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LED / Leuchtdiode - Grundlagen und Berechnungen

L E D / Leuchtdiode

Bauformen

(Beispielhaft)

Standard Anzeige LED:

LED (Leuchtdiode): Leuchtdioden bestehen aus einem ... 1-2-do Wissen

Cree LED mit 800 mA/3,4 Volt:

LED (Leuchtdiode): Leuchtdioden bestehen aus einem ... 1-2-do Wissen

Technik

Leuchtdioden bestehen aus einem Halbleiterwerkstoff, der leuchtet, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird. Je nachdem, welche Stoffe man dem Halbleitermaterial zusetzt, sind viele Farben möglich. LEDs eignen sich ausgezeichnet als Anzeigeelemente. Die aktuelle Entwicklung hat nun auch weiße LEDs hervorgebracht, die eine Leistung haben, so dass sie zur Beleuchtung eingesetzt werden können.

Basis der Halbleiter ist Gallium-Arsenid, das mit Phosphor "verunreinigt" wird. Früher gab es sie nur in gelb, orange, rot und grün. Mit weiteren Farben kam erst blau hinzu, das mit Indiumgalliumnitrid funktioniert. Weiß kann als Mischfarbe von rot, blau und grün gemischt werden. Andere weiße LED werden aus blauen mit einer Fluoreszenz-Schicht (ähnlich der Leuchtstoffröhre) hergestellt.

Ein großer Unterschied der LEDs zu herkömmlichen Glüh-Leuchtmittel, ist dass sie nicht über die Spannung sondern über den Strom eingestellt werden. Das heißt, dass nicht die Spannung sondern der Strom geregelt wird und sich der Spannungsabfall an der LED je nach Typ einstellt. Daraus ergibt sich auch, dass die Helligkeit einer LED nur über den Strom geregelt werden kann und nicht über die Höhe der Spannung! Ist die Spannung nur einige Millivolt zu gering verlischt sie sofort. 

Die Spannung der LEDs ist je nach Typ sehr unterschiedlich und kann je nach Typ zwischen 1,6 und 5 Volt liegen.  Blaue und weiße LEDs haben typenbestimmt je nach Sorte prinzipiell etwas höhere Spannungen.

Der Strom bei Standard Anzeige LEDs liegt bei ca. 20 Milliampere (2mA bei LowCurrent), was sie zu sparsamen Anzeigen macht. Leistungs LEDs, die auch zur Beleuchtung eingesetzt werden, können Ströme bis zu einigen Ampere benötigen.

Effizienz / Wirkungsgrad

Die Sparsamkeit der LED hat zu starker Verbreitung in technischen Geräten wie auch Fahrzeugen geführt. So haben Akku-Werkzeuge inzwischen genauso LED-Leuchten wie auch die in Autos zu findenden LED-Streifen, die hauptsächlich als Tagesbeleuchtung dienen.  

Eine Leuchtdiode setzt zwischen 20 und 30 % der zugeführten Leistung in Licht um, bei einer herkömmlichen Glühlampe liegt der Wirkungsgrad bei gerade mal 5%. Die restliche Leistung wird bei beiden in Wärme umgesetzt. Die Effizienz einer Leuchtdiode ist aber stark von der Ansteuerung abhängig. Die folgenden Schaltungen, bei denen Widerstände zur Strombegrenzung eingesetzt werden, sind stark Verlust behaftet, machen also den tollen Wirkungsgrad der einzelnen LED teilweise wieder zu nichte. Siehe weiter unten: Schaltungsverluste

LED-Leuchtmittel

LED-Leuchtmittel sind fertgi konfektionierte LEDs, bei denen die Stromregelung schon im Gehäuse mit verbaut ist. Somit sind diese direkt an einer Spannungsquelle zu verwenden und bedürfen keiner weiteren Beschaltung. Die meisten Varianten ind für 230V oder 12V Wechselspannung gebaut.

Instern wird kein trivilaer Vorwiderstand eingesetzt, da dieser zu zu großen Verlusten führen würde, sondern ist ist ein hochfrequentes Schaltnetzteil integriert, welches mit hohem Wirkungsgrad den benötigten geregelten Strom zur Verfügung stellt.

