LED-Vorwiderstand

Von meiner früheren Seite übernommen

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lesson 001: Der LED-Vorwiderstand


table of contents:
0x0001 - Allgemeines
0x0002 - Das Problem
0x0003 - Wie hält der Vorwiderstand den Strom konstant?
0x0004 - Berechnung und Verhältnis
0xFFFF - Quellen

[ 0x0001 :: Allgemeines ]----Vv~

Zuerst sollte geklärt wie sich eine LED elektrisch verhält.
Hier ist besonders wichtig dass sie sich ganz und garnicht wie ein Ohmscher Widerstand verhält,
das kann man ganz deutlich an der Kennlinie erkennen die für gewöhnlich im Datenblatt einer LED
abgebildet ist. Diese Kennlinie ist in ein U/I-Diagramm eingezeichnet und zeigt uns an bei welcher
Spannung wieviel Strom fließt und umgekehrt, bei welchem Strom welche Spannung abfällt.

<PIC>kennlinie ohmsche widerstände</PIC>
<PIC>kennlinie LED</PIC> (zu den Rot eingezeichneten Werte kommen wir später)

Ein Ohmscher Widerstand verhält sich linear, das heißt je mehr Spannung desto mehr Strom durchfließt ihn (I = U/R).
Je nach Widerstandswert (z.B. 180, 220 oder 1k Ohm) verändert sich also die Steilheit, so wie im Diagramm zu sehen.

Bei einer LED ist das anders, bis zu der sogenannten Schwellspannung ist ihr Widerstandswert extrem hoch,
das heißt kein oder fast kein Strom durchfließt sie. Dieser Punkt ist der scharfe Knick in der Kennlinie,
ab da bewirkt schon die kleinste Änderung der Spannung einen extremen Anstieg des Stroms.
Wo genau dieser Knick liegt hängt von der LED und deren Eigenschaften ab.

Irgendwo in der Nähe dieses Knicks liegt der Betriebspunkt, das heißt der Punkt an dem die LED ausreichend leuchtet aber auch
bei Dauerbetrieb nicht überhitzt. Wichtig ist auf jedenfall dass die Versorgungsspannung praktisch nicht schwanken darf da auch
bei geringer Änderung schon ein extremer Anstieg oder Abfall des Stroms zu erwarten ist, der die LED dann früher oder später zerstört
bzw sie flackern lässt.


[ 0x0002 :: Das Problem ]----Vv~

Bis jetzt würde man vielleicht denken man kann einfach ein stabiles Netzteil oder eine Batterie zum betreiben der LED benutzen.
Doch immer wieder liest man "betreibe eine LED nie ohne Vorwiderstand", nur... warum?

- Die LED wird im Betrieb warm, wenn sie aber wärmer wird dann lässt sie mehr Strom fließen was sie noch weiter erwärmt
und wiederum mehr Strom fließen lässt, ein Teufelskreis.
- Spannungsschwankungen (woher auch immer) können die LED "flackern" lassen oder im schlimmsten Fall zerstören


Und wie kann man das nun verhindern?
Entweder, und das ist wohl die sicherste Methode, mit einer Konstantstromquelle oder eben mit einem Vorwiderstand,
was in den meisten Fällen wesentlich günstiger sein sollte. Dass eine Konstantstromquelle immer denselben Strom liefert,
und dadurch die LED schützt sagt ja schon der Name, aber was bewirkt ein Vorwiderstand?

Zum einen kann er uns helfen eine LED an einer anderen Betriebsspannung als empfohlen zu betreiben,
zum anderen hält er den Strom ebenfalls einigermaßen konstant.


[ 0x0003 :: Wie hält der Vorwiderstand den Strom konstant? ]----Vv~

Wir gehen von folgendem Aufbau aus:
- Betriebsspannung von 5V
- Eine LED mit einem optimalen Strom (Forward Current) von 20mA bei 2,1V
- Einen Vorwiderstand von 150 Ohm (wie man den berechnet später)


Szenarien:

1. Die LED lässt in Folge der Erwärmung mehr Strom durch

Wenn die LED mehr Strom durchlässt muss an ihr auch mehr Spannung abfallen (siehe Kennlinie),
da die Spannungsquelle aber konstante 5V liefert bleiben für den Vorwiderstand nun weniger Volt 'übrig'.
Wenn aber am Widerstand weniger Spannung anliegt lässt er auch weniger Strom durch (Ohmsches Gesetz, da Ohmscher Widerstand).
In einer Reihenschaltung fließt jedoch durch alle Verbraucher der gleiche Strom, somit wird durch den Widerstand auch
der Strom der LED begrenzt wodurch sie sich wieder normalisiert.


