Leuchtdioden kommen beim Elektronikbasteln sehr häufig zum Einsatz. In der Vergangenheit wurden sie wegen ihrer geringen Leuchtkraft hauptsächlich als Signalgeber eingesetzt. Heute gibt es viele leistungsfähige Exemplare, so dass z. B. auch lichtstarke Autoscheinwerfer damit bestückt werden können. Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben, Größen und Bauformen. Je nach Farbe besteht der Halbleiterkristall einer Leuchtdiode aus unterschiedlichen Materialien. 

LED sind Halbleiter

Auch wenn die LED optisch einer kleinen Glühlampe ähnelt, sind sie technisch etwas völlig anderes. Verwandt sind sie mit normalen Halbleiterdioden, nur dass ein Teil der elektrischen Energie in Durchlassrichtung zu sichtbaren Lichtwellen gewandelt wird. Wenn eine LED in Durchlassrichtung direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen würde, stellte sich ein Strom IF ein, der weit über dem zulässigen Maximalwert läge. Das gilt auch für geringe Spannungen, wie z. B. 5 V. Deshalb muss der Strom IF mittels Vorwiderstand eingestellt und begrenzt werden. Eine Standard-LED wird bei maximal 20 mA betrieben, wobei sie bereits bei 10 bis 12 mA die LED zu leuchten beginnt und ab ca. 15 mA die maximale Leuchtstärke erreicht ist. Es gibt auch sogenannte Low-Current-LED, die bereits ab ca. 2 mA leuchten. Das heißt aber nicht, dass ihre Leuchtkraft identisch mit einer Standard-LED bei 15 mA ist. Low-Current-LED sind in der Regel dunkler als Standard-LED. Doch als Signalgeber mit geringerem Eigenbedarf sind sie dennoch gut geeignet, z. B. für Batteriebetrieb. Der maximal zulässige Strom einer Low-Current-LED beträgt nach Herstellerangaben 8 bis 10 mA, damit lassen sich Standard-LED und Low-Current-LED nicht ohne Schaltungsanpassung untereinander austauschen.

Berechnung und Wahl des Vorwiderstandes

Bei der Verwendung einer LED ist zu beachten, dass die Durchlassspannung UF nach Hersteller und Ausführung der LED variiert. Insbesondere weiß und blau leuchtende LED haben hohe Durchlassspannungen von oft über 3 V. Ihr Einsatz bei kleinen Versorgungsspannungen, z. B. 5 V, ist bei der Dimensionierung von Vorwiderständen besonders zu beachten.

Schaltbild: Vorwiderstand und LED

Die Durchlassspannung UF ist die Spannung, die an der Diode abfällt. Somit verbleibt am Vorwiderstand lediglich die Spannungsdifferenz UR, wenn von der Versorgungsspannung Uges die Durchlassspannung UF angezogen wird.

Typische LED Durchlassspannungen UF

UR = Uges – UF

RV = UR / IF = (Uges – UF) / IF

Für den berechneten Wert RV muss ein geeigneter Standardwert gewählt werden. Es gibt diverse Widerstandsreihen. Die für den Hobbybastler wohl am meisten verwendete Widerstandsreihe ist die kostengünstige E12-Reihe, bei der die Werte eine Toleranz von +- 10 % aufweisen.

Widerstandsreihe E12, Toleranz +-10 %

Berechnungsbeispiel

Uges: 9 V DC

LED: rote Standard-LED mit UF = 1,8 V

IF gewählt: 15 mA

UR = Uges – UF = 5 V – 1,8 V = 3,2 V

RV = UR / IF = 3,2 V / 15 mA = 3,2 V / 0,015 A = 213 Ohm

Aus der E12-Reihe soll der nächsthöhere Wert gewählt werden, damit der gewählte Strom IF nicht überschritten wird: RV = 220 Ohm.

Berechnung und Wahl des Vorwiderstandes per Programm

Das kleine XProfan-Programm kann die im Beispiel gezeigte Berechnung und Bestimmung des Vorwiderstandes übernehmen. Dabei werden zwei Vorwiderstände für unterschiedliche Durchlassströme IF berechnet. In den Vorgabenwerten werden typische Durchlassströme für eine Standard-LED und eine Low-Current-LED verwendet.

Die Auflösung des Ausgabefensters orientiert sich an den weit verbreiteten Full HD Auflösungen von 1920x 1080 Pixel. Liegt nur eine geringere Auflösung vor, muss das Fenster entsprechend verkleinert und die Ausgabe angepasst werden.

Die Schaltungsausgabe erfolgt durch eine Bitmap-Anzeige, dafür sollte die Bilddatei am gleichen Ort wie das Programm gespeichert sein, damit keine zusätzliche Pfadangabe nötig ist.

Dieses kleine Programm sollte der Einfachheit halber im Interpreter-Modus ausgeführt werden (Aufruf mittels F7-Taste aus dem XProfan-Editor).

Die Ergebnisse speichert das Programm in der Textdatei ERGEBNISSE.TXT, die nach jeder Rechnung mit den neuen Werten überschrieben wird. Damit können mehrere Berechnungen leicht dokumentiert und mittels Editor oder Textverarbeitung zusammengefasst werden.

Das Programm verwendet sowohl Grafik- als auch Textausgabe im gleichen Fenster. Dafür brauchen keine Grafik-Modi gewählt oder gewechselt werden. Das ist eine besondere Eigenschaft von XProfan.

Hinweise:

• Ein Komma "," muss als Punkt "." eingegeben werden
• Soll der jeweilige Vorgabewert angewendet werden, reicht als Eingabe die "ENTER"-Taste
• Die Vorgabewerte lassen sich einfach an Ihren Bedarf anpassen

Download

• XProfan Freeware 11.2a – Website des Herstellers: xprofan.de
• Programm LED-Vorwiderstand.prf