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


Wir lernen mehr über LEDs: Schaltungen, Helligkeit, Bauformen.


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Eigenschaften von LEDs

LEDs und Spannungen

Wir beschäftigen uns jetzt mit Spannungen die an LEDs abfallen.

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 geringfügig 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.

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Bild 1: Schaltung mit einer LED

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 etwas.
  • Die blauen und weißen sind allerdings wesentlich heller.
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Bild 2: Zwei LEDs mit einem gemeinsamen Widerstand parallel

Mit der Schaltung in Bild 2 untersuchen wir, 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.
  • Hier zeigt sich wieder, dass es nicht sinnvoll ist, LEDs parallel zu schalten.

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
Attention > Diese Spannungen sind nur Richtwerte. Je nach Exemplar kann die Flussspannung um ± 0,4V abweichen. Wenn eine LED glimmt, kann sie um 0,4V kleiner sein. Superhelle LEDs haben meistens eine höhere Flussspannung.

Die Flussspannungen für die LEDs beziehen sich auf den maximal zulässigen Strom von 20mA. Dafür notwendige Vorwiderstände beschreibt Vorwiderstände für LEDs.

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

Wer ein Messgerät hat: nachmessen.

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.

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Bild 2: 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, das sind zwei LEDs, in einem 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.

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Bild 3: Eine LED mit verschiedenen Vorwiderständen

In Bild 3 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.

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Bild 4: Helligkeit von LEDs

In Bild 4 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 gilt die Regel: heller -> doppelter Strom

Reihenschaltung von Widerständen

In Bild 4 haben wir Widerstände parallel vor die LED geschaltet.

Wir können auch Widerstände in Reihe, d.h. hintereinander schalten.

Eine_LED-2R-R.png
Bild 5: Eine LED mit verschiedenen Vorwiderständen in Reihe

In Bild 5 werden zwei Möglichkeiten angeboten eine LED zu betreiben.

  • mit einem Vorwiderstand von 1kΩ oder
  • mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen.
  • Bei den beiden in Reihe geschalteten Widerständen wird die LED merklich dunkler.

Die Wirkung zweier in Reihe geschalteter 1kΩ Widerstände ist die gleiche wie bei einem Widerstand mit dem doppelten Wert also 2kΩ.

Diesen Gesamtwiderstand Rges für die beiden Widerstände in Reihe in Bild 10 können wir einfach berechnen.

Rges = R2 + R3

Allgemein können wir festhalten:

  • Der Gesamtwiderstand von in Reihe geschalteten Widerständen ist die Summe aller Widerstände.

Reihenschaltung von LEDs

Wir haben oben schon festgestellt, dass die Reihenschaltung von LEDs 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 und
  • 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

Kleinster Vorwiderstand für eine LED, damit der maximal zulässige Strom von 20mA nicht überschritten wird.

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

Attention work Der Vorwiderstand von LEDs kann mit dem Tool LED berechnet werden.

Strom durch LEDs bei einem Vorwiderstand von 1kΩ

Für den in unseren Schaltungen oft verwendeten Vorwiderstand von 1kΩ hängt der Strom durch die LED vom Typ der LED, der Versorgungsspannung und der Zahl in Reihe geschalteter LEDs ab.

Farbe 1 LED
5V
1 LED
12V
2 LED
12V
3 LED
12V
4 LED
12V
rot 3,2mA 10,2mA 8,4mA 6,6mA 4,8mA
gelb 3mA 10,0mA 8,0mA 6,0mA 4,0mA
grün 2,8mA 9,8mA 7,6mA 5,4mA 3,2mA
blau 2mA 9,0mA 6,0mA 3,0mA
weiß 2mA 9,0mA 6,0mA 3,0mA

Die Tabelle zeigt, dass mit einem Vorwiderstand von 1kΩ und Spannungen bis 12V der maximal zulässige LED-Strom von 20 mA nie überschritten wird.

Attention pin

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

Drei_LED.png
Bild 6: 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%.

Regeln

LED-Cent.png
  • Unsere LEDs haben einen Durchmesser von 3mm oder 5mm oder 8mm.
  • Die LEDs dürfen mit maximal 20mA = 0,002A betrieben werden.
  • Weiße LEDs haben bei 20mA eine Leistung um 0,06W.
  • LEDs werden immer mit Vorwiderstand betrieben.
  • Für einfache Anzeigen ist ein 1kΩ ideal, weil er für Spannungen bis 12V LEDs nicht überlastet.
  • 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.
  • Werden LEDs an Spannungen über 5V in Sperrrichtung betrieben (falsch gepolt), können sie zerstört werden.
  • LEDs können an einer Konstantstromquelle betrieben werden.
  • Für Beleuchtungszwecke sollten LEDs mit 20mA betrieben werden.
  • An 5V sollten keine LEDs für Beleuchtung betrieben 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 mit einem Vorwiderstand können parallel geschaltet werden
  • Ein Strang von LEDs in Reihe braucht 20mA bzw. 0,02A
  • Für die Versorgung der LED-Stränge wird am besten 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 werden, müssen wir den Strom durch die LED verdoppeln, d.h. den Vorwiderstand halbieren.
  • Das können wir auch erreichen, indem wir einen gleich großen Widerstand zum ersten parallel schalten.
  • Soll die Helligkeit einer LED merklich dunkler werden, müssen wir den Strom durch die LED halbieren, d.h. den Vorwiderstand verdoppeln.
  • Das können wir auch erreichen, indem wir einen gleich großen Widerstand zum ersten in Reihen schalten.
Attention pin

Keine Leistungs-LEDs

Wir beschäftigen uns hier nur mit kleinen LEDs geringer Leistung. Sie haben eine Leistung von 0,06W. Sie haben eine Spannung zwischen 1,8V und 3,2V und müssen mit einem Vorwiderstand betreiben werden.

LED-Cent.png
Unsere LED sind 3mm groß
  • LEDs mit höherer Leistung von 1W und mehr
  • oder für höhere Spannungen von z.B. 12V
  • oder für höhere Ströme von z.B. 350mA
  • sind hiermit nicht gemeint.

Sie werden meistens nicht mit einem Vorwiderstand betrieben.

Oft müssen sie mit speziellen Netzgeräten betreiben werden.