Da immer wieder die gleichen Fragen zu LEDs auftreten und teilweise sehr absurde Erklärungen im Internet zu finden sind habe ich mich entschieden, eine kurze Zusammenfassung zu LEDs zu schreiben.
LEDs - was ist das?
Grundsätzliches
Berechnung des Vorwiderstands
Reihen- und Parallelschaltung
LEDs - was ist das?
LED = Light Emitting Diode (auf Deutsch: lichtaussendende Diode oder einfach "Leuchtdiode")
LEDs sind sogenannte Halbleiterbauelemente. Sie bestehen wie normale Dioden auch aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten, einem sogenannten PN-Übergang.
Wie bei gewöhnlichen Dioden kann auch bei LEDs der Strom nur in eine Richtung, die sogenannte Durchlassrichtung fließen. Die LED sendet hierbei jedoch Licht aus. In die andere Richtung, die Sperrrichtung, kann kein Strom fließen. Dioden und LEDs wirken also als elektrisches Ventil.
LEDs haben zwei Anschlüsse, die Anode (positiver Anschluss) und die Kathode (negativer Anschluss).
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Schaltzeichen der LED |
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Normale Diode als Vergleich |
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Wo Anode und Kathode sind, kann man sich merken, indem man sich den jeweiligen Anfangsbuchstaben gekippt oder gedreht ins Schaltzeichen denkt:
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Anode (Plus) |
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Kathode (Minus) |
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Für die Zuordnung "Kathode = Minus" und "Anode = Plus" kenne ich keine gute Merkregel. Man könnte sich merken, dass der Diodenpfeil von Plus nach Minus zeigt, oder sich den Sperrstrich an der Kathode als gekipptes Minus vorstellen.
LEDs gibt es in verschiedensten Bauformen und Farben. Üblich sind Rot, Grün und Gelb, LEDs sind jedoch auch in den Farben Orange, Blau und neuerdings auch in Weiß zu bekommen. Die Farbe hängt von der chemischen Zusammensetzung des Halbleitermaterials ab. Oft wird zusätzlich das Gehäuse in der entsprechenden Farbe eingefärbt.
Es gibt verschiedene Typen von LEDs:
- Standart-LEDs
- Low-Current LEDs (benötigen weniger Strom)
- Superhelle/Ultrahelle LEDs (haben eine hohe Lichtausbeute) VORSICHT ein direkter Blick in das Licht einer solchen Diode kann irreparable Netzhautschäden verursachen!
- Blink-LEDs (haben eine Blinkshaltung und einen Vorwiederstand im Gehäuse integriert)
- IR-LEDs (strahlen unsichtbares IR-Licht aus)
- UV-LEDs (strahlen unsichtbares UV-Licht und einen restlichen Blauanteil aus, das UV-Licht greift aber leider auf Dauer den Gehäusekunststoff an)
- Vollfarb-LEDs (sind mehrere LEDs in einem Gehäuse mit mehreren Anschlüssen - sie können in mehreren Farben leuchten, die sogar gemischt werden können)
Alle diese LEDs arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Die einzige Ausnahme, für die man andere spezielle Schaltungen benötigt, ist die LASER-Diode, die hier jedoch nicht behandelt werden soll.
Grundsätzliches:
LEDs werden grundsätzlich nur mit Vorwiderstand und nur in Durchlassrichtung betrieben. (Für beide Regeln gibt es Ausnahmen, die ich hier jedoch nicht behanden werde.)
Eine LED, die ohne passenden Vorwiderstand betrieben wird, kann zwar leuchten aber sie wird nach einiger Zeit zerstört werden. Gleiches kann einer LED passieren, wenn sie in Sperrichtung betrieben wird - besonders dann, wenn die Spannung zu groß wird. Wenn in einer Schaltung eine Spannung mit falscher Polung oder Wechselspannung auftreten kann, muss die LED ggf. durch eine Diode geschützt werden.
Woran erkennt man aber nun, welcher Anschluss der LED an Plus und welcher an Minus gehört?
Das obige Bild zeigt eine LED in typischer Bauform. Es sind mehrere Erkennungsmerkmale zu finden:
- Das kürzere Bein ist die Kathode (also Minus)
- Im Gehäuseinneren ist die Kathode (Minus) eine große "Fahne"
- Das Gehäuse hat einen ringförmigen Kragen, der an der Kathode (also Minus) abgeflacht ist. Vorsicht, manchmal ist die andere Seite abgeflacht!
Eines dieser Merkmale ist bei fast jeder LED-Bauform erkennbar. Zuverlässig ist meist nur die "große Fahne".
