4 Leuchtdioden an Wechselspannung
5.
Led an 230 V AC
6.
Kontante
Stromregelung
Die am meisten benutzt und damit wohl die wichtigste Eigenschaft ist, dass Leuchtdioden Licht emittieren.
Leuchtdioden , umgangssprachlich als Led's bezeichnet haben einen von der angelegten Spannung abhängigen Widerstand,
damit ändert sich der Strom in Abhängigkeit der angelegten Spannung.
Weiter ändert sich die benötigte Spannung auch durch die Umgebungstemperatur und auch durch die Eigenerwärmung,
und in kleinen Teilen sogar vom Umgebungslicht.
Dabei kann man sich die Led als Heißleiter vorstellen, also je wärmer eine Led umso mehr Strom fließt.
Und wenn dann mehr Strom fließt wird sie wiederum wärmer und es fließt noch mehr Strom, das geht so weiter bis sie sich
selbst zerstört.
Um das zu verhindern muss der Strom begrenzt oder geregelt werden.
Nun, das ist mit der heutigen Technik grundsätzlich kein Problem wohl aber wenn es darum geht Verluste so gering wie
möglich zu halten.
In der Regel werden Led's an Gleichspannung betrieben, was aber keine Voraussetzung ist.
Es gibt sie mittlerweile in vielen Formen und Farben, und vor allem in immer höheren Leistungswerte.
Die ersten Standard Leuchtdioden gab es in den Farben Rot, Grün, Gelb,mit einen Standard Stromverbrauch von 20 mA,
später dann kamen die Farben Blau und Weiß hinzu.
Moderne Leuchtdioden benötigen nur noch ca 2 mA um die gleiche Leuchtstärke zu erzielen wie alte mit 20mA Stromverbrauch
Beim Anschluss einer LED muss grundsätzlich die Polung beachtet werden.
Der Minus-Anschluss heißt Kathode und liegt am kürzeren Anschlussdraht.
Der Plus-Anschluss ist die Anode und liegt am längeren Anschlussdraht.
Im Inneren der LED erkennt man einen Kelch artigen Halter für den LED-Kristall,
der meist an der Kathode liegt.
Der Anoden Anschluss ist mit einem extrem dünnen Drähtchen mit einem Kontakt
auf der Oberseite des Kristalls verbunden.
Werden Leuchtdioden mit den im Datenblatt angegebenen Parameter betrieben haben
sie ein sehr lange Lebensdauer.
Dabei sind die wichtigsten, die Durchlassspannung meist als U_Forward für Vorwärtsspannung
und der Durchlassstrom I_Forward als Vorwärtsstrom bezeichnet.
Einmal die 3,3 Volt Spannung die den Mittelwert der benötigten Spannung angibt
und rechts daneben der dazu fließende Strom von 20mA .
Da es sich bei einer Leuchtdiode um einen Halbleiter handelt,
und Halbleiter einen nicht linearen Widerstand haben,
was soviel heißt wie das sich der Widerstand nicht linear zur angelegten Spannung verhält,
muss der Strom durch einer Leuchtdiode geregelt oder zumindest in seiner Höhe reduziert werden.
Dazu sollte man zumindest den maximalen Strom durch einen vorgeschalteten Widerstand begrenzen,
oder durch andere Maßnahmen den Strom regeln.
Die Begrenzung des Stromes durch einen vorgeschalteten Widerstand hat
den Vorteil das es einfach zu bewerkstelligen ist und mit nur einen zusätzlichen Bauteile aus kommt.
Der Nachteil ist das Spannungsschwankungen durch die Betriebspannung , also durch die
Batterie und auch Stromschwankungen durch Eigenerwärmung der Bauteile usw. nicht ausgeglichen
werden und sich in Form von höhere Verluste oder sogar durch Schwankungen in der Helligkeit der
Led bemerkbar machen.
Um also eine Leuchtdiode korrekt an zu schließen sollte man eine Stromregelung vorsehen.
| Daten
einer Grünen Led |
||
| Color |
Green |
Die Farbe |
| Forward Voltage(UF) |
2,3 V |
Die Spannung die man maximal anlegen darf
ohne einen Vorwiderstand zu benutzen |
| Forward current (IF) |
20 mA |
Der Strom der fließen darf um die
Leuchtdiode nicht zu beschädigen |
| Peak Forward Voltage |
3,2 V |
Die Spannung die man maximal für Sekundenbruchteile anlegen kann. |
| Reverse Voltage |
5 V |
Maximal anliegende Spannung wenn Plus an
der Kathode und Minus an der Anode anliegt |
Rechts ist der Spannungs/Stromverlauf einer weißen 20mA Leuchtdiode zu sehen.
