LEDs - Leuchtdioden

Leuchtdioden, LEDs - Light Emitting Diodes leuchten, wenn Strom durch sie fließt.

Die folgende Tabelle gilt für LEDs, wie sie üblicherweise angeboten werden.

Farbe	Werkstoff	U_f	I_max	U_max	T_max	R_V5	R_V5min
rot	GaAsP	1,8V	20mA	5V	85°C	1kΩ	160Ω
gelb	GaAsP	1,9V	20mA	5V	85°C	1kΩ	150Ω
grün	GaP	2,0V	20mA	5V	85°C	1kΩ	150Ω
blau	ZnSe, InGaN	3,1V	20mA	5V	85°C	10kΩ	100Ω
orange	GaAsP	2,0V	20mA	5V	85°C	1kΩ	150Ω
weiß	InGaN	3,1V	20mA	5V	85°C	100Ω	100Ω

U_f	Flussspannung bei I_f = 5mA
I_max	maximal zulässiger Strom
U_max	maximal zulässige Sperrspannung
T_max	maximal zulässige Umgebungstemperatur
R_5V	Standardvorwiderstand an 5V
R_V5min	Minimaler Vorwiderstand an 5V

Diese Grenzwerte dürfen nicht überschritten werden.

Siehe: Betriebsdaten und Grenzdaten

Weiße LEDs sind blaue LEDs, die mit einem Leuchtstoff beschichtet sind. Für weiße LEDs gilt der Standardvorwiderstand von 100Ω, wenn sie für Beleuchtungszwecke verwendet werden.

Die Flussspannungen gelten für einen Strom von 5mA. Sie können von den angegebenen Werten abweichen:

Bei kleinen Strömen kann sie um mehr als 0,4V niedriger sein.

Selbst LEDs gleichen Typs (Farbe, Hersteller usw.) können bis zu ±0,4V voneinander abweichen.

Last alle LED im 3mm oder 5mm Gehäuse haben einen maximal zulässigen Strom von 20mA.

Es gibt Ausnahmen z.B.

Typ	Bauform	Farbe	Farbtem- peratur	I_max	U_f	bei I_f	P_max	T_max
S190W-W6-1E	1206 SMD	warmweiß	3000K	25mA	2,8V - 3,8V	20mA	95mW	85°C
NSPW300DS	3mm	tageslichtweiß	6500k	30mA	2,7V - 3,5V	20mA	105mW	85°C
OS6MFL5A31A	5mm	weiß	3400K	60mA	2,9V - 3,6V	50mA	216mW	85°C
NSDW510GS- K1	5mm	weiß	5000K	80mA	2,9V - 3,7V	50mA	296mW	85°C

U_f	Flussspannung bei I_f
I_max	maximal zulässiger Strom
P_max	maximal zulässige Leistung
T_max	maximal zulässige Umgebungstemperatur

Farbspektrum

Die Farbe einer LED wird oft durch deren Wellenlänge angegeben.

Lichtfarben

Für weiße LEDs werden Lichtfarben angegeben.

Die Bezeichnungen sind nicht eindeutig definiert.

Die Farbtemperatur ist aussagekräftiger.

LEDs mit einer niedrigen Farbtemperatur sind gelber.

LEDs mit einer hohen Farbtemperatur sind bläulicher.

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Begriffe zusammen:

Lichtfarbe	Räume	Farbtemperatur
warmweiß	Wohnraum	2700K bis 3300K
weiß	Arbeitsplatz	3300K bis 5300K
kaltweiß	Arbeitsplatz	über 4000K
tageslichtweiß	Werkstatt	über 5300K
Tageslicht		6000K
Glühbirne		2700K
Halogen		3000K

Für Einsteiger wird das Praktikum LED-Schaltungen empfohlen.

Symbol

Der Strom fließt nur in der gezeichneten Richtung von der Anode zur Kathode.

Kennlinien

Kennlinien werden im Praktikum Kennlinien beschrieben.

