LED-FAQ - Leuchtdioden

1. 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) I_F Flussstrom, d.h. der Strom für die die LED ausgelegt ist (bei normalen 5mm Typen meistens 20mA)
2) U_F die ungefähre Flussspannung/Betriebsspannung / Durchlassspannung usw. 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.
Die Spannung braucht man gar nicht so genau zu wissen. Solange der Strom stimmt, "nimmt" sich die LED schon die passende Spannung.

2.1 Reihenschaltung (= Hintereinanderschaltung)

[Reihenschaltung]

Wie 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 I_LED oder I_{Vorwiderstand}, sind ja alle gleich und man erspart sich Schreibarbeit. :)

Strom und Spannung in der Reihenschaltung:
I = I₁ = I₂ = ..= I_n (1, 2, n sind nur Platzhalter,)
U_Gesamt = U₁ + U₂ + .. + U_n (Das ist auch klar, es geht ja keine Spannung verloren oder kommt hinzu)

2.2 Der andere Grundtyp ist die Parallelschaltung

[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:
I_Gesamt = I₁ + I₂ + ..+ I_n (durch einen der Zweige muss der Strom fließen)
Weil an allen Zweigen die Betriebsspannung anliegt, ist
U_Gesamt = U₁ = U₂ = .. = U_n

2.3 Das Ohmsche Gesetz

U = R * I (Die Spannung (in Volt) die über 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)

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

In einer Reihenschaltung addieren sich die Widerstandswerte:
R_Gesamt = R₁ + R₂ + .. + R_n

in einer Parallelschaltung ist nicht mehr ganz so einfach:
(1/ R_Gesamt) = (1/R₁) + (1/R₂) + .. + (1/R_n)

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

3.1 "Vorwiderstandsformel" und Zahlenbeispiele

Einfaches Rechenbeispiel:

[Beispiel 1]

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.

Eine rote ist langweilig. :D

[Beispiel 2]

Also jetzt vier grüne LEDs(U_F ca. 2,2V) an 12V, dabei muss man ( 12V - 4*2,2V) = (12V - 8,8V) = 3,2V "loswerden".
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 LEDs nur 20mA.)

Generell:
gegeben
U_V (Versorgungsspannung / Batteriespannung / etc)
U_F,
I_F,
n (Anzahl der LEDs in einer Reihenschaltung)

Den Vorwiderstand für n LEDs berechnet man mit dieser Formel:

R_Widerstand = (U_V - n*U_F) / I_F
Es reicht, wenn man den nächst größeren Widerstandswert nimmt, es steigert auch je nach dem etwas die Lebensdauer der LEDs.

Beispiel 3:

U_V = 15V
U_F = 1,9V (rote LED)
I_F = 20mA
n = 1

R = ( 15V - 1*1,9V )/20mA = (13,1 / 0,02 ) Ohm = 655 Ohm

3.2 Dimensionierung des Vorwiderstandes

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:
P_elektrisch= U * I (Leistung = Spannung * Strom)
P_Widerstand = U_Widerstand * I ( = U_Widerstand * I_Widerstand)

Im Beispiel mit der einzelnen roten LED verheizt man 2,6V * 20mA = 52mW =0,052W am Widerstand,
bei den vier grünen 3,2V * 20mA = 0,064W, hier reicht jeweils ein ganz normaler Widerstand.
Bei der roten an 15V erhält man für die Leistung P = 13,1V*0,02A = 0,262W, hier kann ein 1/4W-Widerstand schon zu schwach sein.

3.3 Die richtige Polung der LED

Wie der Name schon sagt, ist eine LED eine Dioden, 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.

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_LED1) - (Anode_LED2 Kathode_LED2) - ... - (Anode_LEDn Kathode_LEDn) - (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:

[Alle Beispiele]

1), 2) und 3) sind die Beispiele aus 3.1,
4) ist ein weiteres Beispiel mit passenden Vorwiderständen.

4.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 LEDs 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 (bzw. Wechselspannungs-).
(DC = Direct Current = Gleichstrom, AC = Alternating Current = Wechselstrom)

1) Es gibt zwei Arten von Gleichstrom(stecker)netzteilen:

- Stabilisierte Netzteile, d.h. ein stab. 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, LEDs zu betreiben. Man kann wie gewohnt rechnen.
Bei einem nicht stabilisierten muss man mit einer etwas größeren Spannung rechnen, wenn es nicht ausgelastet wird.

2) 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 Elko (Elektrolytkondensator) glättet, erhält man ein unstabilisiertes Gleichstromnetzteil.

Es sind also alle drei geeignet, um LEDs 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 LEDs so große Leistungen?
Elektronische (klein & leicht) nicht, weil man die hochfrequente Wechselspannung nicht so einfach gleichrichten kann (wie z.B. 50Hz).

Die Gesamtleistung P_Gesamt = U_Gesamt * I_Gesamt sollte kleiner als die maximale Leistung des Netzteils sein aber etwa in der gleichen 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.
Außerdem ist so ein Kondensator (z.B. so ein roter 630V AC Typ von Wima) auch nicht besonders günstig, also besser auf Nr. sicher gehen und ein Netzteil verwenden.

5. 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 LEDs 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 U_V - N*U_F 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.
Beispiel
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 U_F.
Einmal sind die LEDs nicht alle gleich und haben kleine Fertigungsunterschiede.
Aber hauptsächlich ist U_F gar nicht fest, sondern hängt stark von der Temperatur ab: Je höher die Temperatur, desto kleiner wird U_F!
Wenn man nun eine LED ohne Vorwiderstand an eine "passende" Spannungsquelle anschließt, erwärmt sich die LED, U_F sinkt, dadurch steigt der Strom an, dadurch wird die LED noch wärmer, U_F 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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