Mann erkennt den Verlauf der Spannung (gelbe Linie), und den Stromverlauf (blau Linie).
Sieht man sich die gelbe Kennlinie an so erkennt man angefangen an der linken Seite
wie die Spannung langsam ansteigt.
Wenn die Spannung ungefähr die 2,4 Volt erreicht sieht man das die blaue Linie langsam steigt
was den zunehmenden Strom in der Leuchtdiode anzeigt.
Zwischen 3,6 und 7 Volt nimmt die Spannung stetig zu, der Strom allerdings geht rasant nach oben.
Man kann also Leuchtdioden auch ohne Widerstand betreiben, muss aber genau die richtige
Spannung zu Verfügung stellen damit in der Leuchtdiode keinesfalls die Nennstromstärke
überschritten wird.
In diesem Fall waren die 20 mA bei einer Spannung von ziemlich genau 3,65 Volt erreicht.
Viele Leuchtdioden werden auch nicht merklich heller wenn sie mehr als ihre zulässige Spannung
bekommen.
Wenn sie aber nicht heller werden, müssen sie die zugeführte Menge an mehr Energie in Form von
Wärme loswerden.
Im Unterschied zu einigen anderen Bauteilen verändert die Leuchtdiode ihren Innenwiderstand je
nach angelegter Spannung.
Was der Grund dafür ist, das man einen Vorwiderstand einsetzt oder besser noch den Strom regelt
um auch eventuelle Schwankungen der Betriebsspannung mit auszugleichen.
Hat man Spannungsquellen die keine Spannungs Toleranz nach oben hin haben zum Beispiel
eine Batterie reicht aber ein Vorwiderstand weil der Strom nicht höher werden kann.
Am Beispiel einer grünen Leuchtdiode wird der benötigte Vorwiderstand berechnet.
Angenommen die Batterie hat eine Spannung von 12 Volt, so wird die Durchlassspannung der Grünen Led mit
2,3Volt von dieser Batteriespannung subtrahiert und somit bleiben 9,7 Volt übrig.
Da wir eine vorgegeben Strom von maximal 20mA benötigen rechnen wir nach dem alten Grundsatz
R= U/I.
Also Widerstand = 9,7 Volt dividiert durch 0,02Ampere = 485 Ohm.
Es wird somit einen minimalen Widerstand von 485 Ohm benötigt.
Da es in der Regel keine Widerstände mit diesen Wert gibt, nimmt man
um auf der sicheren Seite zu bleiben den nächst höheren Widerstandswert.
20 mA ist dabei meist der im Datenblatt angegebene Maximalwert des Stromes.
In der Regeln reicht aber meist auch ein Strom der um einiges kleiner ist.
Es gibt nur einen Weg vom Pluspol über die Verbraucher zum Minuspol,
also keine Verzweigungen.
Weil es nur einen Weg gibt, ist der Strom durch jedes Bauteil gleich.
Aus diesen Grund wird nur ein Widerstand benötigt um den gesammten Strom zu reduzieren.
12Volt - 2,3 Volt - 2,3V - 2,3 Volt - 2,3 Volt= 2,8 Volt
R= U/I = 2,8Volt/ 20mA = 140 Ohm
in Reihe zu schalten.
Bei den 5 Leuchtdioden handelt es sich um sogenannte "Low current" Leuchtdioden
die mit einen Strom von 2 mA zu betreiben sind.
Wenn die Spannungsquelle genau 11,54 Volt bereitstellt, kann diese Schaltung auch ohne
Vorwiderstand angeschlossen werden.
Sollte die Spannung höher sein , muss dann ein Vorwiderstand eingesetzt werden oder aber
der Strom auf andere Art irgendwie geregelt werden.
Es wäre nun möglich mit einen einzelnen Widerstand zu arbeiten den man direkt in die Versorgungsleitung der Batterie einsetzt,
was aber den Nachteil besitzt das durch Bauteil Toleranzen einzelner Leuchtdioden ,
einer der beiden Zweige mehr Strom bekommt als der andere Zweig und damit die Belastung in einem Zweig größer ist was
die Lebensdauer der Leuchtdioden einschränken würde.
