Kleine LED-Kunde für Höhlenforscher

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LED-Lampen sind unter Höhlenforschern sehr verbreitet. Oft kommen deshalb Fragen nach dem richtigen Einsatz von LEDs. Wie ist das mit dem Vorwiderstand, welche Spannung soll verwendet werden, usw. Klar, dass man dafür nicht gleich Elektronik studieren will. Deshalb hier das Wichtigste ganz kurz.

Die Leuchtdiode lässt einen Strom nur in einer Richtung fließen. Es gibt einen Minusanschluss (Kathode, kurzer Draht) und einen Plusanschluss (Anode, langer Draht). Die Kathode ist in den meisten Fällen der Anschluss mit dem größeren Metallhalter in der LED, auf dem der LED-Kristall sitzt.

Eine LED soll immer mit einem Vorwiderstand angeschlossen werden. Er verhindert eine Überlastung und garantiert eine relativ gleichbleibende Helligkeit bei abnehmender Batteriespannung. Aus den Daten der LED ist die Diodenspannung bekannt, z.B. Uf = 2 V für eine superhelle, rote LED. Die Batteriespannung sollte etwas höher liegen. Am Vorwiderstand gibt es dann einen Spannungsabfall von 3,6 V - 2 V=1,6 V. Die LED soll z.B. mit einem Strom von 20 mA betrieben werden. Dann berechnet man den Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz mit 1,6 V / 0,02 A = 80 Ohm. Da man genau 80 Ohm nicht bekommt, nimmt man 82 Ohm (Farben: grau, rot, schwarz). Es darf ein ganz kleiner Widerstand sein, weil die Belastung mit 1,6 V * 20 mA = 32 mW sehr gering ist. Typisch sind z.B. Widerstände mit 1/8 W.

Das Besondere an einer LED ist ihre Kennlinie, d.h. die Kurve der gemessenen Stromstärke bei unterschiedlichen Spannungen. Bei jeder Diode, also auch bei Germaniumdioden und Siliziumdioden ist es ähnlich. Ab einer bestimmten Spannung steigt der Strom steil an. Das ist auch der Grund, warum man unbedingt einen Vorwiderstand braucht. Wenn z.B. der Akku gerade frisch geladen ist, darf keine wesentlich höhere Spannung an die LED gelangen. Eine kleine Erhöhung der Spannung führt nämlich zu einer sehr großen Erhöhung des Stroms. Das könnte dann das Ende der LED sein. Die genaue Durchlassspannung hängt auch noch von der Temperatur ab. Damit man also einen einigermaßen gleichbleibenden Diodenstrom hat, braucht man unbedingt einen Vorwiderstand.

Hier kommt ein ganz praktisches Beispiel: Es sollen fünf weiße LEDs in eine Höhlenlampe eingebaut werden. Der Conrad-Katalog bietet LEDs mit Uf = 3,6 V und If = 20 mA an. Es bringt übrigens nicht viel, die LEDs bei größerem Strom zu betreiben. Doppelter Strom führt nicht mehr zu doppelter Helligkeit. Also soll im Normalfall 20 mA durch jede Diode fließen. Die Akkuspannung muss etwas größer sein, also nimmt man vier NiCd-Zellen mit 4,8 V. Es ist nicht günstig, einen gemeinsamen Vorwiderstand für alle LEDs zu nehmen, weil geringfügige Unterschiede zwischen den einzelnen LEDs zu einer ungleichen Stromverteilung führen würden. Also soll jede LED ihren eigenen Vorwiderstand bekommen. Der Spannungsabfall beträgt jeweils 4,8 V - 3,6 V = 1,2 V. Der Widerstand soll sein: 1,2 V / 0,02 A = 60 Ohm. Man wählt den Normwiderstand 56 Ohm (Farben: grün, blau, schwarz).

Der Nennstrom der Lampe beträgt ca. 5 * 20 mA = 100 mA, sie ist also wesentlich sparsamer als eine Glühlampe. Bei einem Akku mit einer Kapazität von 1800 mAh beträgt die Brenndauer rund 18 Stunden. Man kann zur Probe einmal nachrechnen, wie sich die Lampe verhält, wenn die Akkuspannung nachlässt. Bei nur noch 1,1 V pro Akkuzelle ist der Akku bereits zu etwa 90 % entladen. Die Gesamtspannung beträgt 4,4 V, die LED-Spannung ist aber trotz des geringeren Strom immer noch fast unverändert 3,6 V. Der Spannungsabfall ist also nun 0,8 V. Daraus kann man einen Strom von ca. 14 mA berechnen. Die Helligkeit hat nur um ca. 1/3 abgenommen. Noch ein Vorteil für den praktischen Einsatz: Wenn der Höhlenforscher wider Erwarten mal den Ausgang nicht mehr findet, ist die Lampe auch nach der normalen Betriebsdauer nicht plötzlich aus, sondern sie wird allmählich schwächer. Auch bei nur noch 10 % der Nennstromstärke kann man noch etwas sehen.

Hartnäckig halten sich Gerüchte, auf den Vorwiderstand könne man auch verzichten. Wer es mal probiert, wird tatsächlich zu dem Schluss kommen, es geht. Tatsächlich geht die LED meist nicht blitzartig kaputt. Der Grund liegt in einer speziellen Eigenschaft vieler LEDs, die einen relativ kleinen Vorwiderstand bereits eingebaut haben. Der folgende Versuch mit einer superhellen roten LED war erfolgreich. Der kleine Akku mit 3,6 V stammt aus einem alten Computer.

Der Fehlschlag im Labor,
beugt der Katastrophe vor.

(Dietrich Drahtlos)

Zur Probe wurde einmal die Stromstärke gemessen: brutale 50 mA! Damit wird die LED nicht lange leben. Aber eine LED stirbt nicht plötzlich wie eine Glühlampe, sondern sie wird immer schlapper. Bei gleichem Strom wird also die Helligkeit geringer, der Wirkungsgrad sinkt. Außerdem wäre der Akku sehr schnell leer. Und eine kleine Abnahme der Akkuspannung würde die Helligkeit überproportional verringern. Also, richtig macht man es mit einem Vorwiderstand.

Übrigens gibt es ja inzwischen nicht nur 20-mA-LEDs sondern auch sehr viel größere Typen. Eine 1-W-Power-LED arbeitet meist mit 350 mA, aber auch 700 mA sind üblich. Die LED ist inzwischen angetreten, andere Lampenformen zu verdrängen. Zum Thema Power-LEDs habe ich deshalb auch ein Buch geschrieben, und bei Franzis gibt es ein passendes Lernpaket dazu. Das Hauptproblem der Leistungs-LEDs ist die Wärmeabfuhr. Bei zu hoher Kristalltemperatur sind die Lebensdauer und der Wirkungsgrad. Deshalb benötigt