Wartungsfreies LED-Rücklicht
für's Fahrrad

Für den ernsthaften Radler ist es eine Selbstverständlichkeit, dass er auch den Strom für seine Beleuchtung selber erzeugt. Denn wer sich aus eigener Kraft auf zwei Rädern fortbewegen kann, leistet bereits zwischen 50 und 250 Watt an mechanischer Arbeit. Selbst ein Flankendynamo mit ganz schlechtem Wirkungsgrad zieht von dieser Leistung schlimmstenfalls 10 Watt ab - Dass der Dynamo "zu doll bremst" ist also in den allermeisten Fällen ein subjektiver Eindruck und schon gar keine Rechtfertigung für das Fahren ohne Licht oder den Einsatz von umweltfeindlichen Batterien oder Schrottelektronik, die den nächsten Herbst/Winter doch nicht überstehen würde!

Abgesehen davon verlangt die "Straßenverkehrszulassungsordnung", StVZO, dass Fahrräder ab 11kg Eigengewicht für die Benutzung auf öffentlichen Verkehrswegen ohnehin eine fest installierte und funktionsfähige Beleuchtungsanlage inklusive Dynamo haben müssen. Man kommt als gesetzestreuer Radler also garnicht drum herum, Dynamostrom zu nutzen.

Als Alternative zur Glühlampe, die bekanntlich schnell mal durchbrennt oder mutwillig zerstört wird, bieten sich beim Rücklicht rote LEDs an. Sie sind mechanisch robust und versprechen einen besseren Wirkungsgrad, als Glühlämpchen - mehr Licht für weniger Schweiß. Das klingt schonmal gut. Außerdem sind LEDs bekanntlich ultracool!

Kommerzielle High-Tech-Rücklichter basieren denn auch meistens auf einer oder wenigen ultrahellen roten LEDs als Lichtquelle. Der Strahl wird durch Prismen und Reflektoren aufgefächert, damit ein ähnlich weitwinkliger Lichtkegel entsteht, wie bei einer Glühlampe.
Hochleistungs-LEDs kann man nur leider nicht direkt am Dynamo-Wechselstrom betreiben, sodass eine mehr oder weniger aufwändige Elektronik erforderlich wird, die die Schwankungen abfängt und die LEDs vor Überstrom schützt. Nebenbei werden (weitgehend überflüssige und auch nicht vorgeschriebene) Features realisiert, wie etwa ein "Standlicht". Das erklärt natürlich die unverschämten Phantasiepreise, die man für derartigen Schnickschnack bezahlen soll...

Leider steigt mit der Anzahl der Bauteile auch die Ausfallwahrscheinlichkeit. Zumal es Hersteller gibt, die offensichtlich noch nie was davon gehört haben, dass es da draußen manchmal sogar Temperaturen unter dem Nullpunkt gibt oder auch ab und zu regnet... Ja, ob ihr's glaubt oder nicht, eine Elektronik für "Outdoor"-Anwendungen sollte doch mindestens gegen Spritzwasser geschützt sein...!

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"LED-Cluster" als Fahrrad-Rücklicht

Durch Zusammenschalten von vielen mittelhellen LEDs zu einem "Cluster" (Bündel) erreicht man die für ein Rücklicht geforderte Lichtstärke von etwa 5 cd problemlos -- aber der Lichtstrahl brennt sich nicht gar so schnell in die Netzhaut ein, wie manches neumodische Auto-Bremslicht; man erreicht ohne besondere optische Hilfsmittel eine angenehm breite, flächige Abstrahlung.

Der eigentliche Vorteil eines LED-Clusters besteht aber in seiner mechanischen und elektrischen Robustheit:
Durch sinnige Parallel- und Serienschaltung ist es durchaus möglich, LEDs ohne komplizierte Beschaltung mit günstigem Wirkungsgrad direkt am Wechselstrom aus dem Dynamo zu betreiben. Erfreulicherweise macht das Parallelschalten mehrerer LEDs heutzutage keine größeren Probleme mehr, solange Exemplare desselben Typs (und idealerweise aus derselben Charge) zum Einsatz kommen. In diesem Fall darf man von einer gleichmäßigen Stromverteilung und Leuchtstärke ausgehen. Gegenüber einer gleich hellen Einzel-LED hat ein LED-Cluster natürlich bessere thermische Eigenschaften, da die entstehende Verlustwärme auf eine relativ große Fläche verteilt wird.