Die tatsächlichen Kennlinien hängen vom LED-Typ und vom Hersteller ab. Darüber hinaus gibt es Abweichungen zwischen verschiedenen LEDs desselben Typs. Schließlich sind die Kennlinien auch von der Temperatur der LEDs abhängig.

Farbige LEDs werden meistens für Anzeigezwecke verwandt und meistens mit Strömen unterhalb des maximal zulässigen betrieben. Abweichungen in den Kennlinien sind dann nicht problematisch. Bei weißen LEDs für Beleuchtungszwecke ist das anders. Sie werden meistens knapp unterhalb des maximal zulässigen Stroms betrieben. Die Kennlinien von weißen LEDs sind unten beschrieben.

Gehäuse

1 - Kathode
2 - Anode

Von links:	rote LED diffus
	rote LED glasklar
	grüne LED diffus
	blaue LED diffus
	weiße LED
	Duo-LED
	gelbe LED 5mm diffus
	Leistungs-LED-Modul weiß
	3 weiße SMD-LEDs mittlerer Leistung
	SMD-LEDs grün

Darstellung im Entwurf für das Board

Der lange Anschluss (Anode) einer LED gehört in den runden Lötpunkt.

Regeln

Eine Leuchtdiode ist eine Diode. Sie lässt den Strom nur in Pfeilrichtung fließen.

Die Anode muss an Plus liegen, damit die LED leuchtet.

Der lange Draht ist die Anode und wird mit Plus verbunden.

Für den Einsatz auf Steckboards werden die Anschlüsse zwar gekürzt, der Anschluss der Anode ist aber immer länger.

Der lange Anschluss (Anode) einer LED gehört in den runden Lötpunkt eines KiCad-Layouts.

Für allgemeine Anzeigezwecke wird eine LED mit einem Vorwiderstand von 1kΩ (10kΩ bei blauen LEDs) betrieben.

Vorsicht bei Spannungen über 5V, diese können die LEDs zerstören.

Vorwiderstände für LED

Vorwiderstände

LEDs dürfen nicht ohne Vorwiderstände oder spezielle Regler betrieben werden.

Die obige Tabelle zeigt die minimalen Vorwiderstände angegeben, um eine LED mit 5V zu betreiben. In den meisten Fällen sind wesentlich höhere Widerstände ausreichend. Ein guter Wert ist 1kΩ. Damit können wir eine LED auch mit 12V betreiben.

Die Helligkeit einer LED ändert sich kaum, wenn man den Widerstand geringfügig ändert. Eine gute Faustregel besagt, dass wir eine Änderung der Helligkeit erst bemerken, wenn wir den Widerstand halbieren oder verdoppeln. Wem eine LED mit 1kΩ nicht hell genug ist, der muss schon 470Ω oder sogar 220Ω nehmen.

Blaue LEDs sind wesentlich heller als rote. Für Anzeigen sollten wir daher bei blauen LEDs einen Vorwiderstand von 10kΩ wählen.

LEDs für Beleuchtungszwecke sind etwas anderes. Sie müssen meistens mit einer speziellen Elektronik betrieben werden. Eine weiße LED soll normalerweise beleuchten, also möglichst hell sein. Für weiße 3mm-LEDs an 5V ist daher ein Widerstand von 100Ω eine gute Wahl.

Helligkeit von LEDs

Helligkeit

Die Helligkeit einer LED ändert sich deutlich, wenn

der Strom verdoppelt oder halbiert bzw.

der Vorwiderstand halbiert oder verdoppelt wird.

Mit der Helligkeit von LEDs ist das so eine Sache. Natürlich kann man sie messen und LEDs miteinander vergleichen.

Diese Messwerte sagen aber oft nicht viel darüber aus, wie wir Menschen die Helligkeit wahrnehmen. Wenn wir ganz genau hinsehen, können wir einen Unterschied von 10% soeben wahrnehmen. Wenn wir keinen direkten Vergleich haben, nehmen wir einen Helligkeitsunterschied erst dann wahr, wenn die Helligkeit doppelt oder halb so groß ist.

