Eigenschaften von LEDs

LEDs und Spannungen

Wir beschäftigen uns jetzt mit den Spannungen, die an LEDs abfallen.

An einer roten LED fällt eine Spannung von etwa 1,8 V ab. Diese Spannung hängt nur wenig vom Strom ab, der fließt. Sie wird Flussspannung genannt.

Genau genommen hängt die Flussspannung nur wenig vom Strom ab. Sie wird durch eine Kennlinie beschrieben, auf die wir später noch eingehen.

An einer LED fallen 1,8 V ab, bei zwei LEDs sind es 3,6 V. Diese zusätzlichen 1,8 V fehlen dem Widerstand und er lässt weniger Strom durch – die LEDs werden dunkler.

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

*Wer ein Messgerät hat, sollte die Spannungen messen.

Der Trick bei der Sache ist, die Spannung zu erhöhen. Wenn die Spannung hoch genug ist, können wir mehrere LEDs in Reihe schalten und brauchen nur einen Widerstand. Das ist die Schaltung unserer Wahl. Wir werden später mehr darüber erfahren.

LED-Arten

Wir wenden uns jetzt den verschiedenen Arten von LEDs zu.

Farbe der LED

Am offensichtlichsten ist die Farbe der LED. Es gibt sie in Rot, Gelb, Grün, Blau, Weiß und anderen seltenen Farben.

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

• Die Helligkeit der roten, gelben und grünen LEDs ist etwas unterschiedlich.

• Die blauen und weißen LEDs sind jedoch viel heller.

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 leuchtet.

• Die rote LED ist immer heller als die LED der anderen Farbe.

• Die blaue oder weiße LED ist immer dunkler als die jeweils andere Farbe.

• Die gelbe LED ist heller als die grüne.

• Auch hier zeigt sich, dass es nicht sinnvoll ist, LEDs parallel zu schalten.

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

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

Die Flussspannungen für die LEDs beziehen sich auf den maximal zulässigen Strom von 20 mA. Die dafür erforderlichen Vorwiderstände sind unter Vorwiderstände für LEDs beschrieben.

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

*Wer ein Messgerät hat, kann 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 unterschiedlichen Helligkeiten angeboten. Die Helligkeit wird meist in Milli-Candela (mcd) oder Lumen (lm) angegeben.

Dabei kommt es nicht auf einige wenige Prozent Unterschied an. Dass eine LED heller ist, merken wir meist erst dann, wenn die Helligkeit verdoppelt wird.

Interessanterweise gibt es aber auch superhelle LEDs (super bright). Diese benötigen deutlich weniger Strom, um die gleiche Helligkeit zu erzeugen.

Werden mehrere weiße LEDs gemeinsam zur Beleuchtung eingesetzt, sollten sie möglichst die gleiche Helligkeit haben. In den meisten Fällen reicht es aus, wenn die LEDs vom gleichen Hersteller und aus der gleichen Produktionscharge stammen, also zusammen eingekauft wurden.

Bauformen von LEDs

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THT und SMD

Montage von Bauelementen auf Leiterplatten

THT (Through Hole Technology) Durchsteckmontage

• Die Anschlüsse von THT-Bauelementen werden durch Löcher in der Platine gesteckt und von unten verlötet.

• THT-Bauelemente werden auf der Oberseite der Platine montiert.

• Bedrahtete Bauelemente wie Widerstände und Kondensatoren werden in THT montiert. Dazu müssen die Anschlussdrähte entsprechend gebogen werden.

SMD (Surface Mounted Device) Oberflächenmontage

• SMD-Bauelemente benötigen keine Bohrungen, sondern werden direkt auf Kupferpads gelötet.

• SMD-Bauelemente können auf beiden Seiten einer Platine montiert werden.

Bisher haben wir nur 3 mm LEDs verwendet. Es gibt sie in 5 mm, 10 mm, aber auch als SMD-LED und ... Das Gehäuse kann klar, diffus, farbig oder weiß sein.