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Schaltung Bild 2: Das ist doch mal ein übersichtlicher Stromlaufplan! Je drei LEDs sind in Reihe geschaltet, antiparallel dazu liegen immer drei weitere LEDs, die die andere Halbwelle des Dynamo-Wechselstroms ausnutzen. Die jeweils leitenden Dioden schützen die gerade in Sperrichtung betriebenen Dioden vor zu hoher Sperrspannung. Von diesen "Sixpacks" werden insgesamt fünf Stück zu einer Leuchtfläche zusammengeschaltet. Reihenschaltung von drei roten LEDs ergibt eine Flussspannung von etwa 6 Volt, und damit eine günstige Anpassung an die Effektiv- bzw. Spitzenspannung üblicher Fahrraddynamos. Der Vorwiderstand RS kann also sehr niederohmig ausgelegt werden. (Berechnungen weiter unten).

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Tipps

Neuere Fahrrad-Rücklichter haben eine aktive Leuchtfläche von etwa 40x40 mm (Restfläche: Katzenauge). So viel bzw. so wenig Platz steht nach Entfernen von Reflektor und Lämpchen im Inneren des Gehäuses zur Verfügung. Eine Anordnung aus 5x6 Stück 5mm-LEDs passt problemlos rein, wenn die LEDs einigermaßen dicht gepackt sind. Im "fliegenden Aufbau" wie in Bild 1 ist das gut machbar: LED-Anschlüsse vorsichtig nach den Seiten wegbiegen, radikal kürzen und nach dem beschriebenen Schaltplan heiß und zügig miteinander verlöten. Eine willkommene Geschicklichkeitsübung für langweilige Winterabende...!

Wer das Schicksal nicht unnötig herausfordern möchte, testet diesen LED-Cluster dann erst einmal mit einem größeren Vorwiderstand (ca. 220 Ohm) an einem 6-Volt-Kleintrafo. Wenn alle LEDs ohne erkennbaren Helligkeitsunterschied zart vor sich hin flimmern, kann man den Vorwiderstand getrost auf cirka 20 Ohm, Belastbarkeit 1/2W, verringern. Jetzt sollten die LEDs gleichmäßig hell leuchten.
Zum Schluss lötet man zwei 10cm lange flexible Litzen an und versiegelt sämtliche Lötstellen großzügig mit Heißkleber. Das Ganze wird dadurch mechanisch sehr stabil und nachhaltig vor Luftfeuchtigkeit geschützt.

Anschluss und Einbau ins Lampengehäuse können meist ohne besondere Hilfsmittel "ambulant" durchgeführt werden. Wegen der Wechselstromspeisung ist es natürlich egal, welcher Draht mit dem Chassis und welcher mit dem Lampenkabel verbunden wird.  Das Ganze sollte aber unbedingt rüttelsicher sein.

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Stückliste

LED-Cluster als Fahrrad-Rücklicht --------------------------------- Zutaten:     LEDs: 30 Stück Kingbright L53EC              Reichelt-Bestellcode: "SLK 5mm rt"                         Vorwiderstand: 20 Ohm 0.5 W (E24-Reihe: 22 Ohm)              Sonstiges:   Anschlusskabel, Heißkleber, Mechanisches Geschick...

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Berechnungen

Die Frage der Fragen lautet natürlich:

"Muss ich um mein LED-Rücklicht fürchten, wenn ich mit AK die Bergstraße runterheize und mein Frontscheinwerfer plötzlich durchbrennt?"

Schauen wir doch mal ins Datenblatt (siehe Links)! Die hier verwendeten LEDs der Typenreihe "L53EC" verkraften einen maximalen Betriebsstrom von 30 mA. Als äußerster Impulsstrom bei niedrigem Tastverhältnis (1:10) werden sogar 160mA angegeben.
Bei Parallelschaltung von jeweils 5 LEDs verfünffachen sich die Stromwerte, davon ausgehend, dass die LEDs untereinander keine allzu großen Exemplarstreuungen aufweisen. Der maximal zulässige mittlere Betriebsstrom für den LED-Cluster an reiner Gleichspannung beträgt also 150mA. Der maximale Impulsstrom wäre sogar 800mA. Dieser absolute Grenzwert wird in der Praxis bei Weitem nicht erreicht (nachgemessen). Der hohe Wert zeigt aber, dass für einen Betrieb an Wechselstrom (=Impulsbetrieb!) durchaus Sicherheitsreserven vorhanden sind. Dazu ein paar überschlägige Berechnungen:

