Mehrere LED verschalten: Praxis vs Theorie

[TsunDere]

Vorwort:
Mir ist die graue Theorie der Verschaltung mehrerer LED bekannt. Dies ist KEINE KFZ Bastelei oder Anstiftung zu einer, sehr wohl aber geht es um ein Problem aus den Bereich KFZ, sodass ihr gern auch die Anforderungen der StVO und StVZO in eure Überlegungen einfließen lassen könnt.

Die Ausgangslage :
Betriebsspannung 13,8V DC (KFZ Bordnetz), 3. Bremslicht bestehend aus 16 x LED Rot LED Type Superflux. Type der LED sei um der Diskussion willen Nichita NSPRR70ASS R;
Vereinfachte Randdaten Ifmax=70mA, Uf=2.1V bei 20mA , 2.2V bei 30mA, 2.3V bei 40mA

Ich stelle drei Verschaltungen zur Diskussion (siehe Anhang):
Fig.1 Die "richtige" Version laut LED FAQ (graue Theorie)
Fig.2 Die (laut LED FAQ) "falsche" Verschaltung ( siehe hierzu aber auch http://ledlight.osram-os.com/wp-content ... s.Web_.pdf )
Fig.3 Die "vorgefundene" Verschaltung (aka die Realität)

FRAGE:
Ist Fig. 3 falsch und Garant für einen frühzeitigen Ausfall, oder ist sie die unter den gegebenen Bedingungen;KFZ, StV(Z)O sogar beste und einzig praktikable Lösung?


Meine Überlegung in Kurzform:
- die meisten LED im KFZ werden wegen schlechter Kontaktgabe (offen) sterben
- Ausfall einer LED als satter Kurzschluss (UF=0) habe ich selbst noch nicht erlebt
- Ausfall einer LED mit verringerter Uf~2,3V ist mir bislang nur bei LED mit nominal Uf>3V untergekommen (blaue/UV LED + Farbstoff).

- Fig.1: der Ausfall einer LED (offen) fürht zum Ausfall einer Kette von 4 LED, entsprechend 1/4 des gesamten Bremslichtes. Einbußen der Leuchtkraft und Beeinträchtigung der Lichtverteilung sind dann gff nicht mehr StVZO konform.
- Fig. 2: es fällt wiederum eine komplette Kette von 4 LED = 1/4 des Bremslichts aus. Der Strom in den verbleibenden drei Ketten steigt auf ~35mA, doch macht dies nicht die Leuchtkraft der ausgefallenen LED wett.
- Fig. 3: es fällt allein die betroffene LED aus. Der Strom durch die der ausgefallenen LED parallelen LED erhöht sich zwar auf 35mA, aber liegt damit unter dem maximum von 70mA. Die Einbuße in der Leuchtkraft beträgt bei dieser Verschaltung höchstens 1/16.

Fig.3 somit die im Sinne der StVO und StVZO sinnvollste Lösung, da beim Ausfall einer einzelnen LED die wenigste Leuchtkraft verloren geht.
Einzig die Verschaltung von jeweils nur einer LED mit eigenem Vorwiderstand ist ähnlich effektiv, dürfte aber energetisch betrachtet eher Unfug sein.

[Erfinderlein]

Hi,

ohne lange zu überlegen, dürfte bezüglich der Ausfallauswirkung Schaltung drei die günstigste sein. Es fällt nur die eine aus. (Beim Öffnen) Im Kurzschlussfall wäre dann 2 günstiger.

LG²

[Ney]

Energetisch sparst du nix. Es bringt nur zusätzliche Bauteile und somit zusätzliche Bauteilekosten.

Fig. 2: es fällt wiederum eine komplette Kette von 4 LED = 1/4 des Bremslichts aus. Der Strom in den verbleibenden drei Ketten steigt auf ~35mA, doch macht dies nicht die Leuchtkraft der ausgefallenen LED wett.

Der gesamte Strom steigt in etwa auf den gleichen Wert. Die gesamte Spannung auf der Kette wandert geringfügig nach oben oder nach unten mit dem Unterschied aus den Kennlinien. Wenn hier eine komplette Kette fehlt, kommt es darauf an, wo die einzelnen LED's plaziert sind. Wenn sie gemischt sind, dann fehlt hier und da in der Leuchtstärke. In der letzten Lösung fehlt nur eine einzige LED aus.
Man versteht aber, warum die OEM's Schwierigkeiten mit der Lichtstreuung haben.

[anders]

Ist Fig. 3 falsch und Garant für einen frühzeitigen Ausfall, oder ist sie die unter den gegebenen Bedingungen;KFZ, StV(Z)O sogar beste und einzig praktikable Lösung?

Wie man sieht, funktionierts.

Der Leuchtenhersteller wird natürlich nach Farbe und Helligkeit gebinnte LEDs beziehen, und es liegt die Vermutung nahe, dass LEDs mit nahezu gleichen optischen Eigenschaften auch elektrisch ähnlich sind.
Darüber hinaus kann und wird der LED-Hersteller die Teile auch nach gleicher Uf sortiert gurten.
Je besser er seinen Herstellungsprozess im Griff hat, umso geringer werden die Toleranzen sein, und umso leichter wird ihm das fallen.
Derartige Sortierungen wurden übrigens schon vor zig Jahren mit den Varicaps für Tuner vorgenommen um den Gleichlauf zu gewährleisten. Auch damals schon konnten Hersteller garantieren, dass z.B. 10 im Gurt benachbarte Dioden um z.B. nicht mehr als z.B. 0,5pF voneinander abwichen.

