Leuchtdioden - LED - der St.Walburga

Leuchtdioden - LED
1. Flussstrom/Flussspannung
2.1 Reihenschaltung
2.2 Parallelschaltung
2.3 Das Ohmsche Gesetz
3.1 Zahlenbeispiele und
"Vorwiderstandsformel"
3.2 Dimensionierung des
Vorwiderstandes
3.3 Die richtige Polung der LED
4. Spannungsversorgung
5. Was muss man bei LEDs noch
beachten?
http://www.leds.de/Widerstandsrechner
http://www.ledhilfe.de
1. Flussstrom / Flussspannung
Bevor man loslegen kann, braucht man neben LED(s), Widerständen, Spannungsquellen,
Lötkram und sonstigem Werkzeug erst mal die Daten der LED(s):
1) IF Flussstrom, d.h. der Strom für die die LED ausgelegt ist (bei normalen 5mm Typen
meistens 20mA)
2) UF die ungefähre Flussspannung/Betriebsspannung / Durchlassspannung usw. Ist abhängig
von der Farbe der LED und bei Rot ~1,9V, bei Grün/Gelb ~2,2V, bei Blau und Weiß 3,0-4,0V.
3.1 "Vorwiderstandsformel" und Zahlenbeispiele
Einfaches Rechenbeispiel:
Man hat eine 4,5V Flachbatterie und will eine rote LED zum Leuchten bringen.
Normale rote LED ca. 1,9V und 20mA:
U2 = 4,5V-1,9V = 2,6V
R = 2,6V /20mA = 2,6V/0,02 A = 130 Ohm für den Vorwiderstand.
Eine rote ist langweilig. :D
Also jetzt vier grüne LEDs(UF ca. 2,2V) an 12V, dabei muss man ( 12V - 4*2,2V) = (12V 8,8V) = 3,2V am Vorwiderstand "loswerden".
Rechnung:
Generell:
gegeben
UV (Versorgungsspannung / Batteriespannung / etc)
UF,
IF,
n (Anzahl der LEDs in einer Reihenschaltung)
Den Vorwiderstand für n LEDs berechnet man mit dieser Formel:
RWiderstand = (UV - n*UF) / IF
Es reicht, wenn man den nächst größeren Widerstandswert nimmt, es steigert auch je nach
dem etwas die Lebensdauer der LEDs.
Beispiel 3:
UV = 15V
UF = 1,9V (rote LED)
IF = 20mA
n=1
R = ( 15V - 1*1,9V )/20mA = (13,1 / 0,02 ) Ohm = 655 Ohm
3.2 Dimensionierung des Vorwiderstandes
Auch muss man drauf achten, dass man den Widerstand nicht überlastet.
Die kleinen Widerstände sind meist für 0,25W oder 0,5W ausgelegt. Man kann aber auch
problemlos größere kaufen.
Elektrische Leistung:
Pelektrisch= U * I (Leistung = Spannung * Strom)
PWiderstand = UWiderstand * I
Im Beispiel mit der einzelnen roten LED "verheizt" man 2,6V * 20mA = 52mW =0,052W am
Widerstand, bei den vier grünen 3,2V * 20mA = 0,064W, hier reicht jeweils ein ganz normaler
Widerstand.
Bei der roten an 15V erhält man für die Leistung P = 13,1V*0,02A = 0,262W, hier kann ein
1/4W-Widerstand schon zu schwach sein.
3.3 Die richtige Polung der LED
Wie der Name schon sagt, ist eine LED eine Diode, die auch noch Licht aussendet.
Eine Diode sperrt, wenn man sie falschherum einbaut, und weil sie keine großen
Sperrspannungen (max. 5V) aushält kann sie so auch kaputt gehen.
Die Kathode ("Minuspol") der Diode erkennt man relativ einfach:
die Kathode ist normalerweise das kürzere der beiden Beinchen, sie ist auf der Seite, wo der
Kragen der LED abgeflacht ist oder wenn man von der Seite reinschaut, ist die Kathode meist
das größere Metallplättchen.
Noch einige Beispiele für Reihen- und Parallelschaltungen:
Erkläre die unterschiedlichen Widerstandswerte in den Schaltungen!
4.Spannungsversorgung
Weil Akkus/Batterien immer leer sind, wenn man sie braucht, kann man auch auf die Idee
kommen, ein Netzteil zu verwenden, besonders wenn man die LEDs irgendwo in der
Wohnung fest montieren will.
Damit hat man zwar immer Strom, ganz so einfach ist es nun aber auch wieder nicht.
Einmal gibt es Gleichstromnetzteile (bzw. Gleichspannungs-) und auch
Wechselstromnetzteile, die man eigentlich als Transformator bezeichnet.
(DC = Direct Current = Gleichstrom, AC = Alternating Current = Wechselstrom)
1) Es gibt zwei Arten von Gleichstrom(stecker)netzteilen:
- Stabilisierte Netzteile, d.h. ein stabilisiertes 12V Netzteil liefert immer etwa 12V.
