Licht ins Dunkel bringen
In zwei Teilen zeigen wir Ihnen, wie Sie die historische Glühlampe durch moderne Leuchtmittel im Haushalt ersetzen können. Den Einstieg beginnen wir mit einer Einführung in die (LED-)Technik und den Möglichkeiten, diese an Netzspannung zu betreiben.
Leuchtdioden (kurz LED von englisch light-emitting diode – lichtemittierende Diode, auch Lumineszenz-Diode) bestehen aus einem n-leitenden Halbleiter. Auf diesen ist eine sehr dünne p-leitende Halbleiterschicht aufgebracht. Wenn in Durchlassrichtung Strom hindurch fließt, rekombinieren (vereinen sich) die Elektronen mit den Löchern in der p-Schicht und geben ihre Energie in Form von Licht ab, die durch die dünne p-Schicht entweicht. In Gegenrichtung wirkt die LED wie eine Schaltdiode sperrend. Je nach Kristalldotierung werden verschiedene Farben erzeugt, wobei weitgehend das gesamte Farbspektrum abgedeckt werden kann (bis auf eine Lücke im Grün-gelb-Bereich). Weißes Licht wird durch die Kombination verschiedenfarbiger Leuchtelemente oder durch Lumineszenz erzeugt. Dabei wird eine blaue oder ultraviolette (UV-)LED mit einem Leuchtstoff kombiniert, der das höherenergetische Licht in langwelliges Licht umwandelt. Die Wahl des photolumineszierenden Farbstoffs bestimmt die Lichtfarbe der LED. Anfangs gab es im sichtbaren Bereich nur die Farben Rot, Grün und Gelb, weshalb diese LEDs heute deutlich billiger sind (wenige Cent). Langwellige Infrarot (IR-)LEDs waren ebenso schon früh verfügbar und wurden bald für Fernbedienungen eingesetzt. Kurzwellige Lichtquellen für blau und UV-Licht wurden erst Anfang der 1990er-Jahre marktreif. Blaue und weiße LEDs sind deshalb meistens noch deutlich teurer (um die 50 Cent). Die Standardbaugrößen sind 3 mm und 5 mm, womit der Durchmesser der oberen Linse gemeint ist.
Elektrische Eigenschaften
LEDs haben relativ enge Betriebswerte, die für jeden Typ im Datenblatt nachgeschaut werden sollten. Die zwei wichtigen Werte sind die Vorwärtsspannung Uf (forward voltage), die auch Flussspannung genannt wird, und der Vorwärtsstrom If . Für so genannte Standard-LEDs der Farben rot, grün und gelb liegt die Betriebsspannung je nach Farbe bei 1,6–2,5 V und der Strom bei 20 mA. Low-Current-LEDs leuchten bereits bei etwa 2 mA, geben dabei allerdings auch weniger Helligkeit ab. Die Helligkeit wird in Candela (cd) angegeben und liegt bei Low-Current-LEDs (je nach Farbe) bei 5 mcd, Standard-LEDs erreichen um die 20 mcd und Ultra-Bright-Varianten bis zu 10.000 mcd.
Eine leuchtende LED hat als Halbleiter fast keinen Widerstand und würde deshalb einen nahezu unendlich hohen Strom fließen lassen, was sie allerdings annähernd umgehend zerstört. Aus diesem Grund werden LEDs entweder an Konstantstromquellen oder mit einem Vorwiderstand betrieben. Der Vorwiderstand errechnet sich mit dem ohmschen Gesetz. In die Berechnung müssen die erlaubte Spannung und der gewünschte Strom für die LED einfließen sowie die Versorgungsspannung, damit ausgerechnet werden kann, wie viel Spannung am Widerstand abfallen muss.
LED-Lampen lassen sich über die Vorwärtsspannung nur sehr eingeschränkt dimmen. In einem kleinen Bereich wirkt sich eine Spannungsänderung zwar auf die Helligkeit aus, aber dies ist keine korrekte Ansteuerung. Mit einem Multimeter kann die Funktionsweise der LED geprüft werden. In der Messstellung Dioden-Test wird bei einer funktionsfähigen LED in Sperrichtung (Minus-Messleitung an Anode) Null oder „kein Durchgang“ angezeigt. In Durchlassrichtung (Plusleitung an Anode) zeigt das Gerät die Flussspannung (etwa 1,6 V) und die LED wird in den meisten Fällen (je nach LED und Messgerät) schwach leuchten.
