Glühlampen durch LEDs ersetzen

Eine beliebige Lichtquelle im Fahrzeug, welche in Form einer Glühlampe (umgangssprachlich auch „Glühbirne“ aufgrund ihrer Form genannt) ausgeführt ist, soll durch LED-Leuchtmittel ersetzt werden.

Eigentlich gibt es dazu gleich mehrere Probleme, die ich hier nacheinander behandeln möchte. Dazu muss man ersteinmal wissen was eine LED genau ist und wie diese arbeitet.

Eine Glühlampe ist vereinfacht ausgedrückt ein Draht, meist zu einer Spirale aufgewickelt in einen mit Gas gefüllten Glaskolben gesteckt. Der Draht hat einen Widerstand der niedrig genug ist um bei der angelegten Nennspannung (im Auto ca. 12 V) einen so hohen Strom fließen zu lassen (je nach Leuchtstärke einige hundert Milliampere bis etliche Ampere) das dieser aufgrund des hohen Stroms zu glühen beginnt. Das Gas im Kolben verhindert das der Glühfaden schmilzt. Dabei ist alles so ausgelegt das bei Nennspannung eine gewisse Leistung in Licht umgewandelt wird. Glühlampenfäden haben eine extreme Kaltleitercharakterstik, d.h. das sie im kalten Zustand einen sehr geringen Widerstand haben. Dieser steigt mit zunehmender Wärme, welche durch den hohen Stromfluß erzeugt wird, an. Der Widerstandswert im Betriebszustand, also bei Nennspannung und Nennstrom, ist meist 8-10mal so hoch wie der mit einem Multimeter gemessene Widerstand im nicht Betriebszustand. Die Glühlampe benötigt einen recht hohen Strom um Licht zu erzeugen. Je höher der Stromfluß, desto höher die Lichtmenge.

Eine LED ist komplett anders aufgebaut. Ihr Licht entsteht aufgrund eines elektromagnetischen Prozesses innerhalb eines Halbleiters, welche mittels einer Konversionsschicht in sichtbares Licht umgewandelt wird. Elektrisch gesehen wirkt eine LED wie eine Diode, sie lässt Stromfluß nur in einer Richtung (von Plus nach Minus) zu, in umgekehrter Richtung sperrt sie den Stromfluß. Die LED benötigt eine geringe Mindestspannung und Stromfluß um Licht auszusenden. Dann steigt die Lichtmenge mit zunehmendem Stromfluß. Anders als bei der Glühlampe ändert sich der Innenwiderstand der LED nur kaum bei steigender Wärme. Für eine LED ist ihr Arbeitspunkt recht klein, in der sie optimal arbeitet. Darüber kann sie schnell zerstört werden. Dabei ist die Spannung an die eine LED betrieben wird praktisch egal, relevant ist einzig der Strom der durch sie fließt. Dadurch kann man LEDs nicht einfach direkt an einer Spannungquelle betreiben, sondern setzt einen Stromregler (Treiber genannt) ein. Letztendlich gehen LEDs auch nur aufgrund zu hohen Stromflußes kaputt.

Anders als eine Glühlampe, bzw. der darin enthaltene Faden, strahlt eine LED ihr Licht nicht in alle Richtungen gleichzeitig, sondern praktisch nur im rechten Winkel zur Oberfläche des Halbleiters ab. Durch geeignete Optiken bzw. Platzierung mehrerer LED-Einheiten in Ringform kann eine ähnliche Abstrahlcharakteristik erreicht werden. Dies ist aber nicht in allen Fällen mechanisch realisierbar. Häufig kommen lichtleitende Bauteile zum Einsatz um eine bestimmte Lichtform zu erzeugen.

Auch wenn die LED elektrisch wie eine Diode wirkt, so sind ihre Elektrischen Eigenschaften dennoch anders. Besonders die Sperrspannung einer LED ist im Vergleich zu einer Diode nur minimal. Übersteigt diese einen gewissen Grenzwert wird die Diode zerstört. Dies kann im KFZ aufgrund von Spannungsspitzen beim Motorstart oder beim Fremdstarten geschehen.

Der Stromverbrauch einer LED ist bei gleicher Leuchtkraft um Faktoren kleiner als bei einer Glühlampe.

In einer LED entsteht auf kleinstem Raum eine hohe Lichtenergie. Der dafür erforderliche Strom muss durch den Halbleiter fließen. Eine LED hat wie jedes Bauteil einen gewissen Innenwiderstand, wodurch ein Spannungsabfall entsteht. Dieser Spannungsabfall, kombiniert mit dem Stromfluß ergibt eine Verlustleistung, welche in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme muss durch geeignete passive (Kühlkörper) oder aktive Kühlung (Lüfter) abgeleitet werden um eine Überhitzung zu vermeiden.

