Das LED 1x1

LEDs sind heutzutage überall verbaut, da sie häufig günstiger, langlebiger und deutlich effizienter als Glühbirnen sind. Die folgende Anleitung gibt Tipps im Umgang mit LEDs und deren Beschaltung.

Die LED ist in erster Linie eine Diode, die ebenso in einer Richtung leitend und in der anderen Richtung sperrend ist. Die Flussrichtung des Stromes ist von der Anode zur Kathode, der Spannungsabfall an der LED erfolgt ebenso von Anode zu Kathode. Die LED verfügt (genau wie eine Diode) über zwei Anschlüsse - die Anode (engl. Anode) und Kathode (engl. Cathode).

Spannungsabfall an der LED

Abhängig von Farbe und Bauart fällt an unterschiedlichen auch unterschiedlich viel Spannung ab - die sogenannte Flussspannung oder auch Vorwärtsspannung. An einer roten LED fallen typischerweise um die 2,3V ab, während eine Weisse LED ca. 3,6V benötigt. Die genauen Angaben zur benötigten Spannung kann man dem jeweiligen Datenblatt zur entsprechenden LED entnehmen - falls dies nicht gegeben ist, sind einige Richtwerte der Tabelle rechts angegeben.

Der Strom an der LED

Der Strom, der durch eine LED im normalen Betrieb fliessen sollte, ist abhängig von der LED - gewöhnliche Werte sind 2-5mA für sogenannte "Low Current" LEDs oder 20mA für solche, die zu Beleuchtungszwecken eingesetzt werden sollen.

Bei den sogenannten "High Power" LEDs findet man Werte, die von 100mA bis hin zu einigen Ampere reichen. Ab solch relativ hohen Werten erreichen die LEDs Temperaturen, bei denen sie gekühlt werden müssen, damit sie sich nicht selbst durch Erwärmung zerstören.

Der Strom an der LED sollte den vom Hersteller angegebenen Wert nicht überschreiten, denn dadurch kann die Lebensdauer erheblich eingeschränkt werden.

Der Vorwiderstand

Der Spannungsabfall an einer LED ist (relativ) konstant. Wenn man also die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen der LED erhöht, muss sich aufgrund dieser Gesetzmäßigkeit der Strom über die LED erhöhen. Wird eine LED hingegen mit zu viel Strom betrieben, erwärmt sie sich und wird über kurz oder lang zerstört.

Zum Schutz der LED (Strombegrenzung) muss also ein sogenannter Vorwiderstand eingesetzt werden. Der Vorwiderstand wird dabei so gewählt, dass an ihm bei gewünschter Betriebsspannung- und Strom gerade so viel Spannung abfällt, dass die LED mit der gewünschten Stromstärke betrieben werden kann.

Berechnung des Vorwiderstandes

Der Vorwiderstand ist abhängig von der benutzten LED. Wir wissen: Die Spannung, die an der LED abfällt ist konstant. Der Widerstand sollte also so ausgelegt werden, das bei gewünschtem Strom durch die LED an ihm der Rest der Spannung abfällt, den die Spannungsquelle uns liefert. Mit dem Vorwiderstandsrechner kannst Du ganz einfach den passenden Vorwiderstand ausrechnen.

Beispiel zur Berechnung

Wir wollen eine weisse LED, die laut Hersteller 20mA im normalen Betrieb benötigt und eine Flussspannung von 3,6V hat an eine Spannung von 5V anschliessen. An unserem Vorwiderstand müssen also die restlichen 1,4V bei 20mA abfallen (da 5V - 3,6V = 1,4V).

Aus dem Artikel zum Widerstand wissen wir: U = R * I, oder mit anderen Worten: Die Spannung ergibt sich aus Strom mal Widerstand. Da R (der Widerstandswert) unsere Unbekannte ist, stellen wir die Formel um: R = U/I.

Jetzt müssen wir nur noch die Werte für Spannung (U) und Strom (I) einsetzen, und haben unseren Vorwiderstand: R = 1,4V / 20mA = 1,4V / 0,020A = 70 Ohm

Tipps für die Praxis

Nicht immer hat man Widerstände zur Verfügung die genau dem ideal errechneten Wert entsprechen - ein 70 Ohm Widerstand ist in der Praxis z.B. eher ungewöhnlich. Hinzu kommt, das Widerstände und Spannungsquellen auch selten exakte Widerstandswerte oder Spannungen liefern (siehe auch Artikel zur E-Reihe)

Daher kann man bei der Berechnung des Vorwiderstandes etwas daneben liegen - eine LED leuchtet kaum merklich dunkler, wenn man diese mit 19 statt den angegebenen 20mA betreibt. So kann man anstatt des 70 Ohm grossen Widerstands aus dem obigen Beispiel getrost auch einen 75 Ohm Widerstand einsetzen, ohne erkennbare Verluste in der Leuchtkraft der LED.