Nun zu der vorgefundenen Schaltung.
Solange alles planmäßig verläuft, kann man sie ja als Reihenschaltung von vier 120mA LEDs ansehen, und die Reihenschaltung bewirkt generell keine thermischen Instabilitäten, sondern bedämpft eventuelle. Zumindest solange der Betrag des (thermisch verursachten) eventuell negativen differentiellen Gesamtwiderstandes der LEDs geringer als der Vorwiderstand ist, weil dann ja eine Spannungsabnahme an der LED automatisch zu einer Reduktion der von ihr aufgenommen Leistung führt.
Instabilitäten können also nur innerhalb der parallel geschalteten Vierergruppen auftreten.

Ob diese Instabilitäten zwischen anfangs gleichen LEDs auftreten ist wiederum eine Frage der thermischen Kopplung bzw. der Kühlung.
Aber auch ohne thermische Kopplung ist hier die Parallelschaltung von vier Dioden stabiler als die von zweien:
Wenn bei einer von zwei Dioden, die mit annähernd Konstantstrom betrieben werden, aus thermischen Gründen die Uf sinkt, steigt in erster Linie ihr Strom und damit die Leistung, den sie von der anderen Diode übernimmt. Da die Flußspannung groß ist, gegenüber ihrer Änderung, kühlt sich die andere Diode etwa um den Betrag ab, um den sich die andere erwärmt.
Wenn der Vorgang damit zunächst beendet ist, beträgt bei gleichen Wärmewiderständen die Temperaturdifferenz und die Flußspannungsänderung zwischen den Dioden also das Doppelte der einzelnen.
Wenn der auslösendenden Diode aber drei normale gegenüber stehen, so ist ihr Wärmewiderstand auch nur ein Drittel wie bei einer einzelnen, und dementsprechend geringer fällt auch die Temperatur- und Flußspannungsänderung der drei aus, und der Leistungszuwachs der "heissen" Diode ist geringer.

Dass man durch die Parallelschaltung in Gruppen eine Redundanz erhält, welche die Auswirkungen eines Totalausfalls vermindert, hattest du ja selbst schon angesprochen.

Möglicherweise reduziert man durch diese Art der Verschaltung auch die Wahrscheinlichkeit, dass Worst-Case Exmplare zueinander finden und sich gegenseitig im negativen Sinne beeinflussen, aber das habe ich noch nicht zu Ende überlegt.

[Ney]

Eine LED hat keinen negativen differenziellen Widerstand. In der Parallelschaltung wird die Knotenspannung durch die kleinere Spannung geklemmt, wobei der Zweig mit der geringeren Gesamtspannung den größten Strom übernimmt.
In der Serienschaltung wird der Strom durch die resultierende Kennlinie aus den flachsten Anteilen bestimmt. Es ist wie quasi LED mit einem Vorwiderstand, der die Steile Steigung der Diodenkennlinie abflacht

Ich hätte beinahe vergessen. Zwei LED's können sich nicht bei Temperatur nicht gegenseitig kompensieren. Egal ob in Serien- oder Parallel-Schaltung. Dafür werden Bauteile mit gegensätzlichen Temperaturkoeffizienten benötigt. Ein Widerstand in Serie mit der LED tut das

[anders]

Eine LED hat keinen negativen differenziellen Widerstand.

Deshalb schrieb ich ja "thermisch verursacht".
Ebenso wie viele andere Halbleiter können auch LEDs eine auf der Erwärmung beruhende fallende U/I Kennlinie aufweisen, wenn ihr Wärmewiderstand hoch genug ist.

Im Übrigen können moderne LEDs aber tatsächlich auch einen als "Thyristor" bezeichneten unerwünschten elektronischen Effekt mit stellenweise negativer Steigung der U/I-Kennlinie aufweisen.

[Ney]

Eine LED hat keinen negativen differenziellen Widerstand.

Deshalb schrieb ich ja "thermisch verursacht".
Ebenso wie viele andere Halbleiter können auch LEDs eine auf der Erwärmung beruhende fallende U/I Kennlinie aufweisen, wenn ihr Wärmewiderstand hoch genug ist.

Im Übrigen können moderne LEDs aber tatsächlich auch einen als "Thyristor" bezeichneten unerwünschten elektronischen Effekt mit stellenweise negativer Steigung der U/I-Kennlinie aufweisen.

Ich verstehe den Gedankengang nicht. Der negative differenzielle Widerstand beschreibt eine Abnahme des Stromes, wenn die Spannung steigt, zum Beispiel bei der Tunneldiode infolge des abrupten pn-Überganges mit Überlappung des Valenzbandes mit dem Leitungsband. Wird durch die angelegte Spannung die Überlappung gerade aufgehoben, so tunneln immer weniger Elektronen ins p-Gebiet.
Den Zusammenhang sehe ich hier nicht.
Mit steigender Temperatur nimmt die Flussspannung ab, die LEd hat einen negativen Temperaturkoeffizienten. Wenn der Strom konstant wäre, so würde eine Abnahme von VF bedingt durch die Abnahme des Energiehubs am pn-Übergang zu einer Vergrößerung der emittierten Wellenlänge führen, also zu einer Farbänderung.
Im ersten Beitrag ist ein Link von Osram, der einige Dinge erklärt.

[anders]

Der negative differenzielle Widerstand beschreibt eine Abnahme des Stromes, wenn die Spannung steigt,

Oder anders herum: Trotz fallender Spannung steigt der Strom.
Macht jeder NTC in der Eingangsschaltung eines PC-Netzteils so.

[Ney]

Der negative differenzielle Widerstand beschreibt eine Abnahme des Stromes, wenn die Spannung steigt,

Oder anders herum: Trotz fallender Spannung steigt der Strom.
Macht jeder NTC in der Eingangsschaltung eines PC-Netzteils so.

Das ist langsam nicht mehr witzig