Leuchtdiode - Elektronisches Licht

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
1 Widerstand 220 Ohm  
1 Widerstand 470 Ohm  
1 Widerstand 1,0 kOhm  
3 Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm 3mm, 5mm
1 Multimeter  

 

 

Grundlagen

 

Ein recht interessantes Bauteil ist die Leuchtdiode. Diese haben sich in den letzten Jahren am Markt in sehr vielen Bereichen der Anzeigetechnik durchgesetzt. Die Vorteile sind unter anderem: Hoher Wirkungsgrad, sehr kleine Bauweise möglich, nahezu keine Wärmeentwicklung usw.. Leuchtdioden werden, wie ihre 'Artgenossen', die Dioden, mit Hilfe von Halbleitern hergestellt. Dabei nutzt man den Effekt, das man diesen durch 'Verschmutzen' zum Leuchten bringen kann, wenn ein Strom hindurch fließt.

 

Je nach Art der Materialen, ergeben sich unterschiedliche Leuchtfarben. Grün, gelb, rot sind die Häufigsten. Aber auch blau, weiß und diverse Mischfarben sind erhältlich. Diese kosten in der Regel aber mehr, als die drei Standardfarben.

 

Des Weiteren gibt es Leuchtdioden in etlichen verschieden Gehäuseformen. Angefangen von einfachen 3 oder 5mm-Standardgehäuse bis hin zu Pfeilen oder zusammengeschaltet zu Ziffern oder Symbolanzeigen. Selbst ganze Grafikdisplays sind mit Leuchtdioden erhältlich. In der letzter Zeit sind auch Einheiten erhältlich die als Lampen-Einheiten dienen. Auch Leuchtdioden mit Sonderfunktionen sind kein Problem. Z.b. Duo-Leuchtdioden die 2 oder mehr Farben in einem Gehäuse haben. Oder Leuchtdioden mit einer eingebauten Blinkelektronik. Die Möglichkeiten sind nahezu unbegrenzt.

 

Ohne Leuchtdioden wären unter anderem die von jedem bekannten Fernbedienungen nicht in dieser Form machbar. Dort werden Typen eingesetzt die Licht im Infrarot-Bereich absondern. Also für uns unsichtbar ist. Mit Hilfe von Leuchtdioden sind auch CD-Player erst möglich geworden. Dort arbeiten Laser-Dioden zum Abtasten der CDs.

 

Leuchtdioden sind auch mit diversen Leuchtstärken erhältlich. Es gibt welche die eine sehr hohe Lichtausbeute haben und andere die nur für Signalzwecke eingesetzt werden können und schon bei sehr geringen Strom leuchten.

 

Leuchtdioden und LED-Anzeigen

 

Da man bei Leuchtdioden, genau wie bei den normalen Dioden, auf die Polung achten muss, gibt es auch hier Erkennungsmerkmale. Bei normalen Dioden sind die Anschlüsse durch unterschiedliche Längen gekennzeichnet. Es ist auch möglich, die entsprechende Polung durch den Innenaufbau der Leuchtdiode zu erkennen.

Da Leuchtdioden sich elektrisch wie normale Dioden verhalten, sieht das Schaltsymbol auch ähnlich aus. Nur durch die Pfeile ist die Leuchtdiode zu erkennen. Anstatt Leuchtdiode wird auch oft LED gesagt. Dies kommt von der englischen Bezeichnung Light Emmiting Diode.

 

 

Wie funktioniert die LED?

 

 

Um eine Leuchtdiode in Betrieb zu nehmen, benötigen wir noch einen Widerstand. Dieser ist zwingend notwendig. Andernfalls würde die Diode zerstört werden. Wozu braucht man den Widerstand?

Eine Leuchtdiode verhält sich ähnlich wie eine normale Diode. Sie besitzt im Prinzip keinen Innenwiderstand. Dies bedeutet, dass der Strom theoretisch unendlich groß werden kann. Um das zu verhindern wird der Widerstand benötigt.

Nehmen wir nun diese Schaltung in Betrieb, leuchtet die LED auf. Leuchtet sie auch, wenn wir die LED in Sperrrichtung bzw. 'falsch' herum betreiben?

 

Drehen wir einfach mal die Leuchtdiode um und klemmen die Batterie wieder an. Wie wir schnell feststellen, bleibt die LED dieses Mal dunkel.

In Sperrrichtung blockiert die Leuchtdiode auch den Strom und kann somit auch nicht leuchten. Diesen Zustand sollte aber in der Praxis vermieden werden, da LEDs eine sehr geringe max. Sperrspannung haben und somit in diesem Zustand auch leicht zerstört werden könnten.

