LED als Beleuchtung - Teil 3 - ElektrischesSicher, ihr könnt mit Widerstand versehene LED kaufen, aber bedenkt folgendes: aus dem mittlerweile riesigen LED-Sortiment kann nur der die optimale LED für das Modell nutzen, der den Widerstand selbst berechnet - nur dann gibt es keine Einschränkung in Farbe, Helligkeit und Bauform. Außerdem ist das längst nicht so kompliziert wie es sich anhört, ein Taschenrechner mit den Grundrechenarten reicht aus...
"Eine LED darf nie ohne Vorwiderstand betrieben werden" - den Satz liest man öfter, Erklärungen sind, wenn vorhanden, oft dürftig oder kompliziert. Ich versuch's auch mal... Nur erst mal mit Wasser!
Folgender Fall:
Ihr wollt eurem Garten was Gutes tun und einen Rasensprenger an die Wasserleitung anschließen. Den Druck der Leitung und die mögliche Menge an Wasser kennt ihr (nehme ich jetzt einfach mal an...
) - Ein Blick auf die Daten auf der Verpackung des Rasensprengers sagt aber, daß es dann das gute Stück zerreißt
... Was macht ihr also? Den Wasserhahn nicht ganz aufdrehen! Also dem Wasserdurchfluß (Strom!) eine Widerstand (!) entgegensetzen, was auch den Druck (Spannung!) im Rasensprenger (LED!) einstellt
.
Bei der LED kommt noch ein kleines Problem hinzu: Zwei Kennlinien, Widerstand und LED
Leicht zu erkennen - die Kennlinie des Widerstandes ist gerade (linear), die der LED nicht (exponentiell). Und genau hier lauert die Gefahr (für die LED). Ändert sich die Spannung an der LED minimal führt dies zu starken Änderungen des Stroms. Strom bedeutet für die LED Wärme und spätestens bei einer Chiptemperatur von ca. 150°C ist Schluß, die LED ist hin. Daher wird oft als Begründung "Strombegrenzung" für den Widerstand genannt - mein Ausdruck ist "Arbeitspunkt", denn die LED gibt die angegebene Lichtmenge bei den angegebenen Spannungs- und Stromwerten ab und dafür berechnen wir den Widerstand... (wie im "wässrigen" Beispiel oben
)
Welche Daten brauchen wir?Die "typische Spannung" oder "Betriebsspannung"
Uf und
den "typischen Durchlaßstrom", "Gruppenstrom" oder "Betriebsstrom"
IfBeides findet man normalerweise im Katalog oder der Detailseite im Onlineshop, im Datenblatt aus dem Downloadbereich des Shops (z.B. Reichelt, Conrad,...) oder als Download beim Hersteller.
Jetzt müssen wir uns die Spannungsquelle für den Betrieb überlegen - ich empfehle ein Schaltnetzteil mit 5V bis 12V.
Gründe:- kaum eine LED hat mehr als 5V (außer Spezial oder ultrahelle), das hält den Widerstand klein - jeder Widerstand ist Verlust und damit Wärme
- 12V ist Standard bei den Modelleisenbahnern, damit funktionieren deren Lichteffektmodule
- die Spannung ist stabilisiert, d.h. es gibt keine Spannungsschwankungen, die unsere LED zu dunkel sein lassen oder "grillen"
- ein Schaltnetzteil ist auch nicht teurer als ein Trafo mit Spannungsstabilisierung - aber kleiner und leichter!
- Batterien haben eine Nennspannung von 1,5V pro Zelle, im Neuzustand durchaus mehr, was bei der Widerstandsberechnung berücksichtigt werden muß
- Nickel-Cadmium- und Nickel-Hydrid-Akkus haben pro Zelle eine Nennspannung von 1,2V aber eine Ladeschlußspannung von 1,4V, siehe oben.
- Lithium-Ionen- und -Polymer-Akkus haben eine Nennspannung von 3,7V pro Zelle aber eine Ladeschlußspannung von 4,2V, siehe oben.