Berechnung des Vorwiederstands
Um den Vorwiderstand einer LED berechnen zu können, benötigt man 3 Größen:
- Die Spannung UF (findet man im Katalog oder im Datenblatt)
- Den Strom IF (ebenfalls aus Katalog oder Datenblatt)
- Die Spannung U, mit der man selber die LED betreiben möchte.
Die Spannung verteilt sich auf den Widerstand und die LED.
Man rechnet nun einfach zunächt die Spannug U minus die Spannung UF der LED. Das Ergebnis ist die verbleibende Spannung, die am Widerstand abfallen soll. Diese teilt man nun durch den Strom IF der LED und erhält sofort einen Widerstandswert.
Beispiel:
Eine grüne Standart-LED mit UF = 2,2V und IF = 20mA (=0,02A) soll an einer 9V-Batterie betrieben werden.
9V-2,2V = 6,8V
Also müssen 6,8V am Widerstand abfallen. Damit folgt für den Widerstand:
6,8V : 0,02A = 340 Ohm
Diesen Wert bekommt man nicht - also wählt man den nächst-höheren Wert der Normreihe also 360 Ohm.
Man kann den Zusammenhang auch als Formel schreiben:
Reihen- und Parallelschaltung
Wenn man mehrere LEDs verwendet, dann kann man sie sowohl in Reihe als auch parallel schalten.
Reihenschaltung:
Alle LEDs werden vom gleichen Strom durchflossen und müssen daher für den gleichen Strom IF ausgelegt sein.
Die Spannungen UF der einzelnen LEDs addieren sich und müssen einen Gesamtwert ergeben, der kleiner ist als die Betriebsspannung U.
Für die Widerstandsberechnung zieht man nun die Gesamtspannung der LEDs von der Betriebsspannung ab und rechnet dann genauso wie oben.
Beispiel:
Ultrahelle LEDs mit UF = 3,6V und IF = 20mA (=0,02A) sollen an 12V betrieben werden.
Es können 3 Stück in Reihe geschaltet werden, denn 3*3,6V = 10,8V (kleiner als 12V) - bei 4 LEDs würden die 12V nicht reichen, denn 4*3,6V = 14,4V.
Wir rechnen: 12V - 10,8V = 1,2V
Also müssen am Widerstand 1,2V abfallen. Damit gilt:
1,2V / 0,02A = 60Ohm
Bei der Reihenschaltung sollte man den Widerstand etwas großzügiger berechnen, damit es keine Probleme durch Bauteiltoleranzen bei den LEDs gibt - also wählen wir einen etwas größeren Widerstand aus der Normreihe - z.B. 68 Ohm oder sicherer 75 Ohm.
Parallelschaltung:
Bei der Parallelschaltung muss jede LED einen eigenen Vorwiderstand haben, der so berechnet wird, wie es im Abschnitt Berechnung des Vorwiderstands beschrieben ist.
Hier können ohne Probleme auch unterschiedliche LED-Typen verwendet werden, solange jede ihren passenden Widerstand bekommt.
Die LEDs dürfen (wie alle anderen Halbleiter auch) nicht direkt parallel geschaltet werden, denn durch die Bauteltoleranzen kann es sein, dass eine LED nur 2,1V und die andere 2,3V benötigt. Durch die Parallelschaltung liegen dann aber beide an exakt der gleichen Spannung, wodurch eine permanent überlaste wird. Sollte sie zerstört werden, stimmt der Wert des Vorwiderstands nicht mehr, alle anderen LEDs werden auch überlastet und zerstört. Dieser Fall tritt nur selten ein, ist aber möglich und sollte daher vermieden werden.
Vor- und Nachteile von Reihen- und Parallelschaltung:
Die Reihenschaltung hat den Vorteil, dass sie nur einen einzelnen Widerstand hat, an dem wenig Spannung abfällt. An diesem Wiederstand geht also nur eine geringe Leistung verloren. Die Parallelschaltung verbrät dagagen an jedem Widerstand eine recht große Leistung. Wenn man also mit Batteriebetrieb arbeitet oder aus anderen Gründen geringe Verluste haben möchte, schaltet man die LEDs in Reihe.
Die Parallelschaltung hat den Vorteil einer höheren Betriebssicherheit. Sollte eine LED ausfallen, so leuchten die anderen ohne Probleme weiter. Bei der Reihenschaltung dagegen unterbricht eine einzelne defekte LED den gesamten Stromkreis und die ganze Reihe fällt aus. Bei Anwendungen, die erfordern, dass das LED-Signal nicht ausfällt, sollte also eine Parallelschaltung verwendet werden.