Bei
Leuchtdioden die an Wechselspannung angeschlossen werden muss man
beachtendas bei dieser Schaltung, bei der positiven Halbwelle über die Leuchtdiode eine Spannung von
ca. 2,8 Volt abfällt begrenzt durch den Vorwiderstand.
Bei der negativen Halbwelle allerdings liegen die ganze -10 Volt Spitzenspannung über die Leuchtdiode.
In der Regel halten die Dioden Spitzenspannungen bis -30 Volt
problemlos aus.
Man sollte aber sicherheitshalber das Datenblatt zu Rate ziehen.
Oft sterben Leuchtdioden wenn sie an Wechselspannung betrieben werden
nicht an die eigentliche Wechselspannung sondern durch Spannungsspitzen die meist
beim ein/ausschalten der vorgeschalteten Transformatoren oder durch das entladen
von Kondensatoren enstehen.
Diese Schaltung sollte man etwas abändern um die Leuchtdiode nicht zu zerstören.
Eine Möglichkeit wäre es parallel zu LED1 aber in umgekehrter
Richtung ein zweite Leuchtdiode zu platzieren.
Man sieht dass durch das hinzufügen einer weiteren Leuchtdiode
sich der Spannungsverlauf ( Blaue Line) insoweit ändert das
bei Positiver , wie auch bei der Negativen Halbwelle nur noch eine maximal Spannung
von 2,5 Volt über die Leuchtdioden abfällt und so deren Überleben sichert.
Anstatt einer weitere Leuchtdiode kann man auch eine ganz gewöhnlich Diode nutzen.
Um eine Leuchtdiode an 230 Volt Wechselspannung zu betreiben, also direkt an unserer Steckdose, ist es notwendig den Strom so zu verringern
das die Leuchtdioden keinen Schaden nehmen.
Um den Strom zu verringern könnte man nun einen Widerstand nutzen, das aber hat den Nachteil das im Widerstand eine relativ hohe Verlustleistung
entsteht.
Es wird also Strom in Wärme umgesetzt was meist nicht gewollt ist.
Nehmen wir das Beispiel einer Leuchtdiode die einen Strom von 20 mA benötigt.
Und gehen wir davon aus da es sich ja nicht um eine Gleichspannung
handelt sondern um eine Wechselspannung das wir als Spannung dann eine
Spitzenspannung von 230 * 1,414 = 325 Volt haben.
So müsste der Vorwiderstand 325 Volt minus Led Spannung
von 2,5 Volt = 322,5 Volt/ 0,02A=16,125 KOhm sein.
Die Verlustleistung des Widerstand würde dann 230V* 0,02A= 4,6 Watt betragen.
Die Leuchtdiode selber aber nur 0,05 Watt Leistung verbrauchen.
Die Leistungsaufnahme der Led steht also in einen nicht Verhältnis liegenden Bereich zur Verlustleistung.
Ein Kondensator hat ja einen gewissen Blindwiderstand bei 50 Herz den man quasi als Vorwiderstand nutzen kann.
Damit die Leuchtdiode aber keine Wechselspannung bekommt schalten wir eine zweite Leuchtdiode anders
herum parallel,so das jeweils eine Led nur eine Halbwelle der Wechselspannung bekommt.
Der Kondensator berechnet sich wie folgt:
Gegeben sind die Versorgungsspannung mit 230 Volt und der benötigte Strom von 20 mA.
Der benötigte Blindwiderstand ist R=U/I also 230/ 0,02Ampere = 11,5 KOhm
Und die Kapazität die bei einer Frequenz von 50 Hz genau diesen Widerstand besitzt
berechnet sich wie folgt:
Benötigter Strom / 2*Pi*f*U
also
0,02A/2*Pi*50Hz*230V = 276 nF.
In den beiden Zeichnungen sind allerdings 470 nF eingezeichnet ,was zu einen Strom von ca. 30mA führen würde.
Im Einschaltmoment würde der Kondensator einen starken Strom fließen lassen bis das er aufgeladen ist.
Um diesen Einschaltstrom klein zu halten wird zur Sicherheit noch ein 220 Ohm
Widerstand eingesetzt.
Beim Kondensator sollte man unbedingt beachten das er auch für die Netzspannung von 230V ausgelegt ist.
Um mehre Leuchtdioden an einer 230 Volt Wechselspannung an zu schließen , kann man sich der nächsten Schaltung bedienen.
Da es sich bei den 230 Volt um eine Effektivspannung handelt, also der Mathematische Ausgleich ( Durchnittswert) eines Sinus,
sollte hier immer mit der Spitzenspannung gerechnet werden.