Die relativ neue LED-Variante mit so genanntem Filament bietet eine recht gute Näherung an flächig leuchtende Glühlampen – bei allen wichtigen Kriterien: Lichtfarbe, Helligkeit und klassische Bauform/Größe. Voraussetzung ist, dass mindestens drei Filamente – bei denen es sich auch nur um winzige LEDs in Reihenschaltung auf einem Trägerstreifen in Chip-On-Board-Technologie (COB) handelt – im möglichst stumpfen Winkel angeordnet sind. Andernfalls wird die Fläche unterhalb der Lampe schlecht ausgeleuchtet. Durch die einzelnen Strahler kann es auch zu Doppelschatten kommen, die eventuell irritieren. Eine Fluoreszenzschicht sorgt dafür, dass der Eindruck entsteht, der Streifen würde in beide Richtungen leuchten. Die Filamente gibt es inzwischen auch einzeln (bei Segor). Wenn Sie eine billige Filament-Lampe kaufen und den Glaskolben vorsichtig (in einer Tüte) zerschlagen, kommen sie günstig gleich an mehrere Elemente. Vorsicht vor den feinen Glassplittern! Weil die Betriebsspannung erst ab etwa 60 V beginnt und damit keine Schutzkleinspannung mehr ist, ist beim eigenen Verbau Bedacht geboten. Die Anode (Pluspol) ist meistens mit einem Loch oder einer Körnung in der Anschlussfläche markiert.
LEDs an Netzspannung
Die Haltbarkeit einer LED-Lampe wird mit hoher Sicherheit nicht durch die LEDs selbst limitiert – Hersteller geben teilweise bis zu 100.000 Betriebsstunden (11 Jahre) an. Der Lichtstrom von Leuchtdioden nimmt nach und nach ab, sie fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen zwar die Lebensdauer der LEDs drastisch, viel mehr wird jedoch die immer notwendige Steuerelektronik der Schwachpunkt sein. Nur bei billigsten LED-Lichterketten sind so viele LEDs in Reihe geschaltet, um die 230 V Wechselspannung zu reduzieren. In dem Fall ist bis auf eine Sperrdiode nichts weiter erforderlich. Die 50 Hz Wechselspannung halbiert sich dabei, so dass die LEDs theoretisch mit 25 Hz flackern, was aber kaum wahrnehmbar ist.
LEDs werden üblicherweise in Reihe geschaltet. Dadurch addieren sich die einzelnen Vorwärtsspannungen zur notwendigen Gesamtspannung und der Gesamtstrom liegt bei den wenigen Milliampere (etwa 10 bis 20 mA), die eine dieser LEDs als Vorwärtsstrom bedarf. Würden die LEDs parallel geschaltet, leuchten sie meistens unterschiedlich hell, da durch die Streuung bei der Fertigung einzelne Dioden eine kleinere Vorwärtsspannung benötigen. Durch diese LED fließt dann aber deutlich mehr Strom als durch die andere(n). Idealerweise werden LEDs gar nicht über eine konstante Spannung angesteuert, sondern mit einer Konstantstromquelle. Diese liefert einen fest eingestellten Strom, der auf den Arbeitspunkt der benutzten LEDs eingestellt ist. Mit einem Transistor und zwei Dioden lässt sich eine solche einfache Stromregelung auch ohne ICs aufbauen. Derartige Schaltungen sind aber eher erst in höherwertigen Anwendungen zu finden.
Die nahe liegende Möglichkeit ist, einen passenden Vorwiderstand zu berechnen. Angenommen, Sie wollen 20 LEDs vom Typ 20 mA/2,1 V an 230 V betrieben, ist ein Widerstand von R = U/I = 230 V – (20 × 2,1 V) / 0,02 A = 9.400 Ω erforderlich. Weil am Widerstand P = U × I = 188 V × 0,02 A = 3,76 W regelrecht verheizt werden, ist es mit dem üblichen kleinen ¼ W-Typen nicht getan. Der Wirkungsgrad dieser Schaltung ist denkbar ungünstig, denn es wird viel Wärme produziert und zudem nur jede zweite Halbwelle der Wechselspannung genutzt.
Welche Tricks sich die Hersteller einfallen lassen, um kostengünstig, effektiv und platzsparend LEDs anzusteuern, zeigte sich, als wir ein paar Lampen zerlegten (mehr dazu im folgenden Artikel ab Seite 32). Die Analyse zeigt Möglichkeiten, wie Sie vielleicht selber einmal in einem eigenen Projekt LEDs beschalten können. Die einfachste Variante stellt ein Kondensatornetzteil dar (welches nicht für Dimmer mit Phasenanschnittsteuerung geeignet ist). Der Kondensator C1 wirkt als kapazitiver Vorwiderstand. Aufgrund der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom von beinahe 90 Grad gibt es fast keine Verlustleistung. Wichtig ist, dass die Spannungsfestigkeit ausreichend hoch ist, weshalb oft Typen für 400 V zum Einsatz kommen.
