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Praktische Elektronik


Wir lernen, wie man LEDs anschließt und was dabei beachtet werden muss.


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Praktikum

Analogtechnik

Schaltungen mit LEDs

Inhalt

Dioden


Schaltungen mit LEDs

LEDs sin heute der Ersatz für Glühlampen. Sie sind etwa sechs mal zu effizient wie Glühlampen und sollen zehn bis zwanzig mal so lange halten. Sie sind allerdingd auch wesentlich teurer. LEDs für Beleuchtungszwecke kosten etwa zehn mal so viel wie eine Glühlampe. Da kommt so mancher Bastler auf die Idee, seine eigene LED-Lampe zu bauen.

  • LED-Lampen als Ersatz für Glühbirnen, die am 230V-Netz betrieben werden, sind für uns TABU. Wir arbeiten nur mit Spannungen bis 24V.
  • Wir werden uns auch nicht mit Lampen hoher Leistung beschäftigen. Die Kühlprobleme sind für einen Anfänger nicht zu bewältigen.

Übersicht

Wir betrachten hier Grundschaltungen mit LEDs

  • Wie wird eine einzelne LED angeschlossen?
  • Wie wird eine Überlastung der LED vermieden?
  • Wie kann man mehrere LEDs anschließen?
  • Welche Grundschaltungen für mehrere LEDs gibt es?
  • Wie wird dabei die Überlastung einzelner LEDs vermieden?

Grundschaltungen mit LEDs

Dieses Praktikum setzt voraus, dass die Inhalte des Praktikums Schalter und Leuchtdiode bekannt sind.

Eine LED anschließen

Wir beginnen mit der einfachsten Schaltung mit einer LED.

Eine_LED.png
Bild 1: Schaltung mit einer LED

Die LED wird an unsere Stromversorgung, meistens eine 4,5V Batterie, angeschlossen. Der Widerstand von 1kΩ stellt den Strom durch die LED ein. Es ist klar, die LED leuchtet nur, wenn sie richtig herum gepolt ist.

LED_3mm.png
Bild 2: Eine 3mm LED

Die Anschlüsse einer LED sind unterschiedlich lang. Der lange Anschluss (2) ist ist die Anode, der kurze (1) die Kathode.

Die Anode muss an den Plus-Pol der Stromversorgung angeschlossen werden, wenn die LED leuchten soll.

Zwischen der Anode der LED und dem Plus-Pol liegt der Widerstand.

Eine_LED_2.png
Bild 3: Schaltung mit einer LED

In dieser Schaltung sind die LED und der Widerstand vertauscht. Was passiert? Nichts! Die LED in Bild 3 leuchtet ebenso wie in Bild 1. Die beiden Bauteile sind in Reihe geschaltet. In Reihe geschaltete Bauelemente können vertauscht werden. Aber: Die Anode der LED liegt an Plus. Man kann es sich einfach merken: Die LED leuchtet, wenn der Pfeil von Puls nach Minus zeigt.

LED-Tester

Unsere obigen Erfahrungen können wir gleich anwenden. Wir können feststellen, welcher Anschluss einer LED die Anode ist. Das ist ganz hilfreich, wenn wir eine LED haben, deren Anschlüsse gekürzt wurden und gleich lang sind.

Wir bauen einfach die Schaltung von Bild 1 oder Bild 3 auf und stecken die LED ein. Wenn die LED leuchtet, wissen wir, welcher Anschluss die Anode ist. Leuchtet die LED in beide Richtungen nicht, ist sie offensichtlich defekt.

Nachdem wir die Anschlüsse der LED festgestellt haben, kürzen wir gleich den der Kathode.

Mit 5V betreiben

Diese Schaltung sollte mit 5V (4,5V) betrieben werden.

  • Über 5V kann die LED verstört werden, wenn sie falsch gepolt wurde.
  • Unter 3V leuchtet die LED möglicherweise nicht.