Standard-Dynamo mit P = 3W (Nennleistung)
U_eff-N = 6V (Effektivspannung unter Nennlast)
U_ss-N = 6V * 1,41 = 8,48V (Spitzenspannung unter Nennlast)
R_I = U²/P = 12 Ohm (realer Innenwiderstand)
(passend zum Normalfall:
1 Lampe 6V/2,4 Watt und 1 Lampe 6V/0,6 Watt = 3W --> R_L = 12 Ohm = R_I! )

Grenzfälle (reale Messwerte an Standard-Dynamo):
U_eff-L = bis 12V! (Leerlauf-Effektivspannung)
U_ss-L = bis 16V! (Leerlauf-Spitzenspannung)

Die Reihenschaltung von 3 roten LEDs hat eine Flussspannung U_3LED= 6V. Die LEDs fangen erst ab etwa 6V zu leuchten an und vorher fließt auch praktisch kein Strom. Zum LED-Strom trägt nur der Wellenabschnitt oberhalb von 6V bei.
Im normalen Lastfall mit angeschlossenem Frontscheinwerfer wird sich eine Effektivspannung um 6V einstellen. Die Spitzenspannung beträgt dann gut 8,5 V. Für das LED-Feld mit dem Vorwiderstand R_S=20 Ohm ergibt sich dann ein Spitzenstrom von:

(U_ss-N - U_3LED) / 20 Ohm = (8,5 V - 6 V) / 20 Ohm = 0,125 A = 125 mA

Klingt unspektakulär. Ist es auch, wenn man bedenkt, dass der errechnete Spitzenstrom immer nur für cirka 15% der gesamten Periodendauer durch eine der beiden Diodenstrecken fließt; nur solange liegt die Momentanspannung der Sinuskurve tatsächlich oberhalb der Flussspannung U_3LED in der richtigen Polarität vor.
Mit einem Amperemeter misst man nur den effektiven Mittelwert, das sind 30% des oben errechneten Spitzenwertes (weil zum Gesamtstrom beide Perioden beitragen), also cirka 125mA * 0,3 = 37mA.

Der LED-Cluster zieht also im Regelfall weniger Strom, als ein Glühlämpchen 6V/0,6W. Der Helligkeitseindruck ist jedoch mindestens gleichwertig, in der Regel sogar heller. (Vermutlich kommen hier mehrere Faktoren zusammen: Impulsbetrieb, geringere Schwächung des monochromatischen Lichts durch das rote Lampengehäuse, die flächige aber dennoch gebündelte Abstrahlung.)

Was passiert nun, wenn die Frontlampe als hauptsächlicher Verbraucher ausfällt? Die Dynamospannung wird ansteigen, aber nicht etwa den hohen Wert der Leerlaufspannung erreichen, denn der Dynamo hat einen relativ hohen Innenwiderstand. Er kann einfach keinen wesentlich höheren Strom liefern, als besagte 500mA bei 6 V_eff an 12 Ohm. Also fließt schlimmstenfalls ein Spitzenstrom von:

I_ss = I_eff * 1,4 --> I_ss = 500mA * 1,4 = 700mA

Das ist der Strom-Spitzenwert über beide Perioden. Die LEDs werden aber jeweils nur bei einer Halbwelle leitend, also sind pro Flussrichtung nur etwa 350mA Spitzenstrom anzurechnen, wobei das Tastverhältnis auch tatsächlich relativ klein ist (zwischen 10-20%) - Das muss das Licht abkönnen!

Die eingangs erwähnte "Schussfahrt ohne Frontscheinwerfer" ist also vollkommen ungefährlich - jedenfalls für die LED-Leuchte...

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Anmerkungen

• Wirkungsgrad / Effizienz: Im Gegensatz zum üblichen 6V/0.6-W-Lämpchen leuchtet der LED-Cluster bereits bei Schleichfahrt gut sichtbar. Sicherheitsvorteil ;-)
  
• Wetterfestigkeit: Die mit Heißkleber versiegelten Lötstellen zeigten nach mehreren Jahren unter den rauen Bedingungen des hohen Nordens noch keine Korrosionserscheinungen.
  
• Rechtliches: Das vorgestellte Konzept ist selbstverständlich nicht "amtlich zugelassen". Wenn die hier vorgeschlagene Konstruktion bezüglich der Leuchtstärke und des Öffnungswinkels auch sämtliche Anforderungen erfüllen dürfte, so bleibt doch eines festzustellen: Um- oder Anbauten am Fahrrad erfolgen immer auf eigene Gefahr!

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Links 

[1] LED-Typ "Kingbright L53EC" und Datenblatt zu finden bei Reichelt (Bestellcode "SLK 5MM RT").