Leuchtdioden oder kurz LEDs (Light Emitting Diodes) werden in der Elektronik gerne verwendet, um Dinge anzuzeigen oder zu beleuchten. Natürlich könnte man auch Lämpchen verwenden, die brauchen aber mehr Leistung und entwickeln mehr Wärme. Außerdem schauen LEDs natürlich viel cooler aus, oder?
Leuchtdioden sind Halbleitebauelemente – und damit verhalten sie sich auch im Stromkreis nicht wie ein ohmscher Widerstand, sondern sind etwas spezieller. Sie haben eine Vorwärtsspannung und einen Vorwärtsstrom und natürlich eine Einbaurichtung (wie jede Diode).
Einbaurichtung: Wie jede Diode haben auch Leuchtdioden eine Einbaurichtung – wenn man sie verkehrt (= in Sperrichtung) einbaut, dann fließt keine Strom (oder nur ein sehr, sehr, sehr geringer Strom, der Sperrstrom) und sie leuchten nicht. Bei „normalen“ LEDs kennt man die Einbaurichtung daran, dass die Anode (der Pluspol) einen länger Anschlussfuß hat, wie die Kathode (Minuspol).
Vorwärtsspannung Uf: Diese Spannung fällt im Betrieb an der Leuchtdiode ab. Je nach Strom ändert sie sich ein wenig, aber nicht viel – man kann sie meistens als konstant annehmen. Das ist auch der große Unterschied zum Widerstand, bei dem sich die Spannung mit dem Strom ändert – der Zusammenhang ist durch das Ohmsche Gesetz gegeben. Spannung = Strom mal Widerstand (U = I*R). Bei der LED (wie auch bei anderen Dioden) ist das nicht so – die Vorwärtsspannung ist annähernd konstant. Die Vorwärtsspannung hängt vom verwendeten Halbleitermaterial (und dessen Dotierung) und damit von der Leuchtfarbe der LED ab.
Vorwärtsstrom If: Das ist jener Strom, bei dem die LED ihren Nennhelligkeit hat (man kann auch Nennstrom) dazu sagen. Wenn der Strom durch die Diode kleiner wird, dann leuchtet sie dunkler. Diesen Strom stellen wir in der Schaltung ein – das kann entweder durch eine Stromquelle oder durch einen sogenannten Vorwiderstand erreicht werden (meist wird der Vorwiderstand verwendet, weil das einfach geht und so ein Widerstand recht billig ist).
Vorwiderstand R: Wie gerade geschrieben wird oft ein Vorwiderstand verwendet um den Vorwärtsstrom durch eine LED einzustellen bzw. zu kontrollieren. Der Vorwiderstand wird in Serie zur LED geschaltet. Wie wird er nun berechnet? – ganz einfach: wir wissen den Strom, der durch die LED (und auch durch den Widerstand) fließen soll, nämlich der Vorwärtsstrom If und wir kennen die Vorwärtsspannung Uf der Diode. Die Vorwärtsspannung puls die Spannung am Widerstand UR ergeben gemeinsam die Versorgungsspannung U0. Und für UR gilt natürlich das ohmsche Gesetz UR = If * R. D.h. U0 = Uf + (If * R). Wenn wir das umformen kommen wir auf: R = (U0-Uf)/If.
Kleines Beispiel gefällig?
Wir haben eine Versorgungsspannung von 5V (z.B. von unserem Arduino-Board).
Unsere LED hat eine Vorwärtsspannung von 1,7 V (Typisch für eine rote LED) und einen Forwärtsstrom von 20 mA (auch ein typischer Wert für eine LED mit einem 5 mm Kopf)
Damit kommen wir auf einen Vorwiderstand R von R = (U0-Uf)/If = (5-1,7)/0,02 = 165 Ohm.
Der verwendete Widerstand sollte nicht kleiner als der berechnete sein, dann würde ein höherer Strom fließen und die LED beschädigt werden. Wenn er größer ist, ist das aber nicht tragisch, es fließt halt weniger Strom und die LED leuchtet nicht so hell.
Mehrfarbige LEDs
Besonders fancy sind dann natürlich LEDs die in verschiedenen Farben leuchten können. Da kann man dann mit einer LED gleich mehrere Dinge anzeigen, oder einfach nur coole Lichtspiele veranstalten.
Ich hab mir mal diese gekauft:
Als Daten dazu ist folgendes angegeben:
Features:
Size: 5mm (pin length approx. 25mm)
Emitted Colour : Red / Green / Blue
Pins sequence: RED/Common Anode (positive terminal)/Green/Blue
Lens Color : Diffused
Luminous Intensity: 4000/8000/5000mcd
Forward Voltage (V) : 2.1~3.4
View Angle: About 25 degree.
Please test to add current limiting resistor, it will be very easy to burn out the LED resistance of a few hundred to 1000ohm can
R: wavelength 630-640nm Brightness 1000-1200mcd Voltage 1.8-2.0V
G: wavelength 515-512nm Brightness 3000-5000mcd Voltage 3.2-3.4V
B: wavelength 465-475nm Brightness 2000-3000mcd Voltage 3.2-3.4V
Und was fehlt bei der Angabe der Daten? Ganz richtig der Vorwärtsstrom If! Gerade der wäre aber recht wichtig, weil man damit ja den Vorwiderstand berechnen muss.
Im Gegensatz zur Vorwärtsspannung kann man den Vorwärts(nenn)strom auch nicht wirklich messen, d.h. für den Betrieb können wir nur mal einen schätzen.
20 mA sind da kein so schlechter Schätzwert (so in etwas haben die meisten LEDs mit 5 mm Durchmesser).
Ich hab die 20 mA mal verwendet und dort bei einer der Leuchtdioden die Vorwärtsspannungen gemessen: rot = 2V, grün = 3,17V und blau = 3,21 V
Die Vorwiderstände für eine Spannung von 5V ergeben dann: 150 Ohm für Rot, 91,5 Ohm für Grün und 89,5 Ohm für Blau (wie bereits geschrieben ist das der untere Wert)