Zu LED-Leuchtmittel siehe auch: http://www.1-2-do.com/wissen/LED-Leuchten

Flussstrom / Flussspannung

Bevor man loslegen kann, braucht man neben LED`s, Widerständen, Spannungsquellen, Lötkram und sonstigem Werkzeug erst mal die Daten der LED`s:

1)  IF Flussstrom, d.h. der Strom für die die LED ausgelegt ist ( bei normalen 5 mm-Typen meistens 20mA )
2)  UF die ungefähre Flussspannung / Betriebsspannung / Durchlassspannung usw. - sie ist abhängig von der Farbe der LED und bei Rot ~1,9V,  bei Grün / Gelb ~2,2V,  bei Blau und Weiß 3,0-4,0V.

Um den Vorwiderstand genau zu berechnen sind die Daten der LED nötig. Auch wenn die Spannung der LED für die LED irrelevant ist (die Spannung stellt sich immer entsprechend über der LED ein), kann sich aber der durch den Vorwiderstand eingestellte Strom je nach Schaltung erheblich verändern.
 

Schaltungsarten

Reihenschaltung

(= Hintereinanderschaltung)

LED - Grundlagen - Berechnungen: Bevor man loslegen ... 1-2-do WissenWie der Name schon sagt, sitzen die Bauteile in einer Reihe oder auf einem (Strom-) "Kreis". Es gibt nur einen Weg vom Pluspol über die Verbraucher zum Minuspol, also keine Verzweigungen,
z.B. Batterie, Schalter und Glühlampe.

Weil es nur einen Weg gibt, ist der Strom durch jedes Bauteil gleich. Deshalb nennt man die Stromstärke meistens auch nur kurz I und nicht ILED oder IVorwiderstand, sind ja alle gleich und man erspart sich Schreibarbeit.

Strom und Spannung in der Reihenschaltung:

I = I1= I2= ..= In ( 1, 2, n sind nur Platzhalter )

UGesamt= U1+ U2+ .. + Un ( Das ist auch klar, es geht ja keine Spannung verloren oder kommt hinzu )
 

Parallelschaltung

Bei dieser Schaltung teilt sich der "Weg" in zwei oder mehr Teilwege auf, die am Ende wieder zusammenlaufen. Angenommen, die n Zweige beginnen an einer gemeinsamen Stelle und enden auch gemeinsam an einer anderen, dann gilt:

IGesamt= I1+ I2+ ..+ In ( durch einen der Zweige muss der Strom fließen )
Weil an allen Zweigen die Betriebsspannung anliegt, ist
UGesamt= U1= U2= .. = Un

 

Berechnung

Das Ohmsche Gesetz

U = R * I   Die Spannung ( in Volt ), die an einem Widerstand anliegt / abfällt ist gleich dem Widerstandswert ( in Ohm ), mal dem Strom ( in Ampere ), der durch den Widerstand fließt.

bzw.

R = U / I  ( nach R umgestellt )

oder

I = U / R  ( nach I umgestellt )

Vollständigkeitshalber noch zwei Formeln: Gesamtwiderstand in der Reihen- / Parallelschaltung:

In einer Reihenschaltung addieren sich die Widerstandswerte:

RGesamt= R1 + R2 + .. + Rn

in einer Parallelschaltung ist es nicht mehr ganz so einfach:

(1/ RGesamt) = (1/R1) + (1/R2) + .. + (1/Rn)

( Wenn beide Arten in einer Schaltung vorkommen, muss man sie Stück für Stück lösen, in dem man mehrere Widerstände zu einem zusammenfasst.)

 

"Vorwiderstandsformel" und Zahlenbeispiele

Möchte man bei einer gegebenen LED und einer gegebenen Spannungsquelle den passenden Vorwiderstand berechnen geht man wie folgt vor:

  • die Spannungsquelle muss eine höhere Spannung haben als die Flussspannung der LED
  • es wird die Differenz zwischen der Flussspannung der LED und der Spannungsquelle bestimmt

    UVorwiderstand = UQuelle - ULED

  • der Vorwiderstand muss nun so bemessen werden, dass diese Spannungsdifferenz am Vorwiderstand abfällt

    RVorwiderstand = UVorwiderstand / ILED 

    RVorwiderstand = (UQuelle - ULED) / ILED 

 

Beispiel 1:

LED - Grundlagen - Berechnungen: Bevor man loslegen ... 1-2-do Wissen

Man hat eine 4,5V Flachbatterie und will eine rote LED zum Leuchten bringen.
Normale rote LED ca.1,9V und 20mA:
4,5V-1,9V = 2,6V
R = 2,6V /20mA = 2,6/0,02 V/A = 130 Ohm für den Vorwiderstand.