2. Die Spannung schwankt

Wenn die Spannungsquelle in der Spannung schwankt kann das eine direkt angeschlossene LED zerstören.
Durch einen entsprechend großen Vorwiderstand kann diese Gefahr verkleinert werden.
Je größer der Vorwiderstand desto flacher ist sein Verlauf im U/I-Diagram, das heißt bei einer großen Änderung der Spannung
lässt er nur wenig mehr Strom durch und dadurch fließt auch nur wenig mehr durch die LED.

-> Er flacht sozusagen die Kennlinie der LED ab (oder genauer: die aus der Kombination Vorwiderstand + LED).


3. Aufgrund von Fertigungsunterschieden erreicht eine LED schon bei geringerer Spannung den opt. Strom

Siehe 2. Das ist hier das selbe, der Vorwiderstand verhindert dass bei Änderungen der Spannung extrem viel mehr oder weniger Strom
fließt wie es bei der LED ohne Vorwiderstand der Fall wäre.


Zum besseren Verständnis, hier eine Animation:
<PIC>todo...</PIC>

[ 0x0004 :: Berechnung und Verhältnis ]----Vv~

Berechnung

Vorwiderstand =
(Betriebsspannung - Spannung der LED bei optimalen Strom in Durchlassrichtung) / optimalen Strom in Durchlassrichtung der LED


Das Verhältnis:

Mit Verhältnis ist das Verhältnis der Spannung am Vorwiderstand zur Betriebsspannung gemeint.
Schauen wir uns dazu am besten zwei Rechnungen mit unterschiedlichen Vorwiderständen an:

Gegeben: 12V Betriebsspannung
6 LED's mit je 20mA bei 2V

Rechnung: 2,0V * 6 = 12,0V --> 13,0V - 12V = 1V
--> 1,0V / 20mA = 50Ohm

Vorwiderstand: 50 Ohm


~ Die LEDs werden warm,
die vorgeschriebe Stromstärke wird also schon bei geringerer Spannung erreicht,
sagen wir 1,9 statt 2,0 V:

1,9V * 6 = 11,4V --> 13,0V - 11,4V = 1,6V
--> 1,6V / 50 Ohm = 32mA

32mA durchfließen die LEDS, das ist schon recht viel - 1,5 mal soviel wie empfohlen.


~ Die LEDs sind Kälte ausgesetzt,
die vorgeschriebe Stromstärke wird erst bei höherer Spannung erreicht,
wir nehmen 2,1 statt 2,0 V an:

2,1V * 6 = 12,6V --> 13,0V - 12,4V = 0,4V
--> 0,4V / 50 Ohm = 8mA

Bei den nun noch fließenden 8mA leuchten die LEDs nur noch schwach
oder evtl. garnicht mehr, die empfohlenen Ampere liegen in unserem Beispiel
ja bei 20mA, das ist also weniger als die Hälfte.


~ Noch kälter:
2,2V * 6 = 13,2V --> 0,2V zu wenig dass überhaupt Strom fließt


Man sieht, schon kleine Änderung der Bedingungen kann ein zu kleiner Vorwiderstand
nicht mehr "ausbaden". Im Vergleich dazu ein etwas größerer:

Gegeben: 12V Betriebsspannung
4 LED's mit je 20mA bei 2V

Rechnung: 2,0V * 4 = 8,0V --> 13,0V - 8V = 5V
--> 5V / 20mA = 250 Ohm

250 Ohm Vorwiderstand

~ Die LEDs werden warm:

1,9V * 4 = 7,6V --> 13V - 7,6V = 5,4V
--> 5,4V / 250 Ohm = 21,6 mA

~ LED's (kühl):

2,1V * 4 = 8,4V --> 13V - 8,4V = 4,6V
--> 4,6V / 250 Ohm = 18,4 mA


Und siehe da... hier sind die Stromschwankungen schon wesentlich geringer!


MERKE:
Ein kleiner Vorwiderstand hat auch nur kleinen Einfluss auf das Verhalten der LED bei Schwankungen!
Ein hoher hat aber auch eine entsprechend hohe Verlustleistung.


[ 0xFFFF :: Quellen ]----Vv~

www.mikrocontroller.net
www.led-treiber.de
www.wikipedia.org

Bei Fragen könnt ihr mir gerne schreiben!
dollinger.florian@gmx.de