 

Wie wir aus dem Lehrgang Die Diode - Das elektronische Ventil bereits wissen, benötigt eine Siliziumdiode ca. 0,7 V um arbeiten zu können. Trifft das auch auf Leuchtdioden zu?

Durch eine Messung können wir nachprüfen, welche Spannung eine LED benötigt, um zu leuchten. Wurde hier eine rote Diode eingesetzt werden wir jetzt einen Wert zwischen 1,6 V und 2,4 V messen. Diese Spannung variiert, je nach Lichtfarbe. Setzen wir hier eine andere LED-Farbe ein und messen die Spannung erneut, wird ein etwas anderer Wert angezeigt.

Jede Farbe hat einen anderen Spannungsbereich in der die Diode arbeitet. Für Standardanwendungen reicht es aber, wenn man eine Spannung von 2 V annimmt. In meinen Versuchen habe ich für den LED-Strom 15 mA festgelegt, womit wir dann auf einen Widerstandswert von 466 Ohm ≈ 470 Ohm kommen.

 

Wenn wir nun die Spannung an der Leuchtdiode kennen, muss ja der Rest der Betriebsspannung am Vorwiderstand abfallen. Durch eine entsprechende Messung wird dies auch bestätigt.

 

Der wichtigste Wert für eine Leuchtdiode ist aber der Strom. Dieser bestimmt wie stark die LED leuchtet. Schalten wir nun unser Multimeter auf Strommessung und legen es in den Stromkreis.

Hier messen wir jetzt in etwa den gewünschten Strom von 15 mA. Dieser Wert ist für Standard-Typen vollkommen ausreichend. Es gibt aber auch LEDs die benötigen erheblich weniger oder auch einiges Mehr an Strom.

Low Current LEDs kommen schon mit Strömen von ca. 2 mA aus. Diese sind vor allem geeignet für Statusanzeigen, wo die Leuchtkraft nicht so stark sein muss.

Andere LED-Typen hingegen, brauchen einen erheblich größeren Strom, wie die Flux oder Luxeon-LEDs z.B. Diese Leuchtdioden dienen zur Beleuchtung und ersetzen immer mehr die üblichen Glühlampen.

 

 

Die Leuchtdiode als Spannungsregler

 

Wird der Vorwiderstand durch einen ersetzt mit einem größeren Wert, sinkt der Strom durch die Leuchtdiode. Die Spannung aber, bleibt trotzdem konstant. Nur die Leuchtkraft der LED nimmt ab.

Bei der Strommessung zeigt sich, dass der Strom sich ungefähr halbiert. Wer mit Hilfe des ohmschen Gesetzes kurz die Spannung am Widerstand errechnet, wird zu dem Schluss kommen, dass die LED-Spannung gleich bleibt.

 

Eine Messung an der Diode zeigt sich, dass die Spannung tatsächlich nahezu konstant bleibt. Selbst wenn wir den Vorwiderstand noch weiter erhöhen, z.B. gegen einen Wert von 2,2 kOhm, ändert sich die LED-Spannung nur sehr geringfügig.

Diesen Effekt kann man nutzen um z.B. eine Batterieüberwachung zu realisieren. Man muss nur die LED-Spannung mit der Batteriespannung vergleichen. Ist der Unterschied zu gering, gibt es einen Alarm.

 

 

Gruppenschaltungen von LEDs

 

Hin und wieder kommt es vor, dass man mehrere Leuchtdioden gleichzeitig anschließen möchte. Dafür kann man natürlich die nebenstehende Schaltung verwenden.

Das Problem hierbei ist nur, dass man für jede LED auch einen Widerstand benötigt. Man müsste doch die Widerstände zusammenfassen können, sofern die Daten der Leuchtdioden gleich sind.

 

Dies ist auch möglich. In dieser Schaltung schalten wir einfach die Dioden parallel und versorgen alle über einen kleineren Gesamtwiderstand. Diese Art, mehrere Leuchtdioden gleichzeitig zu betreiben ist aber sehr ungünstig.

Wer sich einmal die Mühe macht und die zu erwartende Verlustleistung am Widerstand errechnet, wird schnell bemerken, dass diese nicht gerade gering ist. Nun stelle man sich das Ganze einmal mit 50 oder 100 Leuchtdioden vor. Dann hat man, neben dem LED-Strahler, auch gleich noch eine kleine Heizung als Bonus.