Mehrere LEDs anschließen

Wir beginnen mit zwei LEDs. Wir stehen vor der Qual der Wahl:

1.
Wir machen es uns einfach und bauen die Schaltung mit einer LED zwei mal auf.
2.
Wir können einerseits die beiden LEDs parallel anschließen (einfach die Anoden und Kathoden der LEDs miteinander verbinden).
3.
Wir können andererseits die beiden LEDs parallel anschließen und die Anode der einen mit der Kathoden der anderen LED verbinden.
4.
Wir können weiterhin die LEDs in Reihe schalten und die Kathode der ersten LED mit der Anode der zweiten verbinden.
5.
Wir können dagegen die LEDs in Reihe schalten und die Kathode der ersten LED mit der Kathode der zweiten verbinden.

1. LEDs mit Widerstand parallel schalten

Zwei-LED-parallel-2R.png
Bild 4: Zwei LEDs mit je einem Widerstand parallel

Die Variante 1 ist simpel. Der Nachteil ist, dass wir für jede LED einen Widerstand benötigen.

Wir werden unten auf diese Idee zurückkommen.

2. LEDs unmittelbar parallel schalten

Zwei-LED-parallel-1R.png
Bild 5: Zwei LEDs mit einem gemeinsamen Widerstand parallel

Was passiert? Ausprobieren!

Beide LEDs werden leuchten, aber dunkler als in Bild 4. Das ist klar, weil der Strom durch den Widerstand sich auf beide LEDs aufteilt. Je nach LED kann es sein, dass eine heller leuchtet als die andere. Die helle klaut der anderen den Strom. Wenn wir LED's für Beleuchtung einsetzen wollen, ist das nicht effektiv. Es gibt noch einen weiteren Effekt. Die helle LED wird stärker belastet.

Wenn wir die LEDs an der Grenze ihrer Belastbarkeit betreiben und das werden wir bei Beleuchtung, kann die helle LED durchbrennen. Das führt dann zur Überlastung der anderen LED und die segnet dann auch das Zeitliche.

3. LEDs antiparallel schalten

Zwei-LED-antiparallel.png
Bild 6: Zwei antiparallel geschaltete LEDs

Es leuchtet immer eine LED. Welche leuchtet, hängt von der Polarität der Stromversorgung ab. Wenn wir eine rote und eine grüne LED antiparallel schalten, können wir die Polarität der Stromversorgung bestimmen.

4. LEDs in Reihe schalten

Zwei-LED-in-Reihe.png
Bild 7: Zwei in Reihe geschaltete LEDs

Die LEDs werden leuchten, allerdings dunkel. Wenn wir eine der LEDs austauschen, werden sie immer etwa gleich hell leuchten, ebenso, wenn wir die LEDs vertauschen. Das kommt, weil der Widerstand für beide LEDs den selben Strom liefert.

5. LEDs anti in Reihe schalten

Zwei-LED-anti-in-Reihe.png
Bild 8: Zwei anti in Reihe geschaltete LEDs

Zunächst überlegen wir, was passieren wird. Ein Versuch macht uns dann klüger.

Fazit

Es gibt sinnvolle und weniger sinnvolle Schaltungen mit zwei LED.

LEDs und Spannungen

Wir müssen uns jetzt mit Spannungen beschäftigen.

An einer roten LED fällt etwa 1.8V ab. Diese Spannung ist nur wenig vom Strom abhängig, der fließt. Sie wird als Flussspannung bezeichnet.

Genau genommen ist die Flussspannung vom Strom abhängig. Sie wird durch eine Kennlinie beschrieben, auf die wir später eingehen werden.

Bei einer LED sind es 1,8V bei zwei 3,6V. Diese zusätzlichen 1,8V fehlen dem Widerstand und er lässt weniger Strom fließen - die LEDs werden dunkler.

Würden wir drei LEDs anschließen, würden 5,4V für die LEDs nötig sein. Das ist mehr als die Stromversorgung liefert. Drei LEDs an 5V würden nicht leuchten - wenn wir Glück haben, glimmen sie ein wenig.

Wer ein Messgerät hat: sollte die Spannungen nachmessen.

Der Trick bei der Sache ist, die Spannung zu erhöhen. Bei genügend hoher Spannung können wir mehrere LEDs in Reihe schalten und benötigen nur einen Widerstand. Dieses ist die Schaltung unserer Wahl. Wir werden später darauf näher eingehen.