TIPP: Der Vorwiderstandsrechner berechnet automatisch den richtigen Widerstand und schlägt den richtigen Widerstand aus der E-Reihe vor.

Betrieb mehrerer LEDs

Will man mehrere LEDs betreiben, ist es oftmals effizienter mehrere LEDs in Reihe zu schalten. Bei einer Reihenschaltung mehrere LEDs fällt mehr Spannung in den LEDs ab bei gleichbleibendem Strom. Auf diese Weise geht weniger Energie im Vorwiderstand verloren und wird durch die zusätzlichen LEDs in Licht umgewandelt.

Berechnung der Reihenschaltung

Bei einer Reihenschaltung fällt an jeder in Reihe geschalteten LED eine Flussspannung (U1...Un) ab. Daher müssen die Vorwärtsspannungen der einzelnen LEDs addiert werden.

Bei der Berechnung des Vorwiderstandes für die Reihenschaltung muss man berücksichtigen, dass nun insgesamt mehr Spannung an den LEDs abfällt. Der Vorwiderstand berechnet sich daher bei einer Reihenschaltung wie folgt:

UQuelle: Spannung am Eingang der Schaltung (z.B. Netzteil, Batterie, etc.)
U1 ... Un: Vorwärtsspannungen der einzelnen LEDs
I: Strom durch die LEDs
R = ( UQuelle - U1 - U2 ... Un ) / I

Bei einer Reihenschaltung können selbstverständlich nicht beliebig viele LEDs in Reihe geschaltet werden. Die Obergrenze für die Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs wird durch die Spannung der Spannungsquelle bestimmt.

Beispielrechnungen zur Reihenschaltung

Beispiel 1: An einer Quelle mit 12V sollen mehrere Weisse LEDs mit einer Vorwärtsspannung von je 3,6V bei 20mA betrieben werden. Daraus ergibt sich, dass man jeweils drei LEDs in Reihe schalten kann, denn drei LEDs mit je 3,6V Vorwärtsspannung haben in Reihe 10,8V (denn 3*3,6V = 10,8V). Im Vorwiderstand müssen also noch 1,2V (12V - 10,8V = 1,2V) bei 20mA abfallen. Der Vorwiderstand berechnet sich demnach wie folgt: R = (12V - 10,8V) / 0,02A = 60Ω.

Beispiel 2: Wir wollen eine Weiße LED mit 3,6V Vorwärtsspannung und eine Blaue LED mit 3,3V Vorwärtsspannung an ein Netzteil mit 5V Ausgangsspannung anschließen. Da die Flussspannungen beider LEDs zusammen genommen (6,9V) größer sind als die Spannung, die das Netzteil liefert, ist die Reihenschaltung hier nicht möglich.
Wir müssen hier also auf die gewöhnliche Beschaltung zurückgreifen und jede LED mit einem einzelnen Vorwiderstand versehen.

Candela und Leuchtkraft

Wenn man sich so umsieht was an handelsüblichen LEDs angeboten wird, sieht man oft die Begriffe "candela" oder "millicandela". Diese Werte allein sind eigentlich nichts weiter als Marketing - hier und da werden candela auch unnötigerweise in millicandela angegeben - so werden aus "mickrigen" 2cd plötzlich "riesige" 2000mcd - wahrscheinlich weil sich das besser verkaufen lässt...

Die candela Zahl gibt nur eingeschränkt Auskunft über die Leuchtkraft der LED - es kommt vor Allem auch auf den Öffnungswinkel an.
Es gibt viele LEDs die einen relativ kleinen Öffnungswinkel von vielleicht 10-20° haben - solche LEDs lassen sich allenfalls für eine Taschenlampe verwenden - für die diffuse Ausleuchtung einer Wohnung reicht dies jedoch nicht.

Fazit: Ein einfacher Vergleich der candela Werte allein reicht nicht aus, um zwei LEDs miteinander zu vergleichen - es kommt immer auch auf den Öffnungswinkel an. Eine LED mit 1cd bei einem Öffnungswinkel von 10° wird nur einen Punkt auf eine Wand projezieren können, aber eine LED mit gleichem candela Wert bei einem Öffnungswinkel von 120° schon eher für eine diffuse Beleuchtung tauglich ist.