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Dual-LED-Schaltungen



Dual-LEDs sind doppelte LEDs: zwei LEDs in einem einzigen Gehäuse. Üblich sind eine rote und eine grüne sowie eine rote und eine gelbe. Sie lassen sich in beiden Farben ansteuern.

Duo-LED mit 3 Pins Die beiden LEDs sind entweder mit zwei oder mit drei Anschlussdrähten erhältlich. Haben sie drei, dann sind entweder die beiden Anoden (Plus) der beiden LED miteinander verbunden und an einem der drei Drähte aus dem Gehäuse herausgeführt. Üblich sind solche mit gemeinsamer Kathode, wie abgebildet. An den beiden anderen Drähten ist der jeweilige andere Pol der beiden LED angeschlossen und von außen her zugänglich. Beide Farben können dann, je nach Strom mit unterschiedlicher Helligkeit, eingeschaltet werden.

Duo-LED mit 2 Pins Bei Exemplaren mit nur zwei Anschlussdrähten sind die beiden Dioden verkehrt herum verbunden: die Anode der roten ist mit der Kathode der grünen oder gelben verbunden und herausgeführt, die Kathode der roten ist mit der Anode der andersfarbigen LED verbunden und ebenfalls herausgeführt. Je nachdem, in welcher Richtung der Strom durch diese beiden LEDs fließt, leuchtet dann entweder die rote oder die andersfarbige LED. Beide Farben kriegt man nur dann gleichzeitig an, wenn die Spannung schnell seine Richtung wechselt.

Das ist normalerweise bei Wechselstrom der Fall: Schließt man eine solche Zweidraht-Duo-LED an einen Wechselstrom an, natürlich mit einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung, dann gehen beide Farben mit 50 Hz an und aus und es entsteht eine Mischfarbe. Da die beiden LEDs nicht wirklich am gleichen Platz sitzen, sieht man dennoch einen röteren und einen andersfarbigen Bereich, aber aus größerer Entfernung sieht es nach einer Mischfarbe aus.

Aber Vorsicht mit der Wechselspannung: bei der Dual-LED wird immer eine der beiden Dioden in Sperrrichtung betrieben. Und alle Dioden kennen eine Durchbruchsspannung: oberhalb dieser Sperrspannung beginnen sie zu leiten. Die liegt nach meiner Erfahrung so um die 15 V. Man sollte also die Wechselspannung nie so hoch machen, dass sie in der Spitze (Upeak = Ueff * 1,414) diese Sperrspannung erreicht. Also niemals Duo-LEDs an mehr als 10 V Wechselspannung betreiben. Da aber die anders gepolte Diode immer parallel zur sperrenden Diode liegt, kriegt die auch nicht mehr als die ca. 2 V in ihrer Sperrrichtung. Das würde nur dann nicht mehr funktionieren, wenn die LED in Flussrichtung kaputt wäre. Wenn, dann gehen dann beide eben gleichzeitig kaputt.

Duo-LED für beide Farben In der Praxis macht die Duo-LED dann Sinn, wenn man an einem Ausgang (eines TTL-Gatters oder eines Mikrocontrollers) eine logische Null oder eine logische Eins liegen hat. Im ersten Fall liegen ca. 0 V am Ausgang, im zweiten Fall ca. 5 V. Damit die LED nun entweder rot oder grün anzeigt, muss man ihren zweiten Anschluss auf etwa die Mitte der Spannung (+2,5 V) legen. Liegt der Ausgang auf 0 V, dann ist die rote LED an, weil der Strom dann von +2,5 V über die rote LED und den Widerstand in die 0 V-Spannungsquelle fließt. Liegt umgekehrt +5 V an, fließt der Strom von +5 V nach +2,5 V durch die grüne LED. Da beide Durchlassspannungen ein wenig unterschiedlich sind, stellt sich auch ein klein wenig anderer Strom durch den Widerstand ein. Außerdem kann auch die Spannung des angeschlossenen Ausgangs ein wenig von 0 und 5 abweichen, wenn er die LEDs antreiben muss. Das gleicht die Potieinstellung vor dem Operationsverstärker aus: mit ihr kann man die Mittenspannung, und damit den Strom durch beide LEDs, ein wenig variiert werden. Zum Einstellen des Potis lässt man den Ausgang schnell torkeln und gleicht auf den Helligkeitseindruck der beiden LEDs hin ab.

In einem dritten Zustand kann der Ausgang abgeschaltet sein, er treibt dann die LED gar nicht mehr an (Hi-Z-Zustand, Output-Disable). Da bleibt dann natürlich auch die LED aus und es tut sich rein gar nix.

Soweit der Mercedes unter den Helligkeitssteuerungen von Duo-LEDs. Es geht aber auch einfacher.

Dreifachanzeige mit einer Duo-LED Das wäre so eine Schaltung. Die beiden Zenerdioden sorgen dafür, dass die rechte Seite der LED etwa bei halber Betriebsspannung liegt. Da sich die Durchlasspannung der roten LED etwas von der der grünen LED unterscheidet, sind zum Helligkeitsausgleich noch zwei Widerstände Rgrün und Rrot dazwischengeschaltet.