LED-Arten

Wir wenden uns jetzt den verschiedenen Arten von LEDs zu.

Farbe der LED

Die offensichtlichste Variante ist die Farbe der LEDs. Man bekommt sie in rot, gelb, grün, blau weiß und weiteren selten angebotenen Farben.

Wir setzen jetzt in unsere Schaltung in Bild 1 LEDs verschiedener Farben ein und achten auf die Helligkeit.

  • Die Helligkeit der roten, gelben und grünen unterscheidet sich wenig.
  • Die blauen und weißen sind allerdings wesentlich heller.

Wie unter 2. LEDs unmittelbar parallel schalten untersuchten wir mit der Schaltung in Bild 5, was passiert, wenn zwei LEDs unterschiedlicher Farbe parallel geschaltet werden. Wir verwenden die Farben rot, grün, gelb und blau in allen möglichen Kombinationen und notieren, welche Farbe heller ist.

  • Die rote LED ist immer heller als die LED anderer Farbe.
  • Die blaue bzw. weiße LED ist immer dunkler als die andere Farbe.
  • Die gelbe LED ist heller als die grüne.

Die farbigen LEDs unterscheiden sich in einem Parameter, nämlich der Flussspannung.

Farbe Flussspannung Strom bei 3mm LEDs
rot 1,8V 20mA
gelb 2,0V 20mA
grün 2,2V 20mA
blau 3,0V 20mA
weiß 3,0V 20mA

Eine weiße LED ist übrigens eine blaue, die mit einem Leuchtstoff überzogen ist.

Die obigen Flussspannungen können je nach Exemplar um bis zu ± 0,4V abweichen. Bei kleineren Strömen kann sie bis zu 0,4V geringer sein.

Wer ein Messgerät hat: nachmessen.

Die unterschiedliche Helligkeit der LED hängt mit der Flussspannung zusammen: Die LED mit der geringeren Flussspannung leuchtet heller, weil sie der anderen LED den Strom wegzieht. Für die genauen Zusammenhänge wird das Praktikum Spannung, Strom, Polarität benötigt und wie schon erwähnt, die Sache mit den Kennlinien der Flussspannung.

Helligkeit von LEDs

LEDs werden mit verschiedenen Helligkeiten angeboten. Die Helligkeit wird meistens in Mill-Candela (mcd) angegeben oder Lumen (lm).

Es kommt dabei nicht auf einige wenige Prozent Unterschied an, weil wir nur bei einem unmittelbaren Vergleich feststellen werden ob eine LED heller ist. Meistens bemerken wir dass eine LED heller ist, wenn deren Helligkeiten doppelt so groß ist.

Interessant ist dagegen, dass es superhelle (super bright) LEDs gibt. Diese benötigen einen merklich geringeren Strom, um die gleiche Helligkeit zu erzeugen.

Werden mehrere weiße LEDs gemeinsam für Beleuchtungszwecke verwendet, sollten sie möglichst die gleiche Helligkeit haben. Meistens reicht es, LEDs vom gleichem Hersteller und dem gleichen Produktionslos zu verwenden also gemeinsam gekauft zu haben.

Bauformen von LEDs

Wir haben bisher nur 3mm LEDs verwendet. Es gibt sie in 5mm, 10mm, aber auch als SMD-LEDs und ... Das Gehäuse kann glasklar oder diffus sein, eingefärbt oder weiß.

Die Helligkeitswerte glasklarer LEDs sind meistens höher, weil der Lichtstrahl enger begrenzt ist. Sie erzeugen jedoch nicht mehr Licht.

LEDs betreiben

Hier betrachten wir, wie wir die obigen Arten von LEDs am besten betreiben können.

Reihenschaltung

Wir haben oben schon festgestellt, dass die Reihenschaltung einige Vorteile bietet. Wir müssen allerdings die Versorgungsspannung erhöhen. Für den Betrieb von LEDs für Beleuchtung werden meistens 12V verwendet. Es gibt auch 24V. Spezielle LEDs werden oft mit 350mA oder 700mA betrieben. Diese Varianten werden wir hier nicht betrachten.

Wir beschränken uns auf die Spannungen 5V und 12V.

