Hier geht es um das Thema LED-Grundlagen, LED-Schaltungen für Einsteiger und erste Schritte mit LEDs. Ich wurde schon einige Male gefragt, wofür und wie LEDs eigentlich eingesetzt werden. Deshalb soll an dieser Stelle ein kleiner Artikel folgen, der von den einfachsten Grundlagen beim Umgang mit Leuchtdioden handelt.
LED-Grundlagen beim Einsatz
Wie Sie vielleicht schon gehört haben, handelt es sich bei den Leuchtdioden (kurz LEDs) um Halbleiterbauteile, die nicht ganz unempfindlich sind, wenn sie nicht richtig eingesetzt werden. So nehmen es Ihnen die LEDs beispielsweise relativ schnell übel, wenn sie an zu hohen Spannungen bzw. mit einer zu hohen Stromstärke betrieben werden. Außerdem sollten Sie wissen, dass LEDs genauso wie andere Arten von Dioden den Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Hier sind einige wichtige Punkte, die beim Umgang mit den modernen Lichtquellen zu beachten sind:
- LEDs dürfen nur mit einem Vorwiderstand betrieben werden (dazu gleich noch mehr). Der Vorwiderstand ist notwendig, um die Stromstärke zu begrenzen, mit welcher der Strom durch die LED fließt.
- Die Polarität (Plus und Minus bzw. Anode und Kathode) beachten, sonst fließt kein Strom und die LED leuchtet nicht.
- Leuchtdioden benötigen eine gewisse Mindestspannung, damit Sie funktionieren. So lassen sie sich beispielsweise nicht an einer Batteriezelle mit 1,5 Volt direkt betreiben (lediglich mit einer entsprechenden elektronischen Schaltung, die aus den 1,5 Volt eine höhere Spannung macht).
- Einige LEDs müssen während des Betriebs gekühlt werden. Das gilt zum Beispiel für Hochleistungs-LEDs für Beleuchtungszwecke.
- Es gibt neben den herkömmlichen (einfarbigen) LEDs noch Spezial-LEDs, beispielsweise blinkende LEDs oder solche mit Farbwechseln. Diese Leuchtdioden werden hauptsächlich für Signalzwecke oder Lichteffekte eingesetzt.
Soweit erst einmal zu den wichtigsten LED-Grundlagen und Dinge, auf die beim Umgang mit den Bauteilen geachtet werden sollte. Weiterhin finden Sie noch einige praktische Anwendungen bzw. erste Tests, wie Sie LEDs richtig und vor allem sinnvoll in eigenen Schaltungen einsetzen können.
Warum heute LEDs immer öfter zum Einsatz kommen
LEDs bieten gegenüber vielen anderen Lichtquellen wie beispielsweise Glühlampen oder Leuchtstoffröhren in Form von Energiesparlampen erhebliche Vorteile. Sie halten sehr lange (wenn sie richtig eingesetzt werden), sind sehr preisgünstig, vertragen im Gegensatz zu anderen Leuchtmitteln auch häufiges Ein- und Ausschalten und sind unempfindlich gegenüber Erschütterungen. Außerdem sind sie so vielseitig einsetzbar wie kaum eine andere elektrische Lichtquelle. So lassen sich die Leuchtdioden beispielsweise folgenden Bereichen einsetzen:
- Sie eignen sich zum Einsatz als einfache Kontrollleuchten in unterschiedlichsten Formen, Farben und Größen.
- In Sonderformen lassen sie sich sogar als Ziffernanzeigen einsetzen.
- Heute gibt es LEDs mit den unterschiedlichsten Leuchtfarben, so dass sie sich für den Einsatz als Dekoelemente sehr gut eignen.
- LEDs haben inzwischen auch sehr hohe Lichtstärken erreicht, so dass sie sich für den Einsatz als Alternativen zu anderen Leuchtmitteln oder als Hintergrundbeleuchtung und für Displays (beispielsweise in Fernsehgeräten) einsetzen lassen.
- Außerdem eignen sich die Leuchtdioden sehr gut für den Einsatz als Durchgangsprüfer, Spannungs- oder Polaritätsanzeigen.
Es folgen nun einige praktische Anwendungszwecke für Leuchtdioden, darunter eine einfache Betriebsanzeige, ein Durchgangsprüfer oder eine Anzeige für eine durchgebrannte Sicherung, um nur einige Beispiele zu nennen.
LED-Grundlagen, Basteln mit LEDs
Eine LED benötigt ebenso wie eine Glühlampe nur eine einfache Spannungsquelle, um eingesetzt werden zu können. Sie müssen lediglich wissen, wie Sie die LED mit der Spannungsquelle verbinden müssen und was dabei zu beachten ist, damit die Leuchtdiode nicht sofort beschädigt wird. Die folgende Abbildung zeigt eine Leuchtdiode und das dazugehörige Schaltzeichen. Hier sehen Sie die beiden Anschlüsse Anode und Kathode. Sie sollten diese Anschlüsse kennen, damit Sie die LED richtig mit der Spannungsquelle (beispielsweise mit zwei einfachen Batteriezellen) betreiben können.