Wer jetzt schon weiß, wie viele LED und welche er verbauen möchte, kann die nötige Leistung des Netzteils abschätzen: einfach die Ströme der LED aufaddieren und dann mit der Spannung multiplizieren, oder einfach ein wenig "gröber" Anzahl der LED mit 30mA und danach mit der Spannung des Netzteils multiplizieren.
Als Zahlenbeispiel: 25LED * 0,03A * 5V = 3,75W, oder 25LED * 0,03A * 12V = 9W
Zur Sicherheit noch ein wenig "draufpacken", falls es mehr LED werden... Wenn das Netzteil mehr Strom liefern kann als wir brauchen macht das nichts!
Jetzt wird's ernst! So sieht die Schaltung aus:
Wir kennen die Versorgungsspannung
Ub und die Spannung der LED
Uf. Damit bleibt für den Widerstand
Ur=Ub-Uf.
Der Strom der LED
If muß durch LED und Widerstand durch, so ergibt sich durch das Ohmsche Gesetz Widerstand
R=Ur/If.
Beispiel: weiße LED Uf=3,6V If=20mA Netzteil Ub=5V. Spannung am Widerstand Ur=5V-3,6V=1,4V. Widerstand R=1,4V/0,02A=70Ohm
nochmal mit 12V: Ur=12V-3,6V=8,4V, R=8,4V/0,02A=420Ohm
Ist doch gar nicht so schwer... Dem Widerstand ist übrigens egal, an welchem "Ende" der LED er angelötet wird.
Was "verbrät" der Widerstand an Leistung (Watt=Wärme)? Auch einfach: im 5V-Fall
Ur*If=1,4V*0,02A=0,028W, im 12V-Fall 8,4V*0,02A=0,168W
Ihr werdet jetzt feststellen: beide Widerstände kann man nicht kaufen - da nimmt man den nächstgrößeren aus der Normreihe (siehe unten), also 82Ohm bzw. 470Ohm und bestellt den gleich mit... Die höheren Werte bedeuten zwar weniger Spannung und Strom für die LED, aber damit sind wir auch auf der sicheren Seite - auch Widerstände haben Toleranzen. Den Helligkeitsunterschied merkt man kaum und die LED lebt länger!
Normreihe E12 (12 Werte pro Dekade, 1/4W ist in der Regel ausreichend):
10 - 12 - 15 - 18 - 22 - 27 - 33 - 39 - 47 - 56 - 68 - 82 - 100 - 120 - 150 - ...Wer's genauer mag, kann auch den Widerstand aus zwei einzelnen zusammenbasteln - einfach hintereinanderschalten, dann addieren sich die Einzelwiderstände.
Noch ein Vorteil: wenn die LED zu hell erscheint, kann einfach noch ein Widerstand hinzugefügt werden...
Die so mit dem Vorwiderstand versehene LED wird jetzt mit dem Netzteil verbunden - wer die nötige Leistung des Netzteils noch nicht bestimmt hat, kann das wie oben angegeben jetzt nachholen...
Weitere Schaltungen
Die oben angegebene ist die sicherste - nur wer anders nicht klarkommt (fehlender Platz, etc...) kann auch die folgenden anwenden. Empfehlung: nur die LEDs mit identischen elektrischen Daten so verschalten!
Reihenschaltung
Berechnung (Beispiel): Die LED-Spannungen
Uf aufaddieren bzw. Anzahl der LED mal
Uf und die LEDs dann wie eine behandeln, nur mit höherer Spannung - der Strom
If ist der gleiche wie bei einer, der Widerstand berechnet sich dann wie oben.
Nachteil: fällt eine LED aus, sind alle in der Reihe dunkel...
Parallelschaltung
Die sogenannte
falsche Parallelschaltung funktioniert nur mit LED mit
identischen elektrischen Werten!
Berechnung: Anzahl der LED mal den Strom
If, danach die LED wie eine behandeln, die Spannung
Uf bleibt wie bei einer einzelnen - der Rest wie oben.
Nachteil: fällt
eine LED aus,
ändert sich der Strom und der Widerstand müßte angepaßt werden, also entweder Sicherheit mit einplanen oder die Schaltung meiden...