Vorwiderstände für LEDs

In der nachstehenden Tabelle wird der minimale Vorwiderstand für den Betrieb von LEDs an 5V und 12V angegeben. Es wird von LEDs im 3mm-Gehäuse ausgegangen. Wenn der Widerstand geringer ist, muss mit einem vorzeitigen Ausfall der LEDs gerechnet werden. Größere Widerstände können natürlich verwendet werden. Dann ist die Helligkeit geringer.

  • Wer andere Spannungen verwendet, muss mit Formeln umgehen können, um zu berechnen,
  • welches der minimale Vorwiderstand ist,
  • wie viele LEDs maximal an einer Spannung betrieben werden können.
Farbe 1 LED
5V
1 LED
12V
2 LED
12V
3 LED
12V
4 LED
12V
rot 160Ω 510Ω 430Ω 160Ω 330Ω
gelb 150Ω 510Ω 390Ω 150Ω 300Ω
grün 140Ω 510Ω 390kΩ 130Ω 270Ω
blau 91Ω 430Ω 270Ω 110Ω
weiß 91Ω 430Ω 270Ω 110Ω

Es können bei 12V maximal 3 blaue bzw. weiße LEDs in Reihe geschaltet werden.

An den Ausgang eines Logik-Gatters darf höchstens eine LED mit einem Vorwiderstand von mindestens 1kΩ angeschlossen werden.
Der Vorwiderstand von LEDs kann mit dem Tool ElBuddy-LED berechnet werden.
Drei_LED.png
Bild 9: Schaltung mit drei LED in Reihe

Die Widerstände erzeugen übrigens Verluste, die nicht zur Beleuchtung beitragen. Um diese Verluste gering zu halten, sollen möglichst viele LED in Reihe geschaltet werden. Bei 3 weißen LEDs an 12V ist mit 18% Verlust zu rechnen. Bei 2 LEDs an 12V sind es 45%. Bei einer weißen LED an 5V sind es 34%.

Viele LEDs

Noch mehr LEDs können wir anschließen, indem wir einfach mehrere in Reihe geschaltete Gruppen parallel anschließen. Das ist die übliche Schaltung in LED-Streifen, die überall angeboten werden. Sie werden meistens mit 12V betreiben. (Das sind unsere Freunde.) Die LED-Streifen enthalten keine 3mm-LEDs, sondern solche in SMD-Gehäusen. Es werden auch SMD-Widerstände verwendet. Vielfach kann man die LED-Streifen nach 3 LEDs kürzen.

Viele_LED.png
Bild 10: Schaltung mit 9 weißen LED

Die obige Schaltung verbraucht 0,72W.

Drei weiße LEDs im 3mm-Gehäuse an 12V haben eine Leistung von etwa 200mW = 0,2W. Die gesamte Leistung ist 0,24W. Die 0,04W verbraucht der Vorwiderstand. Der Strom für einen Strang ist 20mA. Werden mehrere Stränge mit jeweils 3 LEDs parallel geschaltet, muss für jeden Strang 20mA oder 0,24W von der Stromversorgung geliefert werden.

Unsere Erkenntnisse werden in dem Bau einer LED-Schreibtischleuchte angewandt.

Ein schwedischer Elch bietet fertig konfektionierte LED-Streifen mit 5 weißen LEDs an. Sie werden mit 12V betrieben. Ein Schelm, wer hier vermutet, die Elche hätten weiße LEDs mit einer Flussspannung um 1,4V. Oder haben sie eine LED gespart, um günstiger zu sein?

LED-Module für Beleuchtungszwecke

Heute werden fertige Module für Beleuchtungszwecke angeboten. Es gibt sie mit Leistungen von 1W bis 100W.

Sie sind nicht für Anfänger geeignet.

  • Sie erfordern eine Kühlung. Bei Betrieb ohne Kühlung sind sie nach einigen Sekunden zerstört.
  • Sie werden mit Konstantstrom betrieben und benötigen eine spezielle Elektronik.

Regeln anstelle von Formeln

Wir kommen auch ohne Formeln aus.

Dafür müssen wir einige Regeln beachten.

Gegen diese Regeln können wir zwar verstoßen, aber nur, wenn wir uns über die Konsequenzen im Klaren sind.

