Warum Leuchtdioden LEDs einen passenden Vorwiderstand benötigen, lesen Sie bitte in der Einleitung LEDs richtig anschliessen.
Hier erkläre ich, wie man Vorwiderstände für LEDs berechnet.
Gegebene Werte bestimmen
Zum Berechnen des Vorwiderstands werden drei Angaben benötigt:
Vorwärtsspannung der LED (Volt)
Betriebsspannung (Volt)
Betriebsstrom der LED (Ampere)
Vorwärtsspannung
Bei jeder Leuchtdiode wird im Datenblatt die sogenannte Vorwärtsspannung angeben. Dies ist nicht zu verwechseln mit einer Betriebsspannung, bedeutet man kann eine LED mit 3,2V Vorwärtsspannung nicht direkt an eine Stromquelle von 3,2 V hängen!
Angegeben ist mit der Vorwärtsspannung die Spannung, welche an der LED abfällt, wenn sie bei korrektem Stromfluss optimal arbeitet!
Sinkt die Versorgungsspannung an der LED unter die angegebene Vorwärtsspannung, dann fliesst kein Strom mehr und sie leuchtet nicht.
Die genaue Vorwärtsspannung der LED müssen Sie den technischen Daten der LED entnehmen! Je nach LED und Lichtfarbe ist diese unterschiedlich!
Fehlt das Datenblatt, so hilft diese Tabelle mit den ungefähren Vorwärtsspannungen für 3mm, 5mm oder SMD LED:
Weiß = 3,5 Volt
Blau = 3,7 Volt
Grün = 3,7 Volt
Rot = 2 Volt
Gelb = 2,1 Volt
Betriebsspannung
Die Betriebsspannung muss etwas höher gewählt werden als die Vorwärtsspannung, damit die LED vernünftig arbeiten kann. Es eignen sich beispielsweise Netzteile mit 12 Volt Gleichspannung. Andere Spannungen sind auch möglich, es ist aber zu beachten das alles über 25 Volt zu lebensgefährlichen Stromschlägen führen kann!
Wechselspannung eignet sich nicht für LEDs.
Bei der Auswahl der Betriebsspannung sollte man auch bedenken, das hohe Spannungen auch hohe Verluste am Widerstand verursachen, sprich man verbraucht Energie. Um also Energie zu sparen ist es sinnvoll, den Spannungsabfall am Vorwiderstand möglichst gering zu halten. Dazu kann man mehrere LEDs in Reihe schalten und/oder auf eine geringe Betriebsspannung gehen.
Max zulässiger Strom
Mit dem Vorwiderstand regelt man den Stromfluss durch die LED. Den maximalen zulässigen Strom entnimmt man einfach dem Datenblatt der LED. Dieser Strom wird meist in mA (Milliampere ) angegeben und darf nicht überschritten werden, da sonst die LED zerstört wird. Werte in mA (tausendstel Ampere) müssen für die Formel in A (Ampere) umgerechnet werden. 1mA = 0,001 A.
Man kann auf Wunsch den Strom beliebig verringern, um eine LED dunkler leuchten zu lassen, dies ist beispielsweise im Modellbau fast immer erforderlich. Weniger Strom führt auch zu einer längeren Lebensdauer der LED.
Fehlt das Datenblatt, so kann man grob sagen, dass fast jede 3mm, 5mm oder SMD LED auf jeden Fall 20 mA (= 0,02 A) aushält.
Formelzeichen:
U = Spannung in Volt
I = Strom in Ampere
R = Widerstand in Ohm
P = Leistung in Watt
Aufbau Stromkreis:
Innerhalb eines geschlossenen Stromkreises ist der Stromfluss in Ampere überall gleich!
Die Betriebsspannung ist unsere Stromquelle, dies kann ein Netzteil oder eine Batterie sein.
Die Vorwärtsspannung an der LED ist durch deren Bauart festgelegt und ist im Datenblatt der LED hinterlegt. Man kann sich diese Spannung nicht aussuchen, sondern das ergibt sich durch die physikalische Zusammensetzung der LED. Bei korrektem Strom regelt sich die LED auf diese Spannung ein. Je nach Stromstärke schwankt diese Spannung etwas, wichtig ist es aber den maximalen Strom der LED nicht zu überschreiten!
