Arbeiten mit LEDs/ Grundlagen

Schaltzeichen

Schaltzeichen/Anschluss einer LED

Auf dem Bild links ist eine 5mm LED mit klarem Gehäuse stark vergrößert zu sehen. Auf der linken Seite hat das Gehäuse eine abgeflachte Seite. Dies ist die Seite der Kathode. Um die LED zum Leuchten zu bringen, also um die LED in Vorwärtsrichtung zu betreiben, muss der Draht an der Kathodenseite der LED mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden werden. Die Kathode ist meist das kürzere Ende des Anschlussdrahts, mit der abgeflachten Seite.

Eselsbrücke: K=(Kurz=Kathode)

In dieser Vergrößerung ist zu sehen, dass auf der linken Seite des Gehäuses außen eine gerade, flache Seite ist. Das ist immer die Kathode der LED.
Hier sind verschieden große LED zu sehen. Die Länge der Anschlussdrähte ist meist kein Zufall. Der kürzere Draht ist die Kathode.

Spannungen/Kennlinien

Die Vorwärtsspannung einer LED hängt von dem verwendeten Material und dessen Dotierung ab. Diese Spannungsangabe wird benötigt, um den Vorwiderstand für die LED zu berechnen. Wenn mehrere LEDs zusammen an einem Widerstand betrieben werden sollen, dann sollten sie die gleiche Vorwärtsspannung haben. Also sollten grüne und rote LEDs nicht mit einem gemeinsamen Vorwiderstand betrieben werden.

Beispielwerte: (genaue Werte sind stark abhängig vom Halbleitermaterial und sollten einem Datenblatt des Herstellers entnommen werden.)

Bei roten und infraroten LED ist die Vorwärtsspannung 1,6-2,2 Volt.
Bei gelben und grünen LED ist die Vorwärtsspannung 1,9-2,5 Volt.
Blaue, weiße und ultraviolette LED benötigen 2,5-4 Volt.

Ungefähr seit 1996 gibt es auch

Blaue, weiße, rote und grüne LED mit 2,5-4 Volt.

Beispielschaltungen

Wir haben zum Beispiel noch ein altes Netzteil herumliegen, das wir nun für eine LED-Beleuchtung benutzen möchten. Dieses Steckernetzteil hat als Ausgangsspannung 12 Volt Gleichspannung angegeben. Als Strom darf maximal 300 mA (Milliampere) fließen. Dann haben wir noch ein Päckchen mit roten LEDs und ein paar Widerstände vor uns liegen. Was können wir daraus machen? Und vor allem wie?

Dafür müssen wir uns erstmal etwas elektrotechnisches Grundwissen aneignen, damit wir verstehen wie das Ganze funktioniert und zusammengehört.

Die LEDs könnten alle einzeln mit je einem Vorwiderstand an die Spannungsquelle angeschlossen werden. Dies wäre aber etwas aufwendig und teuer. Immerhin würden von den 12V nur gut 2V genutzt, die restlichen fast 10V würden über dem Vorwiderstand abfallen und dort als Wärme verfallen. Klüger ist es, mehrere LEDs zusammen mit einem Vorwiderstand an die 12 Volt anzuschließen. Dafür bietet sich die Reihenschaltung an. Wenn mehrere LEDs auf einer Platine zusammengeschaltet sind, dann nennt man das einen LED-Cluster (gesprochen: "Klaster").

Reihenschaltung

Bei der Reihenschaltung werden elektrische Bauteile hintereinander angeordnet, so dass der gleiche Strom nacheinander durch jedes Bauteil fließt. Die Gesamtspannung der Spannungsquelle teilt sich dabei auf alle Bauteile und Leitungen auf. Die Verteilung der Spannung ist dabei abhängig von den Widerständen jedes Bauteils. Auch an der Leitung fällt eine Spannung ab, doch dies ist hier bei diesen Leitungslängen so gering, dass wir es ignorieren. Ein gutes Beispiel für eine Reihenschaltung ist eine Weihnachtsbaumbeleuchtung. Wenn ein Lämpchen herausgedreht wird oder ausfällt, dann ist die ganze Kette dunkel, weil kein Strom mehr fließen kann.