Die LED im Bild oben wurde mit einem Netzteil mit einstellbarer Stromstärke betrieben. Um die LED beim regulären Betrieb vor einer zu hohen Stromstärke zu schützen, müssen Sie einen Vorwiderstand einsetzen, wie im Schaltbild links zu sehen. Der Widerstandswert hängt von der Versorgungsspannung der Schaltung sowie von der Betriebsspannung der LED und deren Stromstärke ab. Nehmen wir an, Sie möchten eine LED mit einer Nennspannung von 2,1 Volt an einer Stromquelle mit 12 Volt betreiben, wobei die LED eine Stromaufnahme von 20 Milliampere (0,02 Ampere) hat.
Der Widerstandswert wird so berechnet: Betriebsspannung minus LED-Spannung geteilt durch LED-Strom. Im Beispiel würde die Rechnung also wie folgt lauten: 12V – 2,1V = 9,9V, 9,9V : 0,02A. Heraus kommen 495 Ohm. Sie müssen aber nicht unbedingt einen Widerstand mit genau 495 Ohm verwenden. Sie können auch einen Widerstand mit dem nächsthöheren Wert verwenden, beispielsweise 560 Ohm. Auch mit einem Widerstand mit 1000 Ohm (1 Kiloohm) würde die LED wahrscheinlich noch hell genug leuchten.
Der Widerstand wird einfach zwischen den Pluspol der Spannungsquelle und dem der LED (Anode, siehe Schaltbild) geschaltet. Im Bild wurde eine grüne LED über den Vorwiderstand (470 Ohm) mit einer Spannung von 12 Volt verbunden. Ein Test zeigte, dass die LED auch mit einem Widerstand in Höhe von 1 Kiloohm noch ausreichend hell leuchtete. Der Vorteil bei der Verwendung eines höheren Widerstandswertes ist der, dass die Stromaufnahme der LED Anzeige noch etwas geringer ist.
Dies ist vor allem dann praktisch, wenn LEDs beispielsweise als Kontrollleuchten in Geräten mit Batteriebetrieb eingesetzt werden sollen. Möchten Sie mehrere LEDs an einer Spannungsquelle betreiben, sollten Sie diese in Reihe schalten und über einen entsprechenden Vorwiderstand betreiben. Wichtig dabei ist es, dass die LEDs alle die gleichen elektrischen Anschlusswerte haben. Zur Berechnung des Widerstandswertes müssen Sie die Einzelspannungen der LEDs zusammenzählen und von der Betriebsspannung abziehen. Dann wird die auf diese Weise errechnete Spannung durch die Stromstärke der LEDs (bzw. die einer einzelnen LED, beispielsweise 20 Milliampere) geteilt.
Die errechnete Spannung ist übrigens die Spannung bzw. der Teil der Betriebsspannung, der am Vorwiderstand anliegt. Der Widerstand sollte eine ausreichende Leistung vertragen, die sich aus der an ihm anliegenden Spannung und der Stromstärke errechnet. Im Beispiel handelte es sich um 9,9 Volt bei einer Stromstärke von 0,02 Ampere. Wird diese Spannung mit der Stromstärke multipliziert, ergibt sich daraus eine Leistung von 0,198 Watt. Ein Widerstand mit einer Leistung von einem Viertelwatt reicht in diesem Fall also aus, um hier als Vorwiderstand eingesetzt werden zu können.
Einfache Polaritätsanzeige mit LEDs
Da eine LED den Strom nur in einer Richtung fließen lässt, eignet sie sich sehr gut zum Einsatz als Polaritätsanzeige. Sie müssen lediglich zwei LEDs verdreht einsetzen (jeweils Anode und Kathode beider LEDs verbinden) und zusammen mit einem gemeinsam Vorwiderstand an die Spannungsquelle mit der zu prüfenden Polarität anschließen, wie dies in der Abbildung oben geschehen ist. Je nach Polarität leuchtet dann entweder die eine oder die andere LED auf. Durch den Widerstand fließt immer nur der Strom einer LED, es sei denn, Sie schließen die Schaltung an eine Wechselspannung an. Zwar fließt dann der Strom der zwei LEDs durch den Widerstand, allerdings dürfte dies bei einem kurzzeitigen Betrieb nichts ausmachen.
LED als Kontrolle für eine durchgebrannte Sicherung
Eine LED lässt sich auch sehr gut als Signalleuchte für eine durchgebrannte Sicherung einsetzen. Im Beispiel oben wird ein elektrischer Verbraucher an einer Betriebsspannung in Höhe von 12 Volt betrieben. Solange die Sicherung intakt ist, fällt einem der LED (mit Vorwiderstand) keine Spannung ab, weshalb sie auch nicht leuchtet. Brennt die Sicherung durch (im Bild wurde dies quasi simuliert, in dem die Sicherung gelöst worden ist) fließt der Strom durch die LED mit Widerstand und durch die Glühlampe. Es besteht nun praktisch eine Reihenschaltung zwischen Widerstand, LED und Glühlampe.
Da die LED eine deutlich geringere Stromaufnahme hat als die Glühlampe, leuchtet sie, während die Glühlampe dunkel bleibt. Wichtig bei dieser Schaltung ist es, dass die LED einen zur Betriebsspannung der Schaltung passenden Vorwiderstand erhält. Die Schaltung sollte aus Sicherheitsgründen nur bei Sicherungen für mit geringeren Betriebsspannungen ausgelegten Verbrauchern zum Einsatz kommen und nicht in Geräten zum Betrieb an 230 Volt. Soweit erstmal zu den LED-Grundlagen.
