Leuchtdioden – einfache Anschlussmöglichkeiten und Fehler

In den vergangenen Tagen ist mir mal wieder eine Platine in die Hände gefallen gedrückt worden, auf welcher zahlreiche blaue Leuchtdioden gleichzeitig leuchten sollten und eine nach der anderen ausgefallen ist. Klassischer Fehler war der Anschluss der Dioden in Reihe ohne Vorwiderstand direkt an die 12V Batterie im Fahrzeug. Da mir dieser (und ähnliche) Fehler schon öfter begegnet sind, schreibe ich einfach mal ein paar Zeilen dazu. (Vorsicht:Theorie :-D )

 

 

 

Leuchtdioden sind eine tolle Sache! Mittlerweile recht günstig, in vielen Farben zu bekommen und vor allem mit ungefährlichen Spannungen zu betreiben. Es gibt aber auch einiges bei diesen Bauteilen zu beachten, wenn man lange Freude daran haben möchte. Vor allem im Internet halten sich hartnäckig einige Behauptungen wie LEDs zu behandeln sind, mit denen man diese in kürzester Zeit ruinieren kann.

Ich beziehe mich in diesem Beitrag übrigens auf die klassischen 5mm Leuchtdioden, bei anderen Varianten empfiehlt sich (wie immer) ein Blick in das Datenblatt. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die Beispiele für eine blaue LED mit If=20mA bei 3,00V Uf. If = Strom durch die LED, Uf = die an der LED abfallende Spannung.

Bei der angesprochenen Platine ist der Erbauer von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:

Beipiel 1, Reihenschaltung:

Ich habe 4 LEDs und 12V. Jede LED ‚hat‘ 3V, also kann ich sie alle in Reihe setzen und an meine Autobatterie klemmen… Das ist ungünstig, auch wenn es zunächst funktioniert hat.

Der grundlegende Irrtum dabei ist, daß eine LED 3V ‚hat‘! Nebenbei hat er ignoriert, daß bei laufendem Motor durchaus auch rund 14V Spannung anliegen können.

LEDs sind Dioden und haben als solche eine Kennlinie. Anhand dieser kann man erkennen, daß der Spannungsabfall (also die Spannung, die man direkt an der LED messen wird) von dem Strom abhängig ist, welcher durch sie hindurch fließt! (Ausführlicher z.B. hier!) Sind Strom und Spannung ausreichend, beginnt die LED zu leuchten. Je mehr Strom ich also durch die LED schicke, desto heller wird sie leuchten und um so mehr Spannung wird an ihr abfallen.

Die Dioden sind in vorliegenden Fall folgendermaßen angeschlossen:

LED Reihenschaltung FALSCH

Schematische Darstellung, nicht auf 12V bezogen!

 

 

 

 

Dabei passiert nun folgendes:

Da keinerlei Vorwiderstand vorhanden ist, bestimmt der gesamte Widerstand der Leuchtdiodenreihe (besser der differentielle Widerstand) den Strom, der durch die gesamte Kette fließt (I=U/R). Das KANN gutgehen (je nachdem, wie ‚flexibel‘ die LEDs sind und wieviel Strom die Quelle liefert) – muss aber nicht. Und wenn nun durch die Aufteilung der Ströme eine oder mehrere LEDs über ihre Spezifikation hinaus betreiben werden, wird es zu einem Ausfall kommen.

Besser wird es so:

Reihenschaltung LED OKSchema Reihenschaltung LED, nicht auf 12V bezogen!

 

 

 

 

Hier wird der Gesamtstrom durch die Kette durch den Widerstand begrenzt. Der Wert des Widerstandes sollte natürlich so gewählt werden, daß die schwächste LED der Kette nicht überlastet wird. Gibt der Hersteller also If mit max. 20mA an, kann man folgende Berechnung anstellen (Ohmsches Gesetz):

  • Versorgungsspannung= 15V (Sicherheitshalber)
  • If = 20mA max.
  • Uf bei 20mA = 3V

15V – 12V (4 mal Uf) = 3V

Es bleiben also 3V die über dem Widerstand abfallen sollen und der Strom soll auf 20mA begrenzt werden:

3V : 0,02A = 150 Ohm

Hier sollte man auch beachten, daß moderne Leuchtdioden mit (wesentlich) kleinerem Strom schon recht hell sind. Man kann also durchaus Widerstände mit höheren Werten wählen, nur eben nicht weniger. Einfach mal ein wenig experimentieren. Dies ist vor allem dann interessant, wenn die LEDs hart am Limit schon recht warm werden. Quick & Dirty ein 10K Poti vor die LEDs setzen, gewünschte Helligkeit einstellen und den zuletzt eingestellten Widerstandswert messen.

