Was bedeutet die Betriebsspannung für ein LED-Lichtband?

In diesem Beitrag erfährst du, welche Rolle die Betriebsspannung bei LED-Lichtbändern spielt und welches die Vor- und Nachteile sind.

Kurz zusammengefasst

Jede Verdopplung der Spannung halbiert den Strom, der für die gleiche Leistung des Lichtbands erforderlich ist. Beispiel: Lichtband mit einer Länge von 5 m und 12 W pro Meter, Gesamtleistung von 60 W. Bei 12 V fließen dabei 60 W / 12 V = 5A Strom im Lichtband. Bei 24 V wären es 2,5 A und bei 48V entsprechend 1,25 A.

• Im Vergleich zu 12 V fließen bei 24V 50% und bei 48V 25% des Stroms.

Jeder Leiter, also auch ein LED-Lichtband, hat einen Gleichstromwiderstand, der u.a. stark vom Strom abhängig ist. Je höher der Strom um so größer ist die Reibung im Leiter. Der durch höhere Spannung erheblich reduzierte Strom führt dadurch zu einem geringeren Spannungs- und Leuchtkraftverlust.

Vorteile bei höheren Spannungen

• Geringerer Spannungsverlust und damit geringerer Verlust des Lichtstroms über die Länge

• Lichtband kann bei gleicher Reduzierung des Lichtstroms am Ende länger gestaltet werden
  

• Geringere Erwärmung des Lichtbands durch den geringeren Strom erhöht die Lebensdauer

• Eine größere Gesamtlänge des LED-Lichtbands kann vom gleichen Vorschaltgerät betrieben werden

Nachteile bei höheren Spannungen

• Die Anzahl der LED die in einem Segment in Reihe geschaltet werden muss, verdoppelt sich mit der Spannung. Die Segmente werden damit länger und eine Trennung kann nur seltener erfolgen. Hat ein Lichtband bei 12V beispielsweise eine Segmentlänge von 25mm, wären es bei 24V 50mm und bei 48V 100mm.

• Im Nassbereich sind Spannungen über 12V bzw. 24V nicht zugelassen

Fazit

Sofern es nicht auf möglichst kleines Schnittmaß ankommt oder die Montage im Nassbereich erfolgen soll, sind Lichtbänder mit 24V oder 48V deutlich im Vorteil zu solchen mit 12V. Als Standard ist derzeit 24V etabliert, insbesondere durch den Kompromiss zwischen Leuchtkraftverlust und Schnittmaß.

48V wird aktuell nur von wenigen Steuergeräten unterstützt und hat deswegen noch keine maßgebliche Verbreitung gefunden. 

Jedes LED-Lichtband ist aus mehreren, miteinander verbundenen Segmenten aufgebaut. Im unteren Teil des Lichtbands befinden sich durchgehende Leiter zur Versorgung mit Strom. Diese erstrecken sich über die gesamte Länge des Lichtbands, ggf. unterbrochen von Lötstellen.

Für jedes Segment wird der Strom an den Segmentgrenzen von den unteren Leitern abgegriffen und im oberen Teil des Lichtbands zur Versorgung der LED genutzt. Dieses ist der Grund, aus dem sich Lichtbänder an den Segmentgrenzen problemlos mit einer Schere schneiden lassen. Aus gleichem Grund kann keine Trennung innerhalb der Segmente erfolgen, ansonsten würde dieses Segment durch den unterbrochenen Stromfluss der in Reihe geschalteten LED insgesamt nicht mehr leuchten.

Der prinzipielle Aufbau von LED-Lichtbändern (nicht maßstabsgetreu)

Für die Schaltung der LED sind zwei Varianten gebräuchlich, welche einen erheblichen Einfluss auf die Nutzbarkeit der Lichtbänder ausüben:

• Konstante Spannung mit Vorwiderstand

• Konstantstrom mit Elektronik

Allgemein üblich ist die erste Variante mit konstanter Spannung und Vorwiderstand. Produkte mit Konstantstrom und einer Elektronik kommen zum Einsatz, wenn ein langes Lichtband mit einer maximalen Länge von 20m oder mehr an einem Stück und nur einem Anschlusskabel entstehen sollen. 

LED erfordern -im Gegensatz zu vielen üblichen elektrischen Bauteilen- einen konstanten Strom. Die Spannung, welche an der LED anliegt, ist dabei im Wesentlichen unerheblich. Übliche Werte bei LED-Lichtbändern liegen bei unter 100mA.