- Unstabilisierte Netzteile, d.h. da steht auch 12V drauf, die Spannung sinkt aber erst auf 12V
ab, wenn man genügend Strom entnimmt (also bei Belastun) und im Leerlauf (oder wenn nur
eine LED dranhängt) liefert so ein Netzteil mehr als 12V, etwa bis zum 1,4-fachen.
Wenn also aus einem 12V Netzteil im Leerlauf ca.16V rauskommen ist es meistens nicht
defekt, sondern nur ein nicht stabilisiertes.
Mit einem stabilisierten Gleichspannungs-Netzteil ist es am einfachsten, LEDs zu betreiben.
Man kann wie gewohnt rechnen.
Bei einem nicht stabilisierten muss man mit einer etwas größeren Spannung rechnen, wenn es
(wie beim LED-Betrieb) nicht ausgelastet wird.
Mit einem Spannungsregler (IC der Reihe 78xx) kann man auch aus einem unstabilisierten ein
stabilisiertes Netzteil machen. passender Link
2) LED-Betrieb mit Trafos?
Trafos sind nicht stabilisiert und liefern (unbrauchbare Wechselspannung
Wenn man die Spannung mit einer Graetzschaltung gleichrichtet und mit einem Kondensator
glättet, erhält man ein unstabilisiertes Gleichstromnetzteil.
Normale Halogentrafos (groß & schwer) könnte man also nach einem Umbau benutzen (siehe
AC-NT), wer braucht aber für LEDs so große Leistungen?
Elektronische Trafos (klein & leicht) nicht benutzen, weil man die hochfrequente
Wechselspannung nicht so einfach gleichrichten kann (wie z.B. 50Hz).
5. Was muss man sonst noch beachten?
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LEDs brauchen keine feste Spannung, sondern einen festen/bestimmten Strom. Die
einfachste Konstantstromquelle ist eine Spannungsquelle mit einem passenden
Widerstand (den man bei LEDs auch (LED-) Vorwiderstand nennt ).
Am besten so viele LEDs in Reihe schalten, dass noch ca. 20-30% "Luft" bis zur
Versorgungsspannung ist und die 20-30% dem Widerstand gönnen.
Nie LEDs ganz ohne Vorwiderstand betreiben, auch wenn es gerade gut passen
würde, weil bei UV - N*UF dann 0V rauskommt! Ohne Vorwiderstand zieht eine LED
unbegrenzt viel Strom, bis sie durchbrennt. (*)
(Weil eine Batterie keine ideale Spannungsquelle ist und somit einen Widerstand
"eingebaut" hat, können LEDs so was an Batterien überstehen, zu empfehlen ist es aber
nicht.)
Was tun, wenn man mehr als z.B. 4 grüne LEDs an 12 V anschließen will?
Man macht einfach mehrere dieser "LED(s)+Widerstand"-Zweige und schließt sie
parallel zusammen.
(Jeder Zweig braucht dabei aber einen eigenen Vorwiderstand).
(*) Wie am Anfang angedeutet, gibt es keinen genauen Wert für UF.
Einmal sind die LEDs nicht alle gleich und haben kleine Fertigungsunterschiede.
Aber hauptsächlich ist UF bei der LED gar nicht fest, sondern hängt stark von der
Temperatur ab: Je höher die Temperatur, desto kleiner wird UF!
Wenn man nun eine LED ohne Vorwiderstand an eine "passende" Spannungsquelle anschließt,
erwärmt sich die LED, UF sinkt, dadurch steigt der Strom an, dadurch wird die LED noch
wärmer, UF sinkt weiter, der Strom steigt noch stärker an, usw.
Ein 9V Block hat - wie erwähnt - einen relativ großen "eingebauten" Widerstand (richtig heißt
der Innenwiderstand), der diesen Prozess recht schnell stoppt, aber bei einem Akkupack,
Steckernetzteil oder PC-Netzteil ist dieser Widerstand meistens so klein, dass er nicht
auffällt.
Forenbeiträge auf die Frage von LED am 12V-Bordnetz im Auto
Hallo,
eine Bordnetzspannung schwankt und wird i. d. R. höher als 12 V sein. Zum Betrieb von LEDs hilft
aber eine Spannungsstabilisierung nicht weiter, weil LEDs einen bestimmten Strom brauchen.
Mindestens muss sichergestellt sein, dass im Dauerbetrieb an Gleichspannung ein bestimmter
Maximalstrom nie überschritten wird. Der LED-Betrieb an Konstantspannung ohne Vorwiderstand
wird mit großer Wahrscheinlichkeit zum schnellen Ausfall der LED führen. Die sich über der
LED einstellende Spannung ist dabei nicht genau definiert, von Exemplarstreuung und
insbesondere von der Temperatur abhängig.