Also 230 * (Wurzel aus 2) = 230 Volt mal 1,414= 325Volt
Eine Industrieschaltung ,entnommen aus einer defekte Lampe mit E27 Fassung
Da es sich bei den 230 Volt um eine Effektivspannung handelt, also der Mathematische Ausgleich ( Durchnittswert) eines Sinus,
sollte hier immer mit der Spitzenspannung gerechnet werden.
Also 230 * (Wurzel aus 2) = 230 Volt mal 1,414= 325Volt
Eine Industrieschaltung ,entnommen aus einer defekte Lampe mit E27 Fassung
Und hier eine Led Schaltung für 24 Volt Wechselspannung.
um Leuchtdioden an zu steuern.
Bei einer solchen Schaltung wird der Strom immer auf eine bestimmte Größe geregelt unabhängig wie hoch die anliegende
Betriebsspannung ist, und auch unabhängig davon ob bei eventuell parallel geschalteten Leuchtdioden einige ausfallen.
Das funktioniert aber in aller Regel nur in einem bestimmten Spannungsbereich.
Durch den Spannungsregler wird ein Konstanter Strom erzeugt dessen Höhe vom Regler und Widerstand abhängig ist.
Der Widerstand berechnet sich folgendermaßen:
Angegebene Spannung des Reglers geteilt durch benötigten Strom, also in dem hier gezeigten Fall
5 Volt / 0,02 Ampere = 250 Ohm
Da es besser ist die Led mit etwas weniger Strom zu betreiben als der angegebene Höchst strom und es nicht einfach ist einen
250 Ohm Widerstand zu bekommen, nehmen wir den etwas größeren von 330 Ohm.
Die zulässige Eingangsspannung ist nur abhängig vom verwendeten Regler, und da sollte man sich das Datenblatt des Reglers zur Rate ziehen.
Durch die beiden Dioden D1 und D2 wird eine weitgehend konstante Spannung festgelegt, die abhängig der verwendeten Dioden ungefähr
1,1 Volt beträgt.
An der Basis-Emitterstrecke des Transistor fallen in etwa 0,7 Volt ab.
Fließt nun ein Strom durch die Leuchtdioden
fällt am Widerstand R1 je nach Strom auch eine Spannung ab.
Je größer der fließende Strom umso größer der Spannungsabfall an R1.
Die Spannung über die Dioden D1 und D2 ist gleich groß wie wie Addition der Spannung vom Basis-Emitter inklusive der abfallenden Spannung
über R1.
Verändert sich nun die Spannung über R1 durch eine Verringerung oder Vergrößerung des Strom im Kollektor-Emitter Pfad,
verändert sich gleichzeitig die Basis Emitter Spannung um die Spannungsverhältnisse wieder der Spannung über den Dioden D1 und D2
anzugleichen.
Diese Regelung arbeitet mit den vorgegebenen Werten bei einer Betriebsspannung ab ca 4 Volt bis 30 Volt.
Es ist auch möglich noch zusätzliche Leuchtdioden in Reihe zu setzen, dadurch geht die minimale Betriebsspannung allerdings um den jeweiligen Wert
der Leuchtdioden Durchlassspannung nach oben.
Also muss die Betriebsspannung bei jeder mehr eingesetzten Leuchtdiode,
um den Betrag der Durchlassspannung der jeweiligen Diode erhöht werden.
Die Berechnung des Widerstand R1:
Spannung über beide Dioden (D1+D2) minus die Basis-Emitterspannung = Spannung über R1
also 1,1 Volt Minus 0,69 Volt= 0,41Volt
Widerstand R1 = Spannung / Strom ( 0,41Volt/0,015 A) = 27 Ohm
Der Widerstand sollte also in etwa 27 Ohm betragen bei einen Leuchtdiodenstrom von 15 mA.