Die Helligkeitswerte von glasklaren LEDs sind meist höher, da der Lichtstrahl enger begrenzt ist. Sie erzeugen aber nicht mehr Licht.

Von links nach rechts

• 3 mm LED mit diffusem Gehäuse

• 3 mm LED mit glasklarem Gehäuse

• 5 mm LED mit diffusem Gehäuse

• 5 mm LED mit rechteckigem diffusem Gehäuse (5 mm x 2,5 mm)

• 5 mm LED mit zwei Farben, das sind zwei LEDs in einem diffusen Gehäuse

• SMD-LED

LEDs betreiben

Hier betrachten wir, wie wir die obigen LED-Arten am besten betreiben.

Helligkeit einstellen

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

Bild 3 zeigt einen Versuch, 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 deutlich heller. Vom Gefühl her würden wir aber nicht sagen, dass die LED doppelt so hell leuchtet. Aber der Strom, der durch die LED fließt, hat sich verdoppelt. Wenn wir einen dritten Widerstand parallel schalten, wird die LED im Vergleich zu zwei Widerständen nur geringfügig heller. Mit vier Widerständen ist die LED wiederum deutlich heller als mit zwei Widerständen.

Werden zwei gleiche Widerstände parallel geschaltet, so halbiert sich der resultierende Widerstand:

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

Die LED wird also deutlich heller, wenn wir statt des 1 kΩ Widerstands 500 Ω verwenden. Einen 500 Ω Widerstand gibt es aber nicht: Wir nehmen 470 Ω. Noch heller wird es, wenn wir 220 Ω verwenden.

In Bild 4 werden die ersten fünf LEDs mit 1 kΩ bei 4,5 V betrieben. Blaue und weiße LEDs sind deutlich heller als die rote, gelbe oder grüne LED. Die zweite weiße (bei 25) wird jedoch über 10 kΩ betrieben. Die Widerstände sind farbcodiert: Siehe Farbcode für Widerstände.

Die fünf LEDs auf der rechten Seite demonstrieren, dass wir die Helligkeit von LEDs erst dann wahrnehmen, wenn der Strom wesentlich höher ist.

• Die erste LED hat einen 1 kΩ Vorwiderstand

• Die zweite LED hat zwei parallele 1 kΩ Vorwiderstände, also 500 Ω und den doppelten Strom

• Die dritte LED hat einen 470 Ω Vorwiderstand

• Die vierte LED wird mit 220 Ω betrieben

• Die fünfte LED ist eine superhelle LED mit einem Vorwiderstand von 1 kΩ

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 die Widerstände auch in Reihe, also hintereinander schalten.

Bild 5 zeigt zwei Möglichkeiten, eine LED zu betreiben

• mit einem Vorwiderstand von 1 kΩ oder

• mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen.

• Mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen wird die LED deutlich dunkler.

Zwei in Reihe geschaltete Widerstände von 1 kΩ haben die gleiche Wirkung wie ein Widerstand mit dem doppelten Wert, also 2 kΩ.

Den Gesamtwiderstand R_ges für die beiden in Reihe geschalteten Widerstände können wir leicht berechnen:

Rges = R2 + R3

Generell können wir festhalten:

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

Reihenschaltung von LEDs

Wir haben oben bereits gesehen, dass die Reihenschaltung von LEDs einige Vorteile bietet. Allerdings müssen wir die Versorgungsspannung erhöhen. Für den Betrieb von LEDs in der Beleuchtung werden meist 12 V verwendet. Es gibt aber auch 24 V.

Spezielle LEDs werden oft mit 350 mA oder 700 mA betrieben. Auf diese Varianten gehen wir hier nicht ein. Dafür sollten spezielle Netzgeräte oder Schaltungen verwendet werden.

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

Vorwiderstände für LEDs

In der folgenden Tabelle ist der minimale Vorwiderstand für den Betrieb von LEDs bei 5 V und 12 V angegeben. Es wird von LEDs im 3 mm-Gehäuse ausgegangen. Bei kleineren Widerständen ist mit einem vorzeitigen Ausfall der LEDs zu rechnen. Natürlich können auch größere Widerstände verwendet werden. Die Helligkeit ist dann geringer.