  • Wir schließen LEDs niemals unmittelbar an 220V Netzspannung an.
  • Wir verwenden ausschließlich elektronische Steckernetzteile.
  • Meistens verwenden wir elektronische Steckernetzteile 5V oder 12V Ausgangsspannung.
  • LEDs werden immer mit Vorwiderstand betrieben.
  • LEDs werden nicht unmittelbar parallel geschaltet.
  • LEDs können in Reihe geschaltet werden und haben dann nur einen Vorwiderstand.
  • LEDs haben je nach Typ (Farbe) unterschiedliche Flussspannungen.
  • An 5V sollten keine LEDs für Beleuchtung betrieben werden.
  • Werden LEDs an Spannungen über 5V in Sperrrichtung betrieben (falsch gepolt), können sie zerstört werden.
  • An 12V kann ein Strang von drei weißen LEDs in Reihe mit einem Vorwiderstand von 110Ω oder größer betrieben werden.
  • Werden weniger LEDs angeschlossen muss ein größerer Widerstand verwendet werden.
  • Werden nicht weiße LEDs angeschlossen muss ein größerer Widerstand verwendet werden.
  • Unten ist eine Tabelle für den minimalen Widerstand für gängige Konfigurationen angegeben.
  • Stränge von drei weißen LEDs in Reihe können parallel geschaltet werden
  • Ein Strang von LEDs in Reihe braucht 20mA bzw. 0,02A
  • Für die Versorgung der LED-Stränge wird ein elektronisches Steckernetzteil mit 12V (oder 5V) verwendet.
  • Das Steckernetzteil muss einen Strom von 20mA x Zahl_der_Stränge liefern können.
  • Transformatoren dürfen nicht für den Betrieb von LEDs verwendet werden.
  • LED-Stränge dürfen nicht als Ersatz von Halogen-Glühlampen verwendet werden.
  • LED-Module sind nichts für Anfänger.
  • Unter Vorwiderstände für LEDs ist angeben, welcher Vorwiderstand minimal für einen LED-Strang an 5V oder 12V erlaubt ist.
  • An den Ausgang eines Logik-Gatters darf höchstens eine LED mit einem Vorwiderstand von mindestens 1kΩ angeschlossen werden.

230V ist tabu

  • Wir betreiben LEDs nur an 5V oder 12V
  • Die Netzspannung von 230V ist absolut tabu!

Komplexe Schaltungen mit LEDs

Die folgende Schaltung ist ein wenig komplexer.

Spannungspruefer_OK.png
Bild 11: Einfacher Spannungsprüfer

Einen Teil der Schaltung kennen wir schon. R1, LED1 und LED2 bilden eine antiparallele LED-Schaltung. Damit können wir die Polarität einer Spannungsquelle feststellen. R2, LED3 und LED4 bilden ebenfalls eine antiparallele LED-Schaltung, die aber parallel zum Widerstand R1 geschaltet ist.

Diese Schaltung macht Sinn:

  • Wir können damit nicht nur die Polarität einer Spannungsquelle feststellen,
  • sondern auch etwas über die Höhe der Spannung aussagen.
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  • Bei 1,5V leuchtet keine LED.
  • Bei 3V leuchtet die grüne LED.
  • Bei 4,5V leuchtet die grüne LED und die blaue glimmt.
  • Ab 5V leuchten die blaue und die grüne LED.
  • Bei falscher Polarität leuchten die roten LEDs.
  • Wenn keine LED leuchtet, ist die Spannung zu gering. Es kann keine Polarität bestimmt werden.

Die Schaltung wird im Praktikum Komplexe Schaltungen beschrieben. Meistens ist es dagegen besser, das Praktikum Grundschaltungen durchzuführen, das das Praktikum Komplexe Schaltungen enthält.

Im Projekt Spannungs-Tester wird beschrieben, wie der Spannungs-Tester als einfaches Prüfgerät aufgebaut wird.

Attention attention

Hinweis:

Der Spannungsprüfer darf nicht für Netzspannung (z.B. 230V) verwendet werden:

Lebensgefahr

Er ist nur für Elektronikschaltungen mit bis zu 24V geeignet.