 

 

 

 

Beispiel 2:

Eine rote ist langweilig. :D
LED - Grundlagen - Berechnungen: Bevor man loslegen ... 1-2-do Wissen
Also jetzt vier grüne LED`s ( UF ca. 2,2V ) an 12V, dabei muss man ( 12V - 4*2,2V ) = ( 12V - 8,8V ) = 3,2V "loswerden". Es werden also einfach die Flussspannungen der LEDs in der Reihenschaltung addiert.

Weil die LEDs 20mA brauchen, erhält man für den Widerstand mit R = U / I einen Wert von 160 Ohm ( 3,2V / 20mA = 3,2V / 0,02A = 160 V/A = 160 Ohm )
( Da es eine Reihenschaltung ist, braucht auch die Reihenschaltung der 4 LED`s nur 20mA.)

RVorwiderstand = (UQuelle - n x ULED) / ILED 

 

Beispiel 3:

LED - Grundlagen - Berechnungen: Bevor man loslegen ... 1-2-do WissenUV = 15V
UF = 1,9V ( rote LED )
IF = 20mA
n = 1
R = ( 15V - 1*1,9V )/20mA = ( 13,1 / 0,02 ) Ohm = 655 Ohm

 

Dimensionierung des Vorwiderstandes

Nachdem der Widerstandswert berechnet ist muss man einen realen Widerstand auswählen. Hierbei nimmt man den nächst größeren Wert (Strom wird geringer, erhöht die Lebensdauer). Ist kein passender Wret verfügbar kann man durch Parallel und/oder Reihenschaltung sich den passenden Wert bauen.

Auch muss man drauf achten, dass man den Widerstand nicht überlastet. Die kleinen Widerstände sind meist für 0,25W oder 0,5W ausgelegt. Man kann aber auch problemlos größere kaufen oder mehrere kleine parallel oder in Reihe schalten.

Elektrische Leistung:
Pelektrisch= U * I ( Leistung = Spannung * Strom )
PWiderstand= UWiderstand * IWiderstand

Im Beispiel1: mit der einzelnen roten LED verheizt man: P = 2,6V * 20mA = 52mW = 0,052W am Widerstand

Im Beispiel2: bei den vier grünen: P = 3,2V * 20mA = 0,064W

Im Beispiel3: einzelne rote LED an 15V: P = 13,1V*0,02A = 0,262W

Der Widerstand "verheizt" die Leistung, die Energie wird also in Wärme umgesetzt. Um den Widerstand nicht zu zerstören darf er nicht überlastet werden. Als sinnvolle Belastung gilt ca. 2/3 des Nennwertes.

Das heißt in Beispiel 1 und 2 reicht ein 0,25W Widerstand in Beispiel 3 sollte ein 0,4W oder 0,5W Typ genommen werden. Ein Widerstand mit einer höheren maximal Leistung ist elektrisch völlig unkritsich, er benötigt nur mehr Platz und ist normalerweise teurer.

Schaltungsverluste

Wie im Abschnitt drüber zu sehen ist, wird ein Teil der Leistung in Wärme am Vorwiderstand umgesetzt. Diese Wärme muss man als Verluste mit einkalkulieren und diese mindern den Wirkungsgrad der Gesamtschaltung.

Die Rechnung ist einfach, da im gesamten Pfad der gleiche Stroim fließt, teilen Sich die Verluste nach den Spannungsabfällen an LED und Vorwiderstand auf.

Hat man z.B. ein 10V DC-Netzteil und betreibt damit eine LED mit einer Flussspannung von 2V so ergibt sich:

Spannungsabfall an der LED: 2V; Spannungsabfall an dem Vorwiderstand: 8V

=> 20% der zugeführten Leistung wird in der LED umgesetzt und 80% im Vorwiderstand. Daraus ergibt sich aus z.B. einem Wirkungsgrad der LED von 20% ein Gesamtwirkungsgrad von 20% x 0,2 = 4%. Damit liegt die "stromsparende" LED in der gesamten Beschaltung sogar schlechter als die herkömmliche Glühlampe, die für 10V ausgelegt ist.

Daher ist es wichtig möglichst eine Versorgungsspannung von nur 20%-30% über der Flussspannung einzusetzen, um die Verluste nicht zu groß werden zu lassen. Diese 20-30% werden aber benötigt um einen nahezu konstanten Stromfluß zu erreichen, den über Temperatur ändern sich die Parameter der LED. Ist der Vorwiderstand zu klein machen sich diese Änderungen sehr stark bemerkbar.