In der hier vorliegenden Schaltung ist ein Widerstand von 47 Ohm eingesetzt womit der Strom dann in etwa
8 mA beträgt.
| Betriebsspannung/Volt |
Kollektorstrom /mA bei 2 Leuchtdioden |
Kollektorstrom/mA bei 1. Leuchtdiode |
| 4,2 |
3,47 |
6,02 |
| 4,8 |
6,12 |
6,28 |
| 6,0 |
6,57 |
6,75 |
| 7,0 |
6,88 |
7,08 |
| 8,0 |
7,43 |
7,40 |
| 9,0 |
7,52 |
7,69 |
| 10,0 |
8,22 |
7,98 |
| 11,0 |
8,36 |
8,27 |
| 12,0 |
8,54 |
8,55 |
| 13,0 |
8,75 |
8,81 |
| 14,0 |
8,97 |
9,06 |
| 15,0 |
9,21 |
9,30 |
| 16,0 |
9,47 |
9,55 |
| 17,0 |
9,70 |
9,81 |
| 18,0 |
9,94 |
10,03 |
| 19,0 |
10,18 |
10,26 |
| 20,0 |
10,41 |
10,53 |
Abb.1Diese Stromregelung (Abb.1) kann eine Led mit einer Spannung zwischen 2, 5 und 30 Volt versorgen.
Ein verhältnismäßig geringer Strom (Abb.2) fließt durch R1 in die Basis von T2 und schließt
damit die Emitter-Kollektor Strecke von T2.
und anschließend durch den Transistor T2 und durch den Widerstand R2
zum Negativen Pol der Spannungsversorgung.
Durch den Stromfluss durch Widerstand R2 fällt an diesen nun eine Spannung ab.
Diese Spannung sorgt dafür das die Basis von T1 (Abb.4) nun positiver zum Emitter von T1 ist.
Je höher der Strom durch die Led , um so höher der Spannungsabfall über R2 und damit
auch höher an der der Basis von T1 bis der Strom
eine Höhe erreicht die den Transistor T1 durchsteuert.
Damit wird die Kollektor-Emitter Strecke von T1 leitend und legt die Basis von T2 nahezu auf Masse.
T2 ist damit nicht mehr voll angesteuert und verringert den Stromfluss durch die Leuchtdiode.
Der Strom in der Leuchtdiode kann damit nicht weiter ansteigen.Abb.3
Abb.4Mit diesem Licht kann man bestimmte Dinge besser sichtbar machen.
Die Polizei benutzt es beispielsweise um Blutspuren sichtbar zu machen.
Unter anderem kann man damit sehr gut unterscheiden welche menschliche Zähne echt sind und welche nur noch als Fake existieren
Dabei ist das Licht für das menschliche Auge teilweise unsichtbar.
Es handelt sich um Wellenlängen von 860 bis 940 nm, wobei die Wellen um die 940 nm
für uns nicht mehr sichtbar sind.
Diese Leuchtdioden benutzt man beispielsweise in Fernbedienungen,
Kameras, Nachtsichtgeräte usw.
Weil das Licht meist nicht zu sehen ist kann man einfach den Strom messen um fest zu stellen ob diese
Led leuchtet oder nicht.
Eine einfache Möglichkeit ist es die Infrarot Leuchtdiode durch eine Kamera oder Smartphone an zu sehen
Die meisten Kameras können auch Infrarot Licht sichtbar machen
IR Scheinwerfer
Es wird hier nicht der Strom oder die Spannung geregelt, sondern die Led der Taschenlampe wird je nach gewünschter Helligkeit
sehr schnell Ein und Aus geschaltet.
Wobei die Zeit der Ein bzw der Aus Phase der gewünschter Helligkeit angepasst wird.
Daraus wird dann ein Mittelwert gebildet.
Das geschieht so schnell das es für das menschliche Auge nicht mehr als Ein/Aus sichtbar ist, der Mensch sieht es nur als hell oder dunkel an.
Der Vorteil ist eine fast verlustfreie Regelung und das ist natürlich gerade bei Batterie betriebenen Geräten von Relevanz.
Der Nachteil ist das ein flimmern auftritt das unter normalen Umständen zwar nicht zu erkennen ist,
wohl aber wenn schnell bewegende Objekte angeleuchtet werden.
So können diese unter Umständen als scheinbar still stehend wahr genommen werden.
Feststellen kann man dies ganz einfach indem ein sich drehender Lüfter angeleuchtet wird.
Dann erkennt man deutlich ein Geschwindigkeitsänderung bis hin zum scheinbaren Stillstand des selbigen.
Leuchtdioden können nicht nur Licht abgeben wenn sie eine Spannung erhalten, sondern sie können auch revers arbeiten ,
also Spannung abgeben wenn sie Licht aufnehmen.
Dazu wird als kleiner Versuch die Leuchtdiode an ein Vielfachmessgerät angeschlossen und die Spannung gemessen sobald Licht auf die Leuchtdiode auftrifft.
Je nach Leuchtdiode und Lichtintensität kommt man so auf Spannungen bis zu 400mV und einen Strom um die 0,5 uA.