Wichtige Beleuchtungselemente im KFZ werden vom Boardcomputer elektronisch auf Funktion überwacht. Üblich ist ein Lampentest beim einschalten der Zündung (Kaltüberwachung). Hierbei wird eine geringe Spannung und minimaler Strom auf eine Lampe gegeben, bei der eine Glühlampe noch keine Reaktion zeigt. Der Stromfluß reicht jedoch aus um den elektrischen Durchgang zu messen und somit eine defekte Glühlampe, oder eine Leitungsunterbrechung zu erkennen. LEDs können von diesem Lampencheck bereits zu leuchten beginnen.

Dieser Check wird entweder permanent oder periodisch (gepulst) durchgeführt. Dementsprechend können an der LED „interessante“ Lichtmuster entstehen, obwohl das Leuchtmittel garnicht eingeschaltet wurde. Die Kaltüberwachung ist wichtig um defekte Leuchtmittel auch im nicht genutzten Zustand sofort zu erkennen.

Auch während des Betriebs werden wichtige (sicherheitsrelevante) Leuchtmittel überwacht (z.B. das Abblendlicht). Hierbei wird der Stromfluß gemessen (Warmüberwachung). Fällt dieser unter einen gewissen Wert, wird das Leuchtmittel als nicht mehr ausreichend klassifiziert und abgeschaltet. Bei LEDs bewirkt die im Vergleich zur Glühlampe wesentlich geringere Stromaufnahme das der Boardcomputer die LED sofort abschaltet.

An erster Stelle steht natürlich, LEDs direkt und ohne jegliche weitere Beschaltung an einer Spannungsquelle im KFZ zu betreiben! Auch einfach nur einen Vorwiderstand einzuschleifen ist nicht ausreichend (siehe „Minimal-Schaltung“). Leider findet man solche „Lösungen“ viel zu oft…

Das Mindeste ist ein Vorwiderstand, welcher die Spannungsspitzen aufnimmt und den Stromfluß begrenzt und eine parallel zur LED geschalteten, rückwärts gerichteten Schutzdiode, welche die negativen Ströme an der LED vorbei ableitet.

Das Ziel beim Betrieb einer LED ist es zum einen den Stromfluß durch diese optimal halten und den Spannungsabfall am vorgeschalteten Bauteil so gering wie möglich zu halten. Je höher der von der LED benötigte Strom und je größer die am Vorschaltgerät abfallende Spannung, desto mehr Abwärme produziert dieser.

Mehr eine Komfortfunktion ist es, durch eine vorgelagerte Graetz-Brücke (auch „Brückengleichrichter“ genannt) eine LED unabhängig von der Polarität an einem Stecksockel betreiben zu können. Da die LED ein Polarität hat (Anode und Kathode, bzw. + und -) kann man sie nicht beliebig rum in einen Lampensockel einstecken. Hier kann ein Konstrukt aus 4 Dioden helfen. Ob man das wirklich braucht sei dahingestellt. Vor dem Zusammenbau sollte man einfach prüfen ob die LED leuchtet oder nicht und diese dann ggf. einfach rumdrehen.

LEDs gibt es in unterschiedlichsten Bauweisen und Leistungsklassen. Manchmal macht es aber mehr Sinn anstelle einer starken LED mehrere kleinere zu betreiben (LED-Cluster).

Im KFZ-Bordnetz herrschen nominal 12V. Je nach stärke der Batterie und Betriebszustand des Fahrzeugs (Stand, Fahrt) sind es aber in der Realität irgenwo zwischen 9V und 15V. Eine gewöhnliche weiße LED hat eine typische Durchlassspannung von ca. 3V. Man kann also ohne Probleme drei LEDs in Reihe schalten. Durch alle fließt dann derselbe Strom. Man benötigt also auch nur einen Stromregler für alle drei.

Mittels eines temperaturkompensierten, elektronischen Stromreglers kann ein LED (oder LED-Reihe) perfekt auf die laut Datenblatt optimale Strommenge eingestellt und gehalten werden. Dies garantiert nicht nur ein gleichmäßig helles Licht, sondern eine lange Haltbarkeit der LEDs.

Hierzu schaltet man parallel zum Leuchtmittel einen Widerstand, welcher so zu dimensionieren ist, das er den von der Lampenüberwachung geforderten Stromfluß erzeugt. Gleichzeitig dient der Widerstand auch dazu den Kalt-Test zu bestehen, bei dem der Stromfluß ggf. zu gering ist um die LED leitend zu machen. Das Problem hierbei ist die richtige Dimensionierung des Widerstandes, sowohl was seinen Widerstandswert angeht um einen gewissen Stromfluß zu erzeugen, als auch die dadurch benötigte Leistungsklasse.

Das Ganze ist natürlich zweischneidig! Denn zum einen funktionieren so zwar die LEDs, man verliert aber auch Überwachungsfunktion als solches, da diese ja immer nur den Widerstand misst. Sprich, sollte das Leuchtmittel versagen, merkt es der Boardcomputer nicht. Man müsste schon experimentell genau den Bereich ermitteln in dem die Last der LEDs ausreicht den Lampencheck zu erfüllen, bei einem Ausfall aber dennoch aktiviert zu werden.