In einer Reihenschaltung addieren sich die Vorwärts- und die Rückwärtsspannungen der LEDs. Das bedeutet, dass - im Fall der Rückwärtsspannung - 10 hintereinandergeschaltete LEDs eine Gesamtrückwärtsspannung von 90 Volt vertragen, ohne dass sie durch falsch gepolte Spannung zerstört würden. Im Falle der Vorwärtsspannung bedeutet es, dass 10 rote LEDs hintereinander mindestens eine Spannung von 22 Volt benötigen, um mit der richtigen Helligkeit leuchten zu können. Mit 12 Volt betrieben würden diese nur sehr schwach glimmen. Außerdem sollte ein gewisser Rest an Spannung für den Vorwiderstand übrig gelassen werden. So 10 bis 25 Prozent genügen.

	Merke: In einer Reihenschaltung addieren sich die Spannungen an jedem einzelnen Bauteil zur Gesamtspannung. $U_{G}=U_{1}+U_{2}+U_{3}+U_{N}$

Parallelschaltung

Dabei gibt es mehrere Stränge, durch die unterschiedliche Ströme fließen. An jedem Strang liegt die volle Spannung an. Die Höhe der Ströme ist abhängig von den Widerständen jedes einzelnen Stranges und sie addieren sich zu einem Gesamtstrom. Der Gesamtstrom I_G darf nicht größer sein, als die Spannungsquelle liefern kann.

So sollte es nicht sein. Falls nämlich eine der Leuchtdioden defekt ist, ist der Widerstand unter Umständen unterdimensioniert und die anderen beiden Leuchtdioden gehen aufgrund des erhöhten Stromes ebenfalls kaputt.
So ist es richtig. Hier kann eine Leuchtdiode ausfallen, ohne dass die beiden anderen beeinträchtigt werden.

	Merke: In einer Parallelschaltung addieren sich die Einzelströme durch jeden Strang zum Gesamtstrom. $I_{G}=I_{1}+I_{2}+I_{3}$

Vorwiderstand dimensionieren

Der Wert des Vorwiderstands R_V ist abhängig von der Höhe der Spannung an der Spannungsquelle, der Vorwärtsspannung der LED und dem Strom, der durch die LED fließen soll. Wir stellen mit ihm den Strom ein.

	Den Vorwiderstand kannst du dir als Ventil in einer Wasserleitung vorstellen. Die Wasserleitung ist die Stromleitung, der Wasserdruck ist die Spannung und mit dem Ventil kann die Menge des abfließenden Wassers verringert werden. Die Einheit des Widerstands ist Ohm. Je höher dieser Wert ist, desto geschlossener ist das Ventil.

Es gibt LEDs, die nur 2 mA (Milliampere) vertragen. Diese werden Low-current-LED genannt. Dann gibt es die 5-mm-LED, die mit 20 bis 35 mA angegeben sind und Hochleistungsleuchtdioden, die einen Strom von 300, 700, 1000 und mehr Milliampere benötigen um mit der im Datenblatt angegebenen Helligkeit zu leuchten. Die genauen Werte sind im Datenblatt abzulesen. Eine LED soll im Dauerbetrieb eine Lebensdauer von etwa zehn Jahren haben, wenn sie mit dem auf dem Datenblatt angegebenen Strom betrieben wird. In der Regel gilt, dass die Gesamtlebensdauer einer LED umso kürzer ist, je heißer sie betrieben wird. Die LED kann auch mit weniger Strom als angegeben betrieben werden. Sie leuchtet dann nur weniger hell.