(Edit) Online-Rechner, die den richtigen Widerstand bestimmen:Widerstandsberechner ,
led calculator ,
Widerstandsrechner für LEDsEinfache Konstantstromquelle
Hier braucht kein Widerstand berechnet werden - durch den Transistor stellt sich der Strom (bis 10 mA, für mehr braucht's einen anderen Typ) selbst ein und kompensiert so auch Spannungsschwankungen. Die Schaltung eignet sich, um + und - von unbekannten LED zu ermitteln und für Batteriebetrieb, der Transistor kostet unter 1€, fehlt nur eine 9V Blockbatterie...
AnhangWiderstände sind farblich kodiert - was bedeuten die? Hier könnt ihr den Widerstand bestimmen...
Von Farbe nach Wert
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/1109051.htmhttp://www.umrechnung.org/elektrischer-widerstand-farbcode/widerstand-farbcode-rechner-tabelle.htmVon Wert nach Farbe
http://www.ocinside.de/go_d.html?http://www.ocinside.de/html/workshop/resistor/resistor_d.htmlLED-Gehäuse nach eigenen WünschenDie Gehäuse von bedrahteten LEDs lassen sich mit den im Modellbau üblichen Werkzeugen schleifen und polieren. Nicht bis auf die Metallteile und das Drähtchen herunterschleifen (Bild Teil 1) - das Gehäuse hält alles zusammen und schützt den Chip vor Luftfeuchtigkeit.
Löttipps - für eine gute VerbindungHersteller geben zum Löten Temperatur und Zeit an, was sich aber nur bei maschineller Fertigung einhalten läßt - wer lötet schon mit einer Stoppuhr? Richtlinie "so kurz wie möglich, so lang wie nötig", da hilft nur Übung. Insbesondere am Kathodenanschluß muß man vorsichtig sein, denn zu ihm hat der LED-Chip meist eine direkte thermische Verbindung. Aus diesem Grund nach Möglichkeit auch nicht direkt am Gehäuse löten.
Draht mit Draht (LED - Widerstand)
Die Drähte parallel aneinanderlegen und löten.
Litze mit Draht
Litze abisolieren, verdrillen und ein- bis zweimal um den Draht wickeln, dann löten. (Da hat sich durch die Wärme die Litzenisolierung ein wenig zurückgezogen, kann passieren...)
Lackdraht mit Draht
Lack vom Draht entfernen ist nicht notwendig: Die Löttemperatur ist hoch genug und brennt ihn einfach weg. Lackdraht hat den Vorteil sehr dünn zu sein (läßt sich gut "verstecken") und der Isolationslack ist auch sehr zäh. Nachteil: zu oft biegen läßt ihn brechen.
Litze mit SMD-LED
Kurz abisolieren, verdrillen, verzinnen und flach ohne zusätzliches Zinn anlöten. Nicht an der Litze ziehen: die Lötflächen der LED sind nur gebogene Bleche und können leicht abbrechen!
Lackdraht mit SMD-LED
Verzinnen und mit wenig Zinn anlöten.
IsolationDie Lötstellen müssen eigentlich nur isoliert werden, wenn Kurzschlußgefahr besteht, also andere metallische Teile in der Nähe sind, denn die LED sind im Modell ja eigentlich fixiert. Geeignet dafür ist normaler Kunstharz-Modellbaulack, also einfach mit dem Pinsel streichen. Die High-End-Lösung ist Schrumpfschlauch - das ist gedehnter Kunststoffschlauch, bei dem der gedehnte Zustand duch Abkühlung "eingefroren" wurde und der unter Wärmeeinwirkung einen kleineren Durchmesser annehmen will.
Wenn's vielleicht immer noch kompliziert aussieht, mit weniger ging's nicht. Aber ich denke, ich habe die wichtigsten Punkte angesprochen und hoffe ein wenig für Klarheit gesorgt zu haben... Traut euch ruhig mal dran!
Heiko
Thema: Rübergeholt: Grundlagen LED als Beleuchtung (Gelesen 18753 mal)