Die linke Seite der Duo-LED wird von einem CMOS-Ausgang angetrieben. Hier ist so ein Portausgang in einem AVR-Mikrokontroller gezeichnet. Der kann drei Zustände haben: Low oder ca. 0 V, High oder ca. 5 V oder er ist gar nicht als Ausgang geschaltet und hat einen hohen Widerstand (was als Hi-Z bezeichnet wird). Wechselt er von Ausgang nach Hi-Z und nach einiger Zeit wieder zurück, dann blinkt die LED. Je nach Zustand des Ports eben entweder in grün (Portausgang = 0) oder in rot (Portausgang = 1). Bleibt der Ausgang immer eingeschaltet und wechselt nur dessen Polarität von High nach Low und wieder zurück, dann blinkt sie rot/grün im Wechsel.

Duoled-Stromlauf gruen Duoled-Stromlauf rot So läuft im linken Bild der Strom, wenn der Portausgang auf niedrigem Potenzial liegt: der Portausgang zieht die linke Seite der Duo-LED auf 0,2 V herab, die rechte Seite der grünen LED zieht dann Strom über den Widerstand und die Zenerdiode aus dem Pluspol, die grüne LED leuchtet.

Und im rechten Bild ist gezeigt, wie der Strom läuft, wenn der Ausgang high wird. Jetzt leuchtet die rote LED.

Wie groß die beiden Widerstände sein müssen, ist nicht so ganz trivial. Von den 5 V Betriebsspannung bleibt wegen der Zenerdioden (ca. 2,7 Volt) und der Durchlassspannung der LEDs (ca. 2,0 V) sowie durch die Verluste im Porttreiber (0,2 V) nicht so arg viel für den Widerstand übrig (0,1 V). Es kommt aber noch übler: sowohl die Zenerspannung als auch die Durchlassspannung der LEDs hängen vom Strom ab, der durch sie hindurchfließt.

Kennlinie einer 2,7V-Zenerdiode Das ist die Kennlinie einer solchen Diode: alles andere als 2,7 V, vielmehr ist bei LED-Strömen zwischen 10 und 20 mA zwischen 2,8 und 3,3 V so ziemlich alles drin. Der Stromeinfluss lässt sich in diesem Strombereich nur mit der Formel UZ = 0,025 * I (mA) + 2,634 angenähert berechnen. Bei niedrigeren Strömen ist der Stromeinfluss noch stärker: UZ = 0,075 * I (mA) + 2,242 im Bereich bis ca. 5 mA.

Das lässt nichts Gutes erwarten für die Widerstände.

Kennlinie einer rot-gruenen Duo-LED Gegenüber der Zenerdiode sind die Kennlinien einer roten oder grünen LED in der Duo-LED noch vergleichsweise weniger variabel. Aber auch diese sind etwas vom Strom abhängig. Und wenn wir schon um 0,1 V geizen: die sind bei 10 bis 20 mA LED-Strom schnell mal weg. Und: die grüne hat in der Tat eine etwa 0,2 V höhere Durchlassspannung, die zwei Widerstände sind also nicht bloß so dahingezeichnet.

Die Kennlinien der LEDS sind im Bereich zwischen 10 und 20 mA mit den Gleichungen annäherbar.

Die Formeln zur Berechnung des Stroms aus den Widerständen sind dann folgendermaßen. Für den roten Stromzweig ist I (mA) = 1000 * (5,0 - 0,2 - 1,719 - 2,634) / (Rrot + 10,6 + 25), für den grünen I (mA) = 1000 * (5,0 - 0,2 - 1,895 - 2,634) / (Rgrün + 10,6 + 25). Und: beim grünen fließen selbst mit 0 Ω nur gerade mal 7,6 mA. Der Rest verschwindet in den beiden Kennlinien.

Um die rote Seite auf etwa den gleichen Strom zu bringen, braucht man einen Widerstand Rrot von 23,25 Ω (nur für Genauigkeitsfanatiker: jede Zenerdiode und Duo-LED kocht da ihr eigenes Süppchen, also vor der Widerstands-Bestellung flugs Kennlinien aufnehmen und Geradengleichungen ausrechnen).

Stromverlauf im Hi-Z-Zustand Wer jetzt denkt, dass die beiden Zenerdioden in der Schaltung im Hi-Z-Zustand am Ausgang gar keinen Strom ziehen, da ihre beiden Spannungen ja oberhalb der Betriebsspannung von 5 V liegen, wird enttäuscht sein. Aus der ziemlich krummen Kennlinie im unteren Strombereich habe ich aus 0 und 22 Ω einen Ruhestrom von ca. 3 mA berechnet. Nicht viel, aber für Batteriebetrieb merklich.

Und noch ein Achtung! Diese Schaltung funktioniert natürlich NUR mit 5 V Betriebsspannung.



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