Wenn die LEDs in einer sehr kalten Umgebung betrieben werden, (Nordpol, Kühlhaus) oder wenn die Lebensdauer nicht so wichtig ist, dann kann den LEDs auch mehr Strom zugemutet werden. Wenn zum Beispiel der LED eine Pause zum Abkühlen gewährt wird, dann kann kurzzeitig auch ein sehr viel größerer Strom fließen. Bei modernen Mobiltelefonen sind die Blitzlichter für den eingebauten Fotoapparat als Hochleistungsleuchtdiode realisiert. Dort fließt für ein paar Millisekunden ein Strom von bis zu einem Ampere. Dadurch, dass dies nicht ständig von der LED verlangt wird, hat sie genügend Zeit die angestaute Wärme aus dem Inneren nach außen abzugeben. Wärmeabfuhr ist immer noch die größte technische Hürde für zukünftige Hochleistungsleuchtdioden.

Berechnung

 $R_{V}={\frac {U_{0}-U_{F}}{I_{F}}}$ 
 $R_{V}$  Vorwiderstand (in Ohm) 
 $U_{0}$  Versorgungsspannung (in Volt)
 $U_{F}$  Vorwärtsspannung(en) der LED(s) (in Volt)
 $I_{F}$  Strom der durch die LED fließen soll (in Ampere)

Beispiel: 1 Rote LED $U_{0}=12\,{\text{Volt}}$ , $I_{F}=0{,}035\,{\text{Ampere}}$ , $U_{F}=2{,}2\,{\text{Volt}}$ , $R_{V}=???\,\mathrm {Ohm}$

12 Volt - 2,2 Volt = 9,8 Volt

9,8 Volt : 0,035 Ampere = 280 Ohm

280 Ohm wäre der richtige Widerstand für den Betrieb einer roten LED an 12 Volt Spannung.

Wenn Du in den Laden gehst und nach einem 280 Ohm Widerstand fragst, wird der Verkäufer dir aber wohl sagen, dass es diesen nicht gibt. Um die Herstellung von Widerständen zu vereinfachen, wurde es so vereinbart, dass nicht alle möglichen Werte hergestellt werden müssen. Das würde die Produktion und die Lagerhaltung zu sehr komplizieren. Deshalb wurde die Normreihe eingeführt.

Normreihe E 12

Die Normreihe E 12 gibt an, dass 12 verschiedene Abstufungen der Widerstandswerte möglich sind und bezeichnet gleichzeitig die mögliche Abweichung des Widerstandswertes vom aufgedruckten Wert. Dies nennt man Toleranz. Für die Normreihe E 12 ist eine Toleranz von 10 % mit einzukalkulieren. Es gibt auch andere Normreihen für zum Beispiel höhere Genauigkeitsanforderungen (dies geht bis zu E 96). Diese sind aber wesentlich teurer und nicht üblich in der normalen Anwendung. Im Elektronikladen um die Ecke wird man nur die Widerstände der Reihe E 12 vorrätig haben.

Die Stufen sind wie folgt:

10 Ohm

12 Ohm

15 Ohm

18 Ohm

22 Ohm

27 Ohm

33 Ohm

39 Ohm

47 Ohm

56 Ohm

68 Ohm

82 Ohm

100 Ohm

120 Ohm

150 Ohm

180 Ohm

220 Ohm

270 Ohm

330 Ohm

390 Ohm

470 Ohm

560 Ohm

680 Ohm

820 Ohm

Ein Widerstand der Reihe E 12 mit angegebenem Wert von 33 Ohm kann also im Widerstand zwischen 29,7 Ohm und 36,3 Ohm liegen. Das ist für die meisten Anwendungen genau genug. Mit unserem berechneten Widerstand von 280 Ohm haben wir jetzt also die Auswahl zwischen 270 Ohm und 330 Ohm. Da der Strom von 35 Milliampere am oberen Limit für die LED war, bleiben wir mit einem verwendeten Widerstand von 330 Ohm auf der sicheren Seite.

	Höherer Widerstand heißt weniger Strom für das Bauteil. Deshalb werden die berechneten Widerstände in der Praxis meistens aufgerundet.