Der gezeigte Schaltplan für das einfachste Kondensatornetzteil für eine LED benötigt eine Schutzdiode für die negative Halbwelle in Sperrrichtung, um die LED vor einer zu hohen Sperrspannung zu schützen, in dem er die Halbwelle kurzschließt. Der Vorwiderstand R2 begrenzt wie immer den Stromfluß für die LED. Der Blindwiderstand (auch als Kapazitanz bezeichnet) wird wie in nebenstehender Rechnung gezeigt, errechnet. Zuerst wird Anhand der Vorwärtsspannung und des LED-Stroms der Widerstand berechnet, der bei 230 V erforderlich ist. Die Formel für den Blindwiderstand XC wird nach C umgestellt, um die entsprechende Kapazität zu bestimmen, die einen solchen Widerstand bei Netzspannung mit 50 Hz hat. Weil es keinen Kondensator mit 279 nF gibt, wird der nächstgrößere gängige Wert verwendet (330 nF) und für diesen der Blindwiderstand bestimmt. Dieser Blindwiderstand führt an C zu einem berechenbaren Spannungsabfall, so dass an R2 nur noch die restliche Spannung abfallen muss, damit an der LED die gewünschten 2,1 V anliegen. R1 sorgt lediglich dafür, dass der Kondensator sich zu Beginn nicht allzu schlagartig auflädt, da er sich für einen Sekundenbruchteil im ungeladenen Zustand befindet und einen Widerstand von nahezu 0 Ω aufweist.
Deutlich besser ist ein etwas aufwändigeres Kondensatornetzteil, wie es in einer der No-Name-Lampen zu finden war. Der kleine Widerstand R1 in der Schaltung für die No-Name-Lampe dient zur Begrenzung des Einschaltstroms, wenn der ungeladene Kondensator quasi noch einen Kurzschluss bildet. R2 dient dazu, C1 zu entladen, wenn die Eingangsspannung wegfällt. Ansonsten dreht man die Birne aus der Fassung und bekommt dann eine „gewischt“, weil der Kondensator nun über den eigenen Körper unangenehm (aber meistens eher ungefährlich) entladen wird. Der Brückengleichrichter (Graetzschaltung) sorgt dafür, dass beide Halbwellen der Wechselspannung ausgenutzt und in eine pulsierende Gleichspannung mit einer Welligkeit von 100 Hz gewandelt werden. Der Siebelko C2 glättet die Spannung etwas und wird über R3 entladen, sobald der Strom ausgeschaltet wird, damit die LEDs zügig erlöschen. R4 dient der Strombegrenzung für die LEDs.
Eine aufwändigere Netzteilschaltung stellt das Schaltnetzteil (engl.: switched-mode power supply) dar, wie er beispielsweise im Modell Ryet von Ikea zu finden ist. Die gleichgerichtete Netzspannung wird in eine hochfrequente Spannung zerhackt. Für die nachfolgende Umsetzung der Spannung werden aufgrund der Frequenz nur noch kleinere Transformatoren benötigt. Bauteile wie der HV9923 (dieser oder ein ähnlicher ist in der Lampe verbaut) benötigen nur wenige Bauteile und sind speziell zur LED-Steuerung entwickelt worden.
Bei den gezeigten Schaltungen sind immer Bauteile im Einsatz, deren Lebensdauer nur schwer zu kalkulieren ist. Vor allem bei Elektrolytkondensatoren gibt es einen großen Spielraum. Schon von PC-Mainboards her sind diese als ein möglicher Schwachpunkt bekannt [1]. Der Hersteller AiSHi gibt für ein Exemplar zum Beispiel eine Life Time von 6.000 Stunden bei 105 °C an. Schon etwas geringere Temperaturen führen zu längeren Haltbarkeit. Um die praktisch zu erwartende Haltbarkeit zu berechnen, müssten weitere Temperaturparameter und die elektrische Belastung bekannt sein. Gerade in den engen Sockeln ist eigentlich wenig Platz für Kühlung, die notwendig ist, um die Lebensdauer deutlich zu erhöhen. Ohne genaue Datenblätter zu den Bauteilen und den Temperaturen lassen sich die vom Lampenhersteller genannten 25.000 Stunden nicht nachprüfen. Reparaturen an den Lampen sind oft kaum möglich, denn die Sockel sind mit den Oberteilen verklebt. Mit einem kleinen Heißluftgebläse kann der Kleber aber eventuell gelöst werden, wenn man sich an die Aufgabe wagen will.
Konstantstromquelle
LED-Lampen als Ersatz für Halogen-Niedervoltsysteme mit 12 V können auf den Umgang mit den Gefahren und Besonderheiten von Netz-Wechselspannung verzichten. Die Versorgungsspannung kann zwar durchaus schwanken, aber das wird eher im Rahmen von ±10 V liegen. Mit speziellen integrierten LED-Treibern können (einstellbare) Konstantstromquellen aufgebaut werden, die nur wenige externe Bauteile benötigen. Step-Down-Regler (Abwärtswandler) erreichen einen sehr guten Wirkungsgrad von mehr als 70 % und produzieren so gut wie keine Abwärme. Beim gezeigten ZXLD1360 wird der Ausgangsstrom über einen einfachen Widerstand eingestellt, der mit 10 Ω pro 1 mA bemessen wird. Ein zusätzlicher Gleichrichter zwischen Sockelkontakten und Schaltungseingang kann sicherstellen, dass die Lampe beliebig herum in einen G4-Sockel gesteckt werden kann, ohne sich um die Polarität der Gleichspannung kümmern zu müssen. —fls