../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Komplexe Schaltungen mit LEDs

Mehrere LEDs anschließen

Zwei LEDs

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 1: 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 2: Zwei LEDs mit einem gemeinsamen Widerstand parallel

Was passiert? Ausprobieren!

Beide LEDs werden leuchten, aber dunkler als in Bild 1. 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. Der Helligkeitsunterschied ist meistens kaum zu sehen, weil unsere Augen kleine Unterschiede kaum wahrnehmen 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 3: 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 4: 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 5: 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.

Eine_LED.png
Bild 6: Schaltung mit einer LED

Wir setzen jetzt in unsere Schaltung in Bild 6 LEDs verschiedener Farben ein und achten auf die Helligkeit.

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

Wie unter 2. LEDs unmittelbar parallel schalten untersuchten wir mit der Schaltung in Bild 2, 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.

Wer ein Messgerät hat: nachmessen.

Die unterschiedliche Helligkeit der LEDs 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. 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.

LED-Bauformen_s.png
Bild 7: Verschieden Bauformen von LEDs

Von links nach rechts

  • 3mm LED mit diffusem Gehäuse
  • 3mm LED mit glasklarem Gehäuse
  • 5mm LED mit diffusem Gehäuse
  • 5mm LED mit rechteckigem diffusem Gehäuse (5mm x 2.5mm)
  • 5mm LED mit zwei Farben in diffusem Gehäuse
  • SMD-LED

LEDs betreiben

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

Helligkeit einstellen

Wir untersuchen, wie wir die Helligkeit von LEDs über den Vorwiderstand einstellen können.

Eine_LED-4R.png
Bild 8: Eine LED mit verschiedenen Vorwiderständen

In Bild 8 wird ein Versuch dargestellt, bei dem eine LED über einen, zwei, drei oder vier gleiche Vorwiderstände betrieben wird.

Die LED wird zuerst mit einem Widerstand betrieben. Wenn wir einen zweiten Widerstand parallel zum ersten anschließen, wird die LED merklich heller. Vom Gefühl her würden wir dennoch nicht behaupten, dass die LED doppelt so hell leuchtet. Aber der Strom durch die LED hat sich verdoppelt. Schließen wir einen dritten Widerstand parallel wird die LED im Verhältnis zu zwei Widerständen nur noch ein wenig heller. Von zwei auf vier Widerstände ist die LED wiederum merklich heller als mit zwei.

Wenn zwei gleiche Widerstände parallel geschaltet werden, ist der resultierende Widerstand halb so groß:

    1kΩ ||  1kΩ = 500Ω
   500Ω || 500Ω = 250Ω

Die LED wird also merklich heller, wenn wir anstelle eines 1kΩ Widerstands 500Ω einsetzen - den gibt es aber nicht: wir nehmen 470Ω. Noch heller wird es, wenn wir 220Ω einsetzen.

LED-Helligkeit.png
Bild 9: Helligkeit von LEDs

In Bild 9 werden die ersten fünf LEDs mit 1KΩ an 4,5V betrieben. Die blaue und weißen LEDs sind wesentlich heller als rot, gelb, grün. Die zweite weiße (bei 25) wird allerdings über 10kΩ betrieben. Die Widerstände sind farbig kodiert: Siehe Farbcode für Widerstände.

Die fünf LEDs rechts demonstrieren, dass wir die Helligkeit von LEDs erst wahrnehmen, wenn der Strom wesentlich größer ist.

  • Die erste hat einen 1kΩ Vorwiderstand
  • Die zweite zwei parallele 1kΩ Vorwiderstand, also 500Ω und den doppelten Strom
  • Die dritte hat einen 470Ω Vorwiderstand
  • Die vierte wird an 220Ω betrieben
  • Die fünfte LED ist eine superhelle mit einem Vorwiderstand von 1kΩ

Die Helligkeit der LEDs mit doppeltem Strom ist wahrnehmbar.

  • Es die Regel: heller -> doppelter Strom

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. Dafür sollten spezielle Netzgeräte oder Schaltungen verwendet werden.

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.

Attention pin

An den Ausgang eines Logik-Gatters darf höchstens eine LED mit einem Vorwiderstand von mindestens 1kΩ angeschlossen werden.

Attention work Der Vorwiderstand von LEDs kann mit dem Tool LED berechnet werden.
Drei_LED.png
Bild 10: 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 (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 11: 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, der Elch hätte weiße LEDs mit einer Flussspannung um 1,4V. Oder hat er 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.
Attention attention

Leistungs-LEDs

sind nichts für Anfänger.

  • LEDs mit höherer Leistung von 1W und mehr
  • oder für höhere Spannungen von z.B. 12V
  • oder für höhere Ströme von z.B. 350mA

Sie werden meistens nicht mit einem Vorwiderstand betrieben.

Oft müssen sie mit speziellen Netzgeräten betreiben werden.

Regeln

LED-Cent.png
  • Unsere LEDs haben einen Durchmesser von 3mm oder 5mm oder 8mm
  • Die LEDs haben eine Leistung um 0,06W.
  • 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/blaue LEDs angeschlossen, muss ein größerer Widerstand verwendet werden.
  • 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.
  • Das Tool LED berechnet Vorwiderstände für LEDs.
  • Soll die Helligkeit einer LED merklich heller sein, müssen wir den Strom durch die LED verdoppeln, d.h. den Vorwiderstand halbieren.

Komplexe Schaltungen mit LEDs

Die folgende Schaltung ist ein wenig komplexer.

Spannungspruefer_OK.png
Bild 12: 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.
Attention >

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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.
Spannungspruefer-brd.png
Bild 13: Spannungsprüfer auf Steckboard an 4,5V

Farben der Widerstände (Siehe Farbcode für Widerstände):

  • 4,7kΩ: gelb-violett-schwarz-braun-braun oder gelb-violett-rot-gold
  • 1,0kΩ: braun-schwarz-schwarz-braun-braun oder braun-schwarz-rot-gold

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.