Des Weiteren ist diese Schaltung auch nicht sehr sicher. Wenn eine LED ausfällt, muss der Strom, den die defekte LED aufgenommen hätte, auf die übrigen verteilt werden. Dadurch könnte es passieren, dass auch die restlichen Leuchtdioden überlastet sind und es so zum Dominoeffekt kommt und nach und nach alle LED 'durchbrennen'.

 

 

Die beste Möglichkeit, Leuchtdioden in Gruppen zu betreiben ist in nebenstehender Schaltung zu sehen. Man teilt einfach die Betriebsspannung durch die Betriebsspannung einer LED und kann dann die Zahl an Dioden in Reihe schalten. Mit Hilfe der Restspannung und dem gewünschten Diodenstrom kann man dann den Vorwiderstand bilden.

Bei dieser Kombination wird der Widerstand nur sehr gering belastet und die vorhandene Energie bestmöglich zur Lichterzeugung genutzt. Will man mehrere LED-Reihen verwenden, sollte man jeden Strang mit einem einzelnen Widerstand versehen. So ist garantiert, dass bei Ausfall eines Stranges, die anderen nicht in Mitleidenschaft gezogen werden.

 

 

Die Leuchtdiode als Polaritätsanzeige

 

 

Wie bereits oben schon erklärt, verhält sich die LED im Prinzip wie eine Diode. Diesen Effekt kann man auch sinnvoll nutzen. Schalten wir 2 Leuchtdioden antiparallel, haben wir eine Polaritätsanzeige. Bei dieser Schaltung ist die niedrige Sperrspannung einer Diode nicht mehr relevant, da die Spannung höchstens einen Wert annimmt, welche die aktive Leuchtdiode in Durchlassrichtung hat.

Wird, wie hier, für die richtige Polung eine grüne und für die falsche Polung eine rote Leuchtdiode verwendet, zeigen uns diese an, ob die Batterie richtig angeschlossen wurde. Ist das der Fall leuchtet die grüne LED auf. Bei falsch gepolter Batterie strahlt die rote Diode.

Diese Schaltungsart findet man auch oft bei Statusanzeigen in Operationsverstärkerschaltungen. Hier zeigen die LEDs den Status für z.B. Wert ok/Nicht ok an.

Diese Kombination von Leuchtdioden, kann man auch mit nur einem Gehäuse bekommen. Diese nennen sich dann Duo-LEDs. Im Lehrgang Duo-LEDs - Aus zwei mach eins findet man noch weitere Infos für diese Art der LED-Verschaltung.

 

 

Andere Farbe - andere Spannung

 

Bisher haben wir die genaue Betriebsspannung der Leuchtdiode weniger beachtet. Es wurde, bei einer Betriebsspannung von 9V, einfach ein Vorwiderstand von 470 Ohm verwendet und die LED leuchtete. Aber jede LED-Farbe hat eine leicht abweichende Betriebsspannung, wovon man wissen sollte. Diese ist zwar selten Relevant, aber es gibt Situationen, wo man auf die Durchflussspannung der LED achten muss.

 

 

Um diese Spannung einmal näher zu untersuchen, wird einfach einmal eine Grundschaltung mit Leuchtdiode und Vorwiderstand aufgebaut.

Anschließend stecken wir nun nacheinander LEDs mit verschiedenen Farben in die Schaltung. Z.B. rot, grün und gelb. Hierbei messen wir dann jedes Mal den Spannungsabfall.

Hier wird man feststellen, dass die Spannungen der einzelnen Leuchtfarben untereinander variieren. Bei roten LEDs messen wir z.B. ca. 1,6-2,1V, grüne LEDs ergeben 2,1V und gelbe Leuchtdioden stellen sich auf 2,2V ein.

Diese Spannungsunterschiede müssen bei einigen Situationen beachtet werden.

 

 

Bei diesem Aufbau sollte man erst einmal die grüne LED alleine lassen und anschließend die rote Leuchtdiode dazu stecken.

In dem Moment, wo man dies getan hat, geht die grüne LED aus oder wird sehr schwach. Warum ist dies so?

Wenn man sich die letzten Messungen ansieht, hat die rote Leuchtdiode eine geringere Durchflussspannung als die grüne. Wird nun die rote dazu geschaltet, stellt sich die Spannung auf diesen geringeren Wert ein, was zur Folge hat, dass diese Spannung für die grüne Leuchtdiode nicht mehr ausreicht und diese somit verlischt oder gerade so eben leuchtet.

 

 

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