 

Beispiel 2, Parallelschaltung:

Ebenso kann es ja vorkommen, daß man eben keine 12V zur Verfügung hat oder aus einem anderen Grund keine Reihenschaltung der Leuchtdioden vornehmen kann. Hier bietet es sich natürlich an, die LEDs parallel zu schalten. Auch hier gibt es einen Klassiker, was die Fehlerursachen angeht:

LEDs parallel FEHLER

 

 

 

 

 

Hier ist zwar durch den Vorwiderstand der Gesamtstrom der Schaltung begrenzt, aber nur für die gesamte Parallelschaltung der Leuchtdioden. Wie man erkennen kann, liegen die LEDs hinter dem Vorwiderstand einfach parallel zusammen. Aus U=R*I ergibt sich also, das der Strom durch die einzelne LED durch die anliegende Spannung, den Vorwiderstand und den Gesamtwiderstand der LED-Parallelschaltung (differentieller Widerstand) beeinflusst wird. Selbst wenn man Bauteile aus der gleichen Serie nimmt, wird es immer Toleranzen geben, also wird auch an jeder LED bei gleichem Strom eine geringfügig andere Spannung abfallen. Diese ‚zwingt‘ nun einer benachbarten Diode einen höheren Stromfluss auf -> sie wird außerhalb der Spezifikation betrieben. Irgendwann kann wird sie ausfallen.

Besser geht’s so:

LEDs parallel

 

 

 

 

 

So ist zwar der Bauteilaufwand etwas höher, man braucht ja einen Widerstand für jede LED, aber dafür kann (und sollte) man eben den Strom individuell bestimmen.

Ergänzend:

Noch perfekter geht das Ganze mit einer Konstantstromquelle, die Frage ist eben, wie viel Aufwand man für leuchtende LEDs betreiben will oder kann.

 



 

9 Gedanken zu „Leuchtdioden – einfache Anschlussmöglichkeiten und Fehler

  1. Hallo
    Sehr interessant hier
    Ich bin durch mein Problem auf den Blog gestoßen.
    Hoffe auf Hilfe…
    Ich hab mir vier led Schaltungen gebaut. Einmal mit einem ne 555 und mit einem IC 4017 als Lauflicht. Und 3 mal nur mit einem ne 555 als Blinkschaltungen. Jede für sich funktioniert einwandfrei an 9 Volt. Wenn ich aber alle vier Schaltungen zusammen an eine 9 Volt Batterie anschliesse funktionieren nur die Blinkschaltungen nicht mehr bzw nicht richtig. Liegt das nur am Spannungsabfall?☹ kann ich das mit einer sperrdiode beheben? Oder ist mein Ansatz komplett falsch?

    • Hi,

      Welche Spannung kommt denn jeweils noch bei den Schaltungen an, wenn mehrere parallel an der Batterie hängen? Speziell die Spannungen an den IC’s würden mich interessieren.

      lg
      Micha

      • Ich hab das Ganze jetzt mit einem Netzteil realisiert. 5v und 230 mA funktioniert einwandfrei.
        Die Schaltungen mit dem IC habe ich aufgeklebt und komme jetzt zum messen nicht mehr ran

        • Hi,

          ok, wenn’s ja funktioniert ;-) Kenne das aber, zwischen Elektronik und Elektronik im Gehäuse liegen manchmal Welten :-D

          lg
          Micha

  2. Hi Micha,

    vielen Dank für die tolle Erklärung. Ich bin auch grad dabei mal wieder Uraltkenntnisse in aktuelle kleine Projekte einfliessen zu lassen.
    Dein Blog hat mir schon sehr geholfen.

    lg Micha

  3. Bin gelernter Trafo-Monteur,(1960 !),später Ök. und EDV studiert(1972), anschließend überwiegend programmiert bis 2000, dann im Osten als EDV-Spezialist nicht mehr gefragt. 2004-2014 Selbständiger als „Computer-Franz“
    auch Partner von Microsoft (Windows95 bis WinXP-Tester), nunmehr Rentner.
    Werter Michael-Floessel, besten Dank für die einfachen und wohlstrukturierten
    Ausführungen zum obigen Thema, für mich eine Wiederholung und Bestätigung
    des vor über 50 Jahren Gelernten. Ihre Darlegungen wären in einem guten Grundlagenbuch der Elektrotechnik und Elektronik bestens aufgehoben!
    Oder schon geschehen ? Dann bitte, welchem Literaturhinweis sollte ich nachgehen ?

    Danke nochmals F.Hamich

    • Hallo und Dank für die netten Worte!

      Bisher gibt es meine Ausführungen nur hier im Blog, über mehr habe ich, ehrlich gesagt, nie nachgedacht :-)
      Eigentlich sollte alles hier auf diesen Seiten eher als persönliches Notizbuch in der Art „vielleicht interessiert’s ja noch wen“ dienen… Zuweilen sprengt der Blog schon den erwarteten Rahmen, Elektronik ist eben ein sehr faszinierendes Thema. Ich freue mich auf jeden Fall, wenn ich dermaßen Zuspruch bekomme!

      Mit besten Grüßen und Wünschen
      Micha

  4. Pingback: Nochmal zu LEDs | Michael-Floessel.de – Blog

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