Geräte wie Schaltnetzteile arbeiten jedoch in der Regel mit einer konstant abgegebenen Spannung von beispielsweise 24V. Um ein LED-Lichtband dennoch mit dieser einfach zu verstehenden Technik betreibbar zu gestalten, kommt auf jedem Segment ein Vorwiderstand zum Einsatz. Dieser transformiert eine konstante Spannung in einen konstanten Strom.

Der von den Leitern im unteren Teil des Lichtbands entnommene Strom wird also zunächst dem Widerstand zugeführt. Dieser erzeugt einen konstanten Strom der durch die in Reihe geschalteten LED fließt. Durch die Reihenschaltung erhalten alle LED den gleichen Strom.

Hinweis: pro separater Lichtfarbe auf dem Lichtband ist ein eigener Widerstand erforderlich. Einfarbige, weiße Lichtbänder haben also einen Widerstand, Color & Ambience (RGB & CCT) mit 5 separaten Lichtfarben benötigen 5 Widerstände je Segment.

Die Transformation von Spannung zu Strom erfolgt dabei nach dem Ohmschen Gesetz:

U = R * I

Spannung = Widerstand mal Strom. Bei bekannter Spannung (beispielsweise 24 V) und bekanntem Strombedarf der LED (beispielsweise 24 mA) lässt sich die erforderliche Größe des Widerstands berechnen.

R = U / I = 24V / 0,024A = 1000 Ω

Bei exakt 24V aus dem obigen Beispiel erhält also jede LED 24 mA, sofern der Widerstand 1000 Ohm beträgt.

Nachteil der konstanten Spannung

Jeder elektrische Leiter, also auch solche in einem Lichtband, haben einen Gleichstromwiderstand. Dieser ist im Wesentlichen abhängig von den folgenden Größen:

• Strom, welcher durch den Leiter fließt

• Querschnitt des Leiters

• Spannung

• Länge des Leiters

Bedingt durch die flache Bauweiser ist der Querschnitt des Leiters in LED-Lichtbändern begrenzt. Er beträgt in der Regel 0,35 mm² oder weniger. Dennoch sollen die Lichtbänder recht lang im Raum verlegt werden und mit zunehmender Länge fließt ein größerer Gesamtstrom. 

Der Gleichtstomwiderstand führt damit unweigerlich zu einem Spannungsverlust im Leiter. Liegen am Anfang des Lichtbands z.B. 24 V an, ist es am Ende, abhängig von der Länge und dem Strom, deutlich weniger. Da die Spannung nach dem oben gezeigten Ohmschen Gesetz linear mit dem Strom korreliert, sinkt der Strom im gleichen Maß. Mit sinkendem Strom sinkt auch der von der LED angestrahlte Lichtstrom um den gleichen Anteil. 

Wird die Spannung am Ende des Lichtbands um z.B. um 10% reduziert gemessen, reduziert sich auch der Lichtstrom der LED im letzten Segment um 10%.

Hinweis: aus diesem Grund ist die Länge eines Lichtbands mit konstanter Spannung begrenzt, übliche Werte liegen -leistungs- und bauartabhängig- zwischen 2m und 6m. Die Begrenzung wird über den noch zu tolerierenden Verlust des Lichtstroms definiert. Er sollte 5% nicht übersteigen.

Auf die Variante der LED-Lichtbänder mit konstantem Strom pro Segment soll hier nicht detailliert eingegangen werden. Diese haben den oben dargestellten Nachteil der konstanten Spannung nicht, da hier kein Widerstand zum Einsatz kommt. Hier wird eine Elektronik auf jedem Segment eingesetzt, welche die anliegenden Spannung in einen konstanten Strom umwandelt. Solange die Spannung im Lichtband durch den Gleichstromwiderstand nicht unter einen kritischen Wert fällt, erhalten alle LED den gleichen Strom und leuchten gleich hell. Eine höhere Spannung als die ausgewiesene Nennspannung führt nicht zu einem größeren Lichtstrom und ist in Grenzen unschädlich. Ein für 24V Nennspannung ausgewiesenes Produkt kann in der Regel problemlos mit 36V oder 48V betrieben werden.

Mit einer derartigen Schaltung lassen sich -leistungsunabhängig- bei 24V maximale Längen von 20m bis zu 30m am Stück umsetzen. Durch den baulichen Aufwand und den Platzbedarf ist das Verfahren derzeit nur für einfarbige weiße LED verfügbar. Hier findest du Produktbeispiele.