• Wer andere Spannungen verwendet, muss mit Formeln umgehen können, um zu berechnen,

• was der minimale Vorwiderstand ist und

• wie viele LEDs maximal an einer Spannung betrieben werden können.

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

Bei 12 V können maximal drei blaue oder weiße LEDs in Reihe geschaltet werden.

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

Strom durch LEDs bei 1 kΩ Vorwiderstand

Für den in unseren Schaltungen häufig verwendeten Vorwiderstand von 1 kΩ hängt der Strom durch die LED vom LED-Typ, der Versorgungsspannung und der Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs ab.

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

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

An den Ausgang eines Logikgatters darf maximal eine LED mit einem Vorwiderstand von mindestens 1 kΩ angeschlossen werden.

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

Regeln

• Unsere LEDs haben einen Durchmesser von 3 mm, 5 mm oder 8 mm.

• Die LEDs können mit maximal 20 mA = 0,02 A betrieben werden.

• Weiße LEDs haben bei 20 mA eine Leistung um 0,06 W.

• LEDs werden immer mit einem Vorwiderstand betrieben.

• Für einfache Anzeigen ist ein 1 kΩ ideal, da er bei Spannungen bis 12 V die LEDs nicht überlastet.

• LEDs werden nicht unmittelbar parallel geschaltet.

• LEDs können in Reihe geschaltet werden und benötigen dann nur einen Vorwiderstand.

• LEDs haben je nach Typ (Farbe) unterschiedliche Flussspannungen.

• Werden LEDs an Spannungen über 5 V in Sperrrichtung betrieben (falsch gepolt), können sie zerstört werden.

• LEDs können an einer Konstantstromquelle betrieben werden.

• Für Beleuchtungszwecke sollten LEDs mit 20 mA betrieben werden.

• LEDs für Beleuchtungszwecke sollten nicht an 5 V betrieben werden.

• Bei 12 V kann ein Strang von drei weißen LEDs in Reihe mit einem Vorwiderstand von 110 Ω oder größer betrieben werden.

• Werden weniger LEDs angeschlossen, muss ein größerer Widerstand verwendet werden.

• Werden andere als weiße oder 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 20 mA bzw. 0,02 A.

• Zur Versorgung der LED-Stränge wird am besten ein elektronisches Steckernetzteil mit 12 V (oder 5 V) verwendet.

• Das Steckernetzteil muss einen Strom von 20 mA x Anzahl_der_Stränge liefern können.

• Transformatoren dürfen für den Betrieb von LEDs nicht verwendet werden.

• LED-Stränge dürfen nicht als Ersatz für Halogenglühlampen verwendet werden.

• LED-Module sind nicht für Einsteiger geeignet.

• Unter Vorwiderstände für LEDs ist der minimal zulässige Vorwiderstand für einen LED-Strang bei 5 V bzw. 12 V angegeben.

• Das Tool LED berechnet Vorwiderstände für LEDs.

• Wenn wir die Helligkeit einer LED deutlich erhöhen wollen, müssen wir den Strom durch die LED verdoppeln, also den Vorwiderstand halbieren.

• Das können wir auch erreichen, indem wir einen gleich großen Widerstand parallel schalten.

• Soll die Helligkeit einer LED deutlich dunkler werden, müssen wir den Strom durch die LED halbieren, also den Vorwiderstand verdoppeln.

• Das können wir auch erreichen, indem wir einen gleich großen Widerstand in Reihe schalten.

Keine Leistungs-LEDs

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

• LEDs mit höherer Leistung von 1 W und mehr

• oder für höhere Spannungen von z. B. 12 V

• oder für höhere Ströme von z. B. 350 mA

• sind hier nicht gemeint.

Sie werden in der Regel nicht mit einem Vorwiderstand betrieben.

Sie müssen oft mit speziellen Stromversorgungen betrieben werden.