Hier lernst du einige Hauptmerkmale von LEDs kennen und du erfährst, warum man den Strom durch eine LED begrenzen muss und wie man das macht. Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes wird der Widerstandswert zur Begrenzung des Stroms durch eine LED berechnet. Über Spannungsmessungen an einer LED wird gezeigt, wie sich der Spannungsabfall ändert, wenn die Versorgungspannung erhöht oder erniedrigt wird. In weiteren Schritten wird mit LEDs in Serien- und Parallelschaltung experimentiert.

Bauteil

Schaltsymbol

Stichworte

Lichtaussendende Diode, LED, Strom, Spannung, Widerstand, Ohmsches Gesetz, Parallelschaltung, Reihenschaltung, Durchlassspannung, Kennlinie

Die Helligkeit einer leuchtenden Glühbirne nimmt zu, wenn die anliegende Versorgungsspannung zunimmt - zum Beispiel bei alten Dimmerschaltungen für Glühbirnen. Erhöht man die anliegende Spannung über den vom Hersteller vorgegebenen Wert, brennt die Birne durch oder ihre Lebensdauer nimmt stark ab.

Bei einer LED hängt die Helligkeit hingegen vom Strom ab, der durch sie hindurchfließt. Erhöht man den Strom über einen vorgegebenen maximalen Wert, wird die LED verglühen. Aus diesem Grund muss der Strom durch sie mit einem Widerstand, dem sogenannten Vorwiderstand, begrenzt werden.

Im folgenden Experiment erfährst du,

• wie man die notwendigen Daten über eine LED dem sogenannten Datenblatt entnimmt.
• wie man mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes einen Widerstandswert berechnet.
• wie Änderungen der Stromstärke die Helligkeit einer LED beeinflussen.
• wie man einen Vorwiderstand für eine beliebige LED berechnet, wenn kein Datenblatt zur Verfügung steht.
• wie man die Kennlinie von einer LED aufnimmt.

Lade dir aus dem Internet das Datenblatt zu einer LED auf den Rechner, zum Beispiel über das Stichwort des Herstellers in der Suchmaschine. In der Regel enthält das Datenblatt Aussagen über:

Abstrahlwinkel

Das Licht einer LED wird kegelförmig abgestrahlt. Der Abstrahlwinkel wird zwischen der Achse dieses Kegels und seiner (gedachten) Mantelfläche gemessen. Ein Abstrahlwinkel von 20° entspricht einem Öffnungswinkel von 40°, wie die folgende Abbildung zeigt.

Farben

Je nach Hersteller werden unterschiedliche Farben für LEDs angeboten. Es gibt sie in farblos klar, in orange (585nm - 595nm), rot(620nm - 750nm), grün (500nm - 530nm), blau (430nm - 480nm) und weiteren Zwischentönen. Die Einheit nm hinter den Zahlen steht für Nanometer, was gleichbedeutend ist mit einem milliardstel Meter oder  

Durchlassspannung, Durchlassstrom, Spitzenstrom

Vom Hersteller wird für jede Diode die Durchlassspannung (typ.) mit mittlerem Durchlassstrom und der maximale Durchlassstrom (Spitzenstrom) angegeben. Aus dem Datenblatt (Abb. 3) entnimmt man zum Beispiel für die Durchlassspannung 2,0 V einen mittleren Durchlassstrom von 20mA und einen maximal zulässigen Spitzenstrom von 100mA für sehr kurze Zeit.

Ein elektrischer Strom kann nur in einer Richtung durch eine LED hindurchfließen. Wählt man die technische Stromrichtung (Ladung fließt von Plus nach Minus), dann sagt man:

Bei einer Diode ist die Kathode immer an der flachen Seite des Gehäuses zu finden und sie hat einen kürzeren Draht, während die Anode immer durch den längeren Draht gekennzeichnet ist.

Drei Eselsbrücken

Kathode und kürzerer Draht kann man sich leicht merken, beides fängt mit k an oder das Schaltsymbol der LED ist ein Pfeil, der in die Richtung zeigt, wie der Strom fließt: von Plus nach Minus. Als dritte Eselsbrücke bietet sich an: der Querbalken vorne am Dreieck des Schaltsymbols hat starke Ähnlichkeit mit dem Minuspol-Zeichen.

Um eine LED zum Leuchten zu bringen, sollte man IMMER einen Vorwiderstand in den Schaltkreis mit einbauen. Nehmen wir eine 9V-Blockbatterie, die eine rote LED zum Leuchten bringen soll. Der Schaltkreis dazu:

Die Durchlassspannung einer roten LED bewegt sich je nach Ausführungsform zwischen 1,7 und 2,1 V. Wir legen fest, dass dieser Spannungswert bei 1,8V liegt, dann müssen über dem Vorwiderstand R noch 7,2V abfallen. Der Kreis mit eingeschriebenem V symbolisiert jeweils ein Spannungsmessgerät.

Nehmen wir weiter an, dass durch die Diode ein Strom von 20mA Stärke fließt; das ist ein ziemlich gängiger Wert für die meisten Dioden. Mit diesen Festlegungen und dem Ohmschen Gesetz lässt sich jetzt der Vorwiderstand berechnen. Über ihm müssen ca. 7,2 V abfallen, bei einer Stromstärke von 20 mA. Das ergibt einen Vorwiderstandswert R von:

Der dem berechneten Wert von 360 Ohm am nächsten gelegene höhere Normwert ist 390 Ohm. Der wird in die Schaltung eingebaut und die LED sollte leuchten.

In der folgenden Messschaltung wurde irrtümlich von mir ein 470 Ohm Vorwiderstand eingebaut. Die Messwerte sind vor diesem Hintergrund zu sehen.

Programm LED_Durchlassstrom.ino

Die Terminalausgabe für die gemessene Stromstärke im Schaltkreis liegt bei 14,3 mA, der Spannungsabfall über der Diode bei 1,84 V und über dem Widerstand R = 470 Ohm bei 6,7 V. Der Schaltkreis wurde von einer 9V Blockbatterie gespeist (Ladezustand unbekannt). Rechnerisch ergibt sich bei einem Vorwiderstand von 470 Ohm eine Stromstärke von ca. 15,3 mA.

Die Kennlinie wird mit dem Modul INA219 aufgenommen. Das zugehörige Programm gibt im Terminal für jeden eingestellten Spannungswert den Stromfluss durch die LED an.

Die Messschaltung

Das Programm LED_Kennlinie.ino

Trägt man die Messdaten in eine Excel-Tabelle ein und erstellt einen Graphen für jede LED-Messreihe, dann ergib sich ein Bild nach Abb. 10.

Wenn man zusätzlich die Durchlassspannung einer unbekannten Diode bestimmen möchte, sollte man mit einer Konstantstromquelle arbeiten, die 20mA Nennstrom bereitstellt. Die Spannung, die dabei über der LED abfällt entspricht der Durchlassspannung. Da dieser Wert u.a. temperaturabhängig ist, kann es sich nur um einen Näherungswert handeln, mit dem sich aber gut arbeiten lässt.

Eine solche Schaltung ist schnell aufgebaut; vielleicht ergänze ich das hier noch;-)