Ein Trick ist hierbei mehrere LEDs mit niedrigerer Leistung in Reihe zu schalten um so auf rund 80% der Netzteilspannung zu kommen.

Wegen diesen Umstands haben LED-Leuchtmittel auch keinen einfachen Vorwiderstand, denn ansonsten würde gelten: Beispielhaft 8W LED, 4V Flussspannung, Versorgung 230V

Spannungsabfall an der LED: 4V; Spannungsabfall an dem Vorwiderstand: 226V

=> 98% der zugeführten Leistung würde im Vorwiderstand verbraten und nur 2% in der LED

=> Am Vorwiderstand würden 392W verloren gehen um eine 8W LED zu betreiben

 

Die richtige Polung der LED

Wie der Name schon sagt, ist eine LED eine Diode, die auch noch Licht aussendet. Eine Diode sperrt, wenn man sie falschherum einbaut, und weil sie keine großen Sperrspannungen ( max. 5V ) aushält, kann sie so auch kaputt gehen. Muss man damit rechnen, dass eine höhere Spannung an der Diode in Sperrrichtung anliegen kann (Verpolung oder Wechselspannung) dann muss der LED noch eine Diode vorgeschaltet werden, die für die Sperrspannungen geeignet ist (z.B. 1N4148 gibt es in 50V, 80V oder 100V Sperrspannung).

Die Kathode ( "Minuspol" ) der Diode erkennt man relativ einfach:
die Kathode ist normalerweise das kürzere der beiden Beinchen, sie ist auf der Seite, wo der Kragen der LED abgeflacht ist oder wenn man von der Seite reinschaut, ist die Kathode meist das größere Metallplättchen.

Bei einer Reihenschaltung muss man die LEDs so anordnen:
( Plus ) - ( Vorwiderstand ) - ( Anode LED1  Kathode LED 1 ) - ( Anode LED2  Kathode LED 2 ) - ... - ( Anode LED n  Kathode LED n ) - ( Minus).
Es ist im Prinzip egal, wo man den Vorwiderstand hinsetzt, ob nun direkt an Plus, irgendwo in die Mitte oder an Minus.

Dazu noch ein Bild:

1), 2) und 3) sind die Beispiele aus 3.1,
4) ist ein weiteres Beispiel mit passenden Vorwiderständen.
LED - Grundlagen - Berechnungen: Bevor man loslegen ... 1-2-do Wissen

Spannungsversorgung

Weil Akkus/Batterien immer leer sind, wenn man sie braucht, kann man auch auf die Idee kommen, ein Netzteil zu verwenden, besonders wenn man die LED`s irgendwo in der Wohnung fest montieren will. Damit hat man zwar immer Strom ( solange der Strom nicht ausfällt ), ganz so einfach ist es nun aber auch wieder nicht.

Einmal gibt es Gleichstromnetzteile ( bzw. Gleichspannungs-) und auch Wechselstromnetzteile

DC = Direct Current = Gleichstrom        AC = Alternating Current = Wechselstrom

Es gibt zwei Arten von Gleichstrom(stecker)netzteilen:

- Stabilisierte Netzteile, d.h. ein stabilisiertes 12V Netzteil liefert immer etwa 12V.
- Unstabilisierte Netzteile, d.h. da steht auch 12V drauf, die Spannung sinkt aber erst auf 12V ab, wenn man genügend Strom entnimmt und im Leerlauf ( oder wenn nur eine LED dran hängt ) liefert so eins mehr als 12V, etwa bis zum 1,4-fachen.

Wenn also aus einem 12V Netzteil im Leerlauf ~16V rauskommen ist es meistens nicht defekt, sondern nur ein nicht stabilisiertes. Mit einem stabilisierten Gleichspannungs-Netzteil ist es am einfachsten, LED`s zu betreiben.
Man kann wie gewohnt rechnen. Bei einem nicht stabilisierten muss man mit einer etwas größeren Spannung rechnen, wenn es nicht ausgelastet wird.