Ein anderes Problem sind unterschiedliche Farben. Hier treffen zwei Phänomene aufeinander.

Die Helligkeit einer LED desselben Typs schwankt Schwankungen zwischen -50% und +100%.

Die Effizienz - also die gemessene Helligkeit - von LEDs hängt von der Farbe ab.

Menschen empfinden verschiedene Farben - bei gleicher gemessener Helligkeit - als unterschiedlich hell.

Mit den vorhandenen Daten können wir die tollsten Berechnungen anstellen:
Ausprobieren geht besser und schneller.

Regeln für die Helligkeit

Die Helligkeit von LEDs ist abhängig vom Typ (normal, low current, high efficiency) und der Farbe.

LEDs eines Typs (Farbe, Hersteller usw.) können erheblich von den typischen Daten abweichen (-50% bis +100%).

High Efficiency LEDs erscheinen etwas heller.

Wenn mehrere LEDs gleichzeitig in einer Anzeige betrachtet werden,

sollte der Strom durch alle LEDs gleich sein (auf 10 % genau) und

kann es notwendig sein, LEDs aus dem gleichen Produktions-Topf zu verwenden.

Wenn die LEDs heller erscheinen sollen, sollte der Strom durch die LEDs verdoppelt werden. Der Vorwiderstand ist zu halbieren.

Sollen die LEDs dunkler erscheinen, muss der Strom durch die LEDs halbiert werden. Der Vorwiderstand ist zu verdoppeln.

Wenn LEDs mit verschiedenen Farben für Anzeigezwecke verwendet werden, sollten die Vorwiderstände am besten durch Versuche ermittelt.

Rote, grüne und gelbe LEDs sollten (bei 5V) an einem Vorwiderstand von 1kΩ betrieben werden, blaue an einem von 10kΩ.

Weiße LEDs für Beleuchtungszwecke werden in der Regel mit einem hohen Strom betrieben, um eine hohe Helligkeit zu erreichen.

Der Strom darf den maximal zulässigen Dauerstrom nicht überschreiten.

Bei schwankenden Spannungsquellen ist es einfacher, eine Konstantstromquelle für LEDs zu verwenden.

Weiße LEDs

Sie müssen meistens mit einer speziellen Elektronik betrieben werden. Eine weiße LED soll normalerweise beleuchten, also möglichst hell sein. Für weiße 3mm-LEDs an 5V ist daher ein Widerstand von 100Ω eine gute Wahl.

Wenn weiße LEDs in der Nähe ihrer Grenzdaten meistens des maximalen Stroms betreiben werden, sind die Kennlinien der LEDs wichtig. Die Hersteller geben in der Regel eine minimale und maximale Flussspannung bei einem Strom an. In den Datenblättern sind, wenn überhaupt, nur typische Kennlinien enthalten.

Die obigen Kennlinien stellen den Diodenstrom bei verschiedenen Flussspannungen weißer LEDs dar. Die fette violette Kennlinie wurde aus einer Reihe von Kennlinien weißer Dioden verschiedener Hersteller und LED-Typen für 25mA gemittelt. Einige der ursprünglichen Kennlinien wurden dünn dargestellt. Die blaue Kennlinie stellt den Verlauf des Diodenstroms für LEDs mit relativ niedrigen Flussspannungen dar. Die grüne Kennlinie zeigt den Verlauf des Diodenstroms für LEDs mit relativ hohen Flussspannungen.

Duo-LEDs

Für viele Schaltungen werden zwei verschiedenfarbige LEDs benötigt. Diese sind auch in einem gemeinsamen Gehäuse erhältlich:

mit zwei Anschlüssen

antiparallel

mit drei Anschlüssen

mit gemeinsamer Kathode

mit gemeinsamer Anode

mit vier Anschlüssen

Die Anschlussbelegung ist nicht einheitlich. Am besten nachmessen.

Leistungs-LEDs

Leistungs-LEDs müssen mit einem Kühlkörper und einem speziellen Treiber betrieben werden.

Sie sind unter Leistungs-LED beschrieben.