LED

LED als effektvolle Beleuchtung in der erzgebirgischen Volkskunst

Auf vielfachen Wunsch und Nachfrage von interessierten Bastlern möchte ich hier noch einmal etwas über den Einsatz von LED-Leuchtmitteln veröffentlichen.

Vor- und Nachteile von LEDs

Mit LEDs kann man interessante Lichteffekte erzeugen. Es gibt sie in den unterschiedlichsten Bauformen und Farben. Durch die kleinen Abmaße kann man sie sehr schön in Modelle oder auch in unsere Holzkunstprodukte einarbeiten. Ein großer Vorteil der LEDs ist der sehr geringe Stromverbrauch. Das spart nicht nur Energie, es hält auch die Netzteile in erträglichen Größen. Ein weiterer Vorteil ist die sehr hohe Lebensdauer dieser Technik. Bei ordnungsgemäßem Betrieb gibt es eigentlich keinen Grund, warum eine LED kaputt gehen sollte. Die Zuverlässigkeit geht so weit, dass LEDs gewöhnlich fest eingebaut und eingelötet werden und nicht mehr, wie bei der Lampentechnik auswechselbar aufgebaut wird. Es gibt natürlich auch Nachteile. LEDs strahlen ihr Licht in einem ganz definiertem Frequenzspektrum ab. Damit erreicht man leider nicht das angenehme warme Licht einer multispektralen Glühlampe. Möchte man das angenehme und gewohnte Licht einer Glühlampe haben, dann muss man nach wie vor eine Glühlampe einsetzen. Ein zweiter Nachteil ist der noch etwas höhere Preis gegenüber der Glühlampentechnik. Der Preis relativiert sich aber, wenn man die wesentlich höhere Lebensdauer betrachtet.

Einkaufen von LEDs

Es gibt sehr viele Anbieter von LEDs. Gute Adressen für preisgünstige Standard-LEDs sind conrad.de, reichelt.de oder pollin.de. Sucht man ausgefallene Exemplare lohnt sich eine weitere Suche im Internet. Beim Kauf sollten Sie auf folgende technische Angaben achten:

Nennstrom (mA)
Nennspannung (V)
Abstrahlwinkel (°)
Bauform/Baugröße/Farbe
Lichtstärke (mcd)

Diese Angaben sollten immer da sein. Finden Sie Angebote, bei denen diese Angaben fehlen, dann lassen Sie besser die Finger davon.

Der Nennstrom ist für eine LED die wichtigste Angabe. Hält man diesen Strom als Obergrenze nicht ein, dann zerstört man die LED. Damit das nicht passiert schaltet man einen Widerstand vor die LED um diesen berechnen zu können braucht man die Angabe der Nennspannung. Der Abstrahlwinkel wird bestimmt durch den Einsatz der LED. Möchten Sie eine allgemeine Beleuchtung haben, dann wählen Sie einen möglichst großen Winkel und für einen Spot ehr einen kleinen. Die Lichtstärke, Lichtfarbe und Bauform wird ebenfalls durch den Einsatz bestimmt.

Neben den schon unüberschaubar vielen Standard-LEDs gibt es noch viel mehr Sonder-LEDs. Es gibt sehr exotische Bauformen, LEDs, die mehrere LEDs in einem Gehäuse vereinen, bis hin zu RGB-LEDs, blinkende, flackernde oder farbwechselnde LEDs und wer weiß was noch.

Der einfache Einsatz von LEDs

Die Standardschaltung für LEDs besteht aus der LED selbst und einem Vorwiderstand.

Der Vorwiderstand hat die Aufgabe, den Strom ( I ), der durch die LED fließt zu begrenzen. Widerstände gibt es noch mehr wie LEDs. Sie müssen den Richtigen finden. Mit den folgenden Formeln können Sie den Widerstandswert und die Verlustleistung ermitteln.

Diese Werte sind Mindestwerte, d.h., sie dürfen größer aber nicht kleiner werden. Allerdings sind unsere ermittelten Werte erst mal nur Theorie. In der Technik hat man sich natürlich auf bestimmte Standardwerte für Bauelemente geeinigt. Ein typischer Widerstandswert wäre in diesem Fall 680 Ohm. Auch für die Verlustleistung gibt es bestimmte Werte, z.B. 0,125W, 0,5W, 1W usw. In unserem Beispiel sehen wir, dass wir mit der Verlustleistung etwas über dem kleinen (billigen) Standardwert liegen. Da lohnt es sich noch einmal ein wenig weiter zu rechnen. Wenn wir den Widerstandswert etwas höher nehmen würden, was wir ja durchaus dürfen, weil der errechnete Wert ja ein Minimalwert ist, dann verringert sich der Strom und damit auch die benötigte Verlustleistung. Wir haben ja schon den errechneten Wert von 660Ohm aus bautechnischen Gründen um 20Ohm erhöht. Mit der folgenden Formel können Sie die Verlustleistung für einen beliebigen gewählten Widerstandswert ermitteln.