Wechselstromnetzteil bzw. Trafo / Transformator

Normale Wechselstromnetzteile bestehen im Prinzip nur aus einem Trafo ( sind somit auch nicht stabilisiert, weil die Spannung sich mit der Last ändert ). Wenn man die Spannung gleichrichtet und mit einem Kondensator ( meist werden für diese Anwendung Elektrolytkondensator verwendet ) glättet, erhält man ein unstabilisiertes Gleichstromnetzteil. Auf den Kondensator kann auch verzichtet werden, dann blinkt die LED mit 50Hz, was vom Auge aber nicht wahrgenommen wird. Hierbei darf aber nicht auf die zusätzliche Diode verzichtet wrden, die zu hohe Spannungen in Sperrrichtung von der LED fernhält. Da nur der Strom jeder zweiten Halbwelle die Diode passiert, kann bei der Berechnung des Vorwiderstandes von der halben Spannung ausgegangen werden. Damit steigt der Strom in der Spitze auf den doppelten Wert, ist aber im zeitlichen Mittel korrekt.

Es sind also alle drei geeignet, um LED`s zu betreiben.

Beim AC-Netzteil mit etwas mehr Aufwand und bei den unstabilisierten sollte man mit einer etwas größeren Spannung rechnen.

Mit einem Spannungsregler (78xx), kann man auch aus einem unstabilisierten ein stabilisiertes Netzteil machen. passender Link

Normale Halogentrafos ( groß & schwer ) könnte man auch benutzen ( siehe AC-NT ), wer braucht aber für LED`s  so große Leistungen?

Elektronische Halogennetzteile ( klein & leicht ) liefern am Ausgang auch eine Gleichspannung, können vom Prinzip also auch verwendet werden. Hierbei ist aber zu beachten, dass solche Netzteile meist eine Mindestlast für die korrekte Funktion benötigen, welche durch ein paar LEDs nicht unbedingt erreicht wird.

Die Gesamtleistung PGesamt= UGesamt* IGesamt sollte kleiner als die maximale Leistung des Netzteils sein aber etwa in der ähnlicher Größenordnung liegen.

Es gibt noch die Möglichkeit eine LED mit Hilfe eines Kondensators direkt an 230V Netzspannung zu betreiben, die ist aber für Bastler und Anfänger ungeeignet, weil somit an der ganzen Schaltung Netzspannung anliegt, die meistens nicht ausreichend isoliert ist.
 

Was muss man sonst noch beachten?

  • LEDs brauchen keine feste Spannung, sondern einen festen/bestimmten Strom. Die einfachste Konstantstromquelle ist eine Spannungsquelle mit einem passenden Widerstand ( den man bei LED`s auch ( LED- ) Vorwiderstand nennt ).
  • Am besten so viele LEDs in Reihe schalten, dass noch ca. 20-30% "Luft" bis zur Versorgungsspannung ist und die 20-30% dem Widerstand gönnen.
  • Nie LEDs ohne Vorwiderstand betreiben, auch wenn es gerade gut passen würde, weil bei UV - N*UF 0V rauskommt! Ohne Vorwiderstand zieht eine LED unbegrenzt viel Strom, bis sie durchbrennt.
  • ( Weil eine Batterie keine ideale Spannungsquelle ist und somit einen Widerstand "eingebaut" hat, können LEDs so was an Batterien überstehen, zu empfehlen ist es aber nicht. )
  • LEDs nicht parallel schalten, um z.B. Vorwiderstände zu sparen! Weil LEDs nicht 100% identisch sind, bekommt eine mehr, die andere weniger Strom als geplant, dadurch kann eine LED auch kaputt gehen.
  • Was tun, wenn man mehr als z.B. 4 grüne LEDs an 12 V anschließen will?

Man macht einfach mehrere dieser "LED(s)+Widerstand"-Zweige und schließt sie parallel zusammen.
( Jeder Zweig braucht dabei aber einen eigenen Vorwiderstand ).

 

(*)    Wie am Anfang angedeutet, gibt es keinen genauen Wert für UF. 
Einmal sind die LEDs nicht alle gleich und haben kleine Fertigungsunterschiede.
Aber hauptsächlich ist UF gar nicht fest, sondern hängt stark von der Temperatur ab: Je höher die Temperatur, desto kleiner wird UF!
Wenn man nun eine LED ohne Vorwiderstand an eine "passende" Spannungsquelle anschließt, erwärmt sich die LED, UF sinkt, dadurch steigt der Strom an, dadurch wird die LED noch wärmer, UF sinkt weiter, der Strom steigt noch stärker an, usw.
Ein 9V Block hat - wie erwähnt - einen relativ großen "eingebauten" Widerstand (richtig heißt der Innenwiderstand), der diesen Prozess recht schnell stoppt, aber bei einem Akkupack, Steckernetzteil oder PC-Netzteil ist dieser Widerstand meistens so klein, dass er nicht auffällt.


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