktionieren, aber Vorsicht ist geboten. Weitere Informationen über dieses Konzept und Möglichkeiten, es zu vermeiden (Stromspiegel), finden Sie in einem großartigen Artikel auf LEDmagazine.com.