Setzen wir die Werte für U ein und für R die 680 Ohm, dann kommen wir auf eine Verlustleistung von 0,145 Watt. Das ist immer noch zu hoch, also erhöhen wir den Wert für R weiter. Nach einigem Nachrechnen kommen wir auf 790 Ohm, um die Verlustleistung von 0,125Watt nicht zu überschreiten. 790 Ohm ist auch ein Widerstands-Standardwert. Kontrollieren wir nun noch einmal den Strom, der durch die LED fließen wird. Mit der Formel:

ist das schnell erledigt und wir kommen auf 12,5mA. Ob die LED nun mit 12,5mA oder mit 15mA betrieben wird, werden Sie an der Helligkeit nicht merken. Ich würde mich in dieser Anwendung für einen Widerstand von 790Ohm und 0,125Watt entscheiden.

Noch eine Bemerkung zum Schluss. Die LED ist ein richtungsabhängiges Bauelement, d.h., es ist nicht egal wie herum Sie es einbauen. Die Kathode ist immer negativer als die Anode. Diese Bemerkung hilft Ihnen nicht wirklich weiter. Eine verkehrt herum eingebaute LED funktioniert nicht. Sie geht deswegen nicht gleich kaputt, aber man sollte es nicht übertreiben. Eine Kenngröße von LEDs ist auch die maximale Sperrspannung. Bei vielen LEDs beträgt diese nur 5V. Das heißt, solch eine LED ist zwar formal eine  normale Diode aber für Wechselspannung oder als Gleichrichterdiode nicht wirklich geeignet. Wie hoch die Sperrspannung ist und welcher Anschluss bei der jeweiligen Diode die Anode und die Kathode ist, müssen Sie dem Datenblatt entnehmen.

Daraus ergibt sich ein weiterer wichtiger Hinweis. Kaufen Sie nie bei einem Anbieter, der kein passendes und verständliches Datenblatt mitliefert oder im Internet bereitstellt. Die Werte können bei der Vielzahl an Dioden abweichen. Sie müssen die Widerstands- und Leistungswerte immer nachrechnen, was nur mit den korrekten Daten des Bauelementes möglich ist. 

Zusammenschalten von mehreren Dioden

Beim Betrieb von mehreren LEDs müssen Sie natürlich nicht für jede Diode diese Standard-Schaltung aufbauen. Es lassen sich auch mehrere Dioden mit einem Vorwiderstand betreiben. Es gibt dabei zwei Varianten.

1. LEDs in Reihe schalten

 

 

Die oben genannten Formeln gelten hier genau so. Für den Spannungswert der Dioden wird hier die Summe der drei Diodenspannungen eingesetzt. Rechnet man das Beispiel mit den neuen Werten durch, würde man auf einen Widerstand von 390Ohm und einer Verlustleistung von 0,125Watt kommen. Die Anzahl der Dioden ist in diesem Beispiel durch die Gesamtspannung begrenzt. Die Summe der Diodenspannungen muss immer kleiner als die Gesamtspannung sein. Bei 12V Gesamtspannung und 2,1V Diodenspannung können Sie maximal 5 Dioden in Reihe schalten.

2. LEDs parallel schalten

 Bei der Parallelschaltung gelten die Formeln ebenso. Der Unterschied hier liegt im Strom. An den Stellen in den Formeln wo der Strom (I) eingesetzt wird müssen wir nun die Summe aus den 3 Strömen I1 bis I3 einsetzen. Bei unserem Beispiel würden wir hier auf einen Widerstand von 220Ohm und 0,5Watt kommen. Achtung! Die Parallelschaltung funktioniert nur bei baugleichen Dioden.  Auch bei baugleichen Dioden kann es durch Herstellertoleranzen vorkommen, dass die Dioden nicht gleich hell leuchten. Nicht gleich hell bedeutet auch, dass durch die LEDs unterschiedliche Ströme fließen können. Es kann bei der Parallelschaltung passieren, dass eine LED mehr als Ihren Nennstrom verkraften muss und dementsprechend schneller kaputtgeht. Sollte das passieren und die Diode diesen Stromweg unterbrechen, dann ist plötzlich der Vorwiderstand für die anderen Dioden falsch berechnet, was zur Folge haben kann, dass diese nun auch kaputtgehen. Eine Parallelschaltung von LEDs ist nicht zu empfehlen, wenn es möglich ist, dann nutzen Sie besser die Reihenschaltung.

Wie Sie an den Beispielen gesehen haben, ist der Widerstand sehr individuell. Die Werte der Diode selbst, aber auch die zur Verfügung stehende Eingangsspannung und die Schaltung haben einen Einfluss auf den Widerstandswert. Der Vorteil liegt darin, dass es egal ist, mit welcher Spannung sie eine beliebige Diode betreiben möchten, durch die Anpassung des Widerstandes ist das in jedem Fall möglich.

Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Basteln und Experimentieren, Matthias Suchfort, DAMASU-Holzkunst