Durch die Reihenschaltung teilt sich die Betriebsspannung zwischen Widerstand und LED auf. Da die LED Ihre Spannung vorgibt, fällt die restliche Spannung am Widerstand ab. Im Beispiel-Bild verbleiben von den 12 Volt am Widerstand also 8,5 Volt übrig, da die LED 3,5 Volt für sich beansprucht.
Vorwiderstand berechnen:
Ziel ist nun den Wert des Widerstandes in Ohm (Ω) zu bestimmen.
Zunächst rechnet man den Spannungsabfall am Widerstand aus. Da der Widerstand in Reihe mit der LED geschaltet ist, subtrahiert man einfach von der Betriebsspannung die Vorwärtsspannung der LED und erhält so die Spannung am Widerstand.
Kurz:
Spannung der Stromquelle (Batterie oder Netzteil) minus Vorwärtsspannung LED = Spannung am Widerstand.
Als nächstes berechnet man den Widerstandswert in Ohm.
Spannung am Widerstand geteilt durch Nennstrom LED = Widerstand in Ohm. (R = U/I)
Zuletzt rechnet man noch die Leistung am Widerstands aus, um diesen ausreichend leistungsstark zu dimensionieren. Der Widerstand darf nicht überlastet werden, sonst verbrennt er.
Um die Leistung am Widerstand zu berechnen, wird einfach Strom und Spannung am Widerstand multipliziert. (P = U x I) Das Ergebnis ist die Leistung, gemessen in Watt.
Bei Widerständen ist die maximale Leistung ebenfalls im Datenblatt angegeben. Es empfiehlt sich aber, diese nur zu etwa max. 70% auszunutzen, da sich der Widerstand sonst stark erwärmt. Ansonsten sollte ein Widerstand mit mehr Leistung (Watt) verwendet werden..
Rechenbeispiel Abbildung oben:
Die LED soll an 12 Volt betrieben werden. Am Vorwiderstand fällt folgende Spannung ab: 12V (Betriebsspannung) minus 3,5V (Vorwärtsspannung LED) = 8,5 Volt. Der gewünschte Betriebsstrom der LED ist 20 mA (= 0,020A)
Mit diesen Werten können wir den Widerstand leicht berechnen: 8,5 Volt geteilt durch 0,020 Ampere = 425 Ohm. Der nächst höhere Wert aus der E-12 Reihe ist 470 Ω (Ohm).
Damit wir die LED nicht zu überlasten, wählen wir den Widerstand immer größer, nicht kleiner. Die LED betreiben wir nun tatsächlich mit 8,5 V / 470 Ω = 0,018 A, das entspricht 18 mA.
Der Widerstand muß eine Leistung von 0,02 A x 8,5 V = 0,17 Watt verkraften können. Also reicht hier ein Widerstand mit 1/4 Watt Leistung.
Bild: Widerstand, mit Hilfe des aufgedruckten Farbcode auf dem Widerstand lässt sich der Wert in Ohm ablesen.
LED Reihenschaltung
Um Energie zu sparen, empfiehlt es sich oft mehrere LEDs in Reihe zu schalten. Dadurch wird die am Widerstand unnütz verbrauchte Energie auf weitere LEDs umgeleitet. Statt Wärme produziert man mehr Licht.
Die Vorwärtsspannungen an den LEDs addieren sich einfach. Da die drei LEDs im Beispiel 3 x 3,5 V = 10,5 V in Anspruch nehmen, bleiben am Widerstand von den 12 V Betriebsspannung 1,5 V übrig.
Der Widerstand hier hat also 1,5 V / 0,02 A = 75 Ω
Automatische Vorwiderstände für LEDs
Wir führen auch automatische Vorwiderstände für LEDs, diese regeln sich innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs von selbst.
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Text: Volker Schulz - mehr zum Lernen über LEDs unter Fachwissen