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LEDs und Strom



LEDs machen aus Strom Licht. Mehr Strom, mehr Licht! Aber das hat seine Obergrenzen. Deshalb macht es keinen Sinn, mehr als nötig Strom durch eine LED zu jagen, weil die dann nicht mehr Licht macht, sondern sich nur mehr aufheizt. Hier wird gezeigt, wie man diese Grenzen ermittelt.
  1. Seitenanfang
  2. Die Messschaltung
  3. Kennlinie der Schaltung
  4. Bilder einer LED
  5. I/U-Kennlinie
  6. Hochstrom-LEDs

Die Messschaltung

Das hier ist die Schaltung, die es erlaubt, die Helligkeit von LEDs zu regeln und ohne Gefahr für die LED deren Helligkeit zu ermitteln.

Schaltung Links ist die Batterie zur Stromversorgung. An die Batterie ist ein Potentiometer angeschlossen, das die Batteriespannung teilt und an dessen Schleifer eine Spannung zwischen 0 und 9 Volt einstellbar ist.

Die Einstellspannung geht auf die Basis (B) eines NPN-Transistors, der am Kollektor (C) die LED antreibt und am Emitter (E) einen Widerstand von 220Ω hat. Zur Messung des Stroms ist noch ein Messgerät in die LED-Zuleitung zur postiven Betriebsspannung eingeschleift.

Der Transistor stellt die Spannung an seinem Emitter immer so ein, dass sie 0,65 V niedriger ist als an seiner Basis. Um die LED mit 20 mA anzutreiben, muss die Emitterspannung
UE = 20 [mA] / 1000 * RE = 4,4 [V]
sein, die Basisspannung um 0,65 V höher, also 5,05 V. Stellen wir die Basisspannung mit dem Poti niedriger ein, fließt weniger Strom durch die LED, bei höherer Basisspannung mehr. Aber das Mehr ist begrenzt, so dass die LED auch am oberen Anschlag nicht kaputt geht (max. 30 mA).

Kennlinien der Schaltung

Stromdiagramm Das Diagramm zeigt in Blau den Strom durch die LED in Abhängigkeit von der eingestellten Spannung. Der Strom ist oberhalb von 0,65 V und bis ca. 7 V annähernd gleichmäßig. Dies ist der Vorteil dieser Schaltung gegenüber einem einfachen Vorwiderstand: sie ermöglicht eine sanfte Regelung des LED-Stroms.

Auf der rechten Achse ist in Rot die Verlustleistung des Transistors in Milliwatt aufgetragen. Sie ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

PCE(mW) = (UB - ULED - (UBasis - 0,6) / R)) * (UBasis - 0,6) / R)


Sie steigt zunächst an, fällt aber oberhalb von 4 V Basisspannung wieder ab. Auf jeden Fall bleibt die Verlustleistung weit unterhalb der 300 mW, die für Transistoren dieses Typs zulässig wären.

Es gibt aber noch ganz viele Methoden, die Helligkeit einer LED zu regeln.
Hier sind fünf Methoden ausführlich dargestellt.

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Bilder von der Helligkeit

Man erkennt an den Bildern, dass die LED unterhalb von 5 mA nur sehr abgeschwächt leuchtet.

Animation 1

Animation 2

Animation 3

Bis 10 mA steigt die Helligkeit noch an, darüber ist kaum noch ein Helligkeitsunterschied zu erkennen.

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Die I/U-Kennlinie von LEDs

I-U-Kennlinien-Aufnahme LEDs sind etwas eigenartige Bauelemente: anders als ordinäre Widerstände haben diese keinen festen Widerstand, ihr Widerstand sinkt mit steigendem Strom. Und das macht LEDs meistens kaputt: je höher der Strom, desto weniger Widerstand setzen sie ihm entgegen, und das bis zum bitteren Ende.

Wir brauchen daher immer eine korrekte Kennlinie der LEDs. Und die machen wir mit dieser Schaltung. Hinzugekommen ist nur das Spannungsmessgerät, das die Spannung über der LED misst. Wir brauchen daher zwei Messgeräte oder müssen immer hin und her wechseln, wenn wir nur eins haben.

I-I-Diagramm rote 5mm LED Das ist so ein Diagramm für eine rote 5mm-LED. Es geht mit 1,7 V bei sehr kleinen Strömen los und endet bei 25 mA bei 2,35 V (blaue Kurve). Der Spannungsverlauf ist ab 2 mA aufwärts ziemlich linear (Steigung ca. 0,02 V pro mA, Geradengleichung siehe Diagramm).

Die rote Kurve stellt den Widerstandsverlauf der LED dar. Die Werte reichen von einem Mega-Ω bis herunter zu 100 Ω. Daher sind die Werte im Diagramm logarithmisch dargestellt (jeder Teilstrich entspricht einer Dekade).

Merke: LEDs immer stromkontrolliert ansteuern. Niemals LEDs direkt an eine Stromquelle anschließen, immer eine Strombremse dazwischen schalten. Daskann ein einfacher Widerstand sein oder, besser ist das, ein Stromregler.

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Höhere Ströme

Alle bisherigen Experimente sind mit einer roten 5 mm-LED ausgeführt. LEDs, die für höhere Ströme ausgelegt sind, brauchen natürlich eine etwas andere Bemessung der Messchaltung: Bei solchen hohen Strömen ist in der Praxis die Steuerung über pulsweiten-gesteuerte Regelschaltungen besser und die hier gezeigte Messschaltung für Dauerbetrieb wegen der hohen Verlustleistungen ungünstig.

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