Berechnung des tatsächlichen Stromes mit Toleranz:

Wir haben einen Widerstand mit dem aufgedruckten Wert 330 Ohm im Laden gekauft. Wir wissen jetzt, dass der aufgedruckte Wert um 10 Prozent nach oben oder nach unten abweichen kann. Das würde bedeuten, dass wir einen tatsächlichen Wert von 297 Ohm bis 363 Ohm mit einem Widerstandsmessgerät daran messen könnten. Was bedeutet das für unsere berechnete Schaltung?

R	I
$I={\frac {U}{R}}$
280 Ohm	35 mA
297 Ohm	?? mA
363 Ohm	?? mA

Um auf den Strom als gesuchte Größe zu kommen, stellen wir die Formel so um, dass $I$ vor dem Gleichheitszeichen steht.

$U$ ist die Spannung, die an dem Widerstand abfallen soll. Nicht die Gesamtspannung! 9,8 Volt geteilt durch 297 Ohm ergibt 33 mA. 9,8 Volt geteilt durch 363 Ohm ergibt 27 mA.

Das ist akzeptabel. Wir können die Schaltung so aufbauen.

Widerstandsfarbcode

Widerstände haben auf ihrer Oberfläche immer eine Kennzeichnung, mit der der Wert abgelesen werden kann. Bei größeren Widerständen ist der Wert meist in Klartext aufgedruckt. Bei sehr kleinen Widerständen reicht dafür der Platz nicht aus, weshalb sie einen Farbcode bekommen haben. In dem Farbcode ist nicht nur der Widerstandswert in Ohm enthalten, sondern auch die Toleranz angegeben. Bei runden Widerständen ist die Farbe ringförmig aufgetragen, um das Ablesen aus verschiedenen Richtungen zu ermöglichen.

Vierringige Widerstände

Bei der vierringigen Kennzeichnung stehen die ersten 2 Ringe für die zählende Ziffer, der dritte ist der Multiplikator und der vierte Ring die Angabe für den Toleranzbereich. Um die Leserichtung nicht zu verwechseln, hat der Ring für die Toleranz meist etwas mehr Abstand zu den anderen Ringen.

z. B.: die Kennung Rot Violett Grün Gold bedeutet:

27\cdot 10^{5}

= 2.700.000 Ω = 2,7 MΩ mit einer Toleranz von Plus-Minus 5%

Tabelle mit Farbcodes für Widerstandswerte:

Widerstandsfarbcode Der Widerstandsfarbcode kennzeichnet die Werte der Widerstände, ohne dabei Zahlen zu verwenden. Zahlen wären auf den kleinen runden Bauteilen nur schwer abzulesen. Mit etwas Übung erkennt man den Widerstandswert genau so schnell, als ob er mit Ziffern gedruckt wäre.
4 Ring - Code
Farbe	1. Ring (1. Ziffer)	2. Ring (2. Ziffer)	3. Ring (Multiplikator)	4. Ring (Toleranz)
schwarz	-	0	1	-
braun	1	1	10	± 1%
rot	2	2	100	± 2%
orange	3	3	1000	-
gelb	4	4	10000	-
grün	5	5	100000	-
blau	6	6	1000000	-
violett	7	7	-	-
grau	8	8	-	-
weiß	9	9	-	-
gold	-	-	0,1	± 5%
silber	-	-	0,01	± 10%

Dimensionierung von Anschlussleitungen

Ich habe schon häufig gesehen, was für abenteuerliche Schaltungen von elektrischen Laien gebaut wurden. Es ist ja auch nicht gerade leicht, eine Schaltung zu bauen, ohne die nötige Erfahrung oder das Fachwissen zu haben. Die Schaltungen die hier beschrieben werden, benötigen nur sehr kleine Ströme. Wieviel ein Ampere Strom ist, kann man schlecht einschätzen. Eine Anschlussleitung von einem Steckernetzteil hat einen Leitungsquerschnitt von meistens 0,5 bis 0,75 mm². Einzelne Adern von Telefonleitungen haben einen Querschnitt von 0,2 mm². Lautsprecherleitungen für die Stereoanlage haben 0,75 mm² bis zu 16 mm².

Eine Leitung mit 1,5 mm² kann einen Strom von ca. 13 Ampere durchleiten, ohne heiß zu werden.

Eine Leitung mit 0,75 mm² kann einen Strom von ca. 7 Ampere durchleiten, ohne heiß zu werden.

Eine Leitung mit 0,2 mm² kann einen Strom von ca. 2 Ampere durchleiten, ohne heiß zu werden.

Die Ströme, die bei unseren Schaltungen fließen, sind nur ein Bruchteil davon. So ca. 0,2 Ampere für das Nachtlicht. Das bedeutet, dass es ausreicht, eine dünne Leitung (Klingeldraht) und nicht das gute Lautsprecherkabel dafür zu benutzen.

Umgang mit Leiterplatten

Platinen oder auch Leiterplatten genannt, bieten dem Elektroniker eine einfache Grundlage, um Bauteile zu einer Schaltung zusammen zu fügen. Platinen gibt es in sehr verschiedenen Ausführungen zu kaufen. Hier sollen nur Streifenrasterplatinen verwendet werden. Ein Foto davon gibt es hier zu sehen:

Auf der Leiterbahnseite werden die Bauteile verlötet. Die andere Seite heißt Bestückungsseite. Auf ihr werden die Bauteile angeordnet. Dazu sollte vorher ein Plan angefertigt werden, damit es nicht zu unübersichtlich wird. Vor dem Einlöten der Bauteile müssen zuerst die Leiterbahnunterbrechungen geschaffen werden. Dazu werden mit einem Messer oder einem speziellen Leiterbahnunterbrecher die Bahnen an den vorgesehenen Stellen weggeschabt.

Leiterbahnseite einer Streifenrasterplatine
Leiterbahnseite einer Prototypenplatine
Vorderseite einer gelöteten Leiterbahn
Rückseite derselben Leiterbahn

Alternative: Steckplatten

Für schnelle Schaltungsaufbauten empfiehlt sich statt einer Leiterplatte eine einfache Steckplatte, auch Steckplatine oder Breadboard genannt. Im Gegensatz zu Leiterplatten werden bei Steckplatinen die Bauteile nicht gelötet, sondern nur gesteckt. Dadurch kann die Schaltung durch einfaches Umstecken geändert werden. Darüberhinaus läuft man nicht Gefahr, durch zu langes Löten die Bauteile zu beschädigen.

Es sind jeweils Gruppen von Einstecklöchern miteinander verbunden. Falls zur Steckplatte keine Anleitung vorliegt, kann man diese Gruppierung auch einfach mit Hilfe eines Durchgangsprüfers herausfinden und somit sehen, welche Stecklöcher miteinander verbunden sind und welche nicht.

Für dauerhafte Schaltungsaufbauten ist eine Steckplatte aufgrund ihrer Größe und Instabilität natürlich nicht sonderlich geeignet.

Ein Steckernetzteil erklärt

Steckernetzteile gibt es in sehr unterschiedlichen Ausführungen. Sie wandeln die hohe Netzspannung von 230 Volt Wechselspannung in eine viel niedrigere, ungefährliche Spannung um. Ob Gleich- oder Wechselspannung ist auf dem Typenschild des Gerätes angegeben. Bei manchen Netzteilen ist nicht nur die Höhe der Ausgangsspannung wählbar, sondern auch ob es sich um Gleich- oder Wechselspannung handelt. Für die LED-Schaltungen in diesem Buch genügen meistens Spannungen bis 12 Volt. Es sollte aber auf jeden Fall darauf geachtet werden, vor allem wenn Kinder und Jugendliche mit bei den Bastelarbeiten dabei sind, dass das Netzteil Tüv/GS geprüft ist und eine Schutzkapselung aufweist. Die Schutzkapselung stellt sicher, dass im Falle eines Defektes des Netzteils keine gefährliche Netzspannung herausgegeben wird. Das Tüv/GS-Zeichen zeigt an, dass das bei der Bauart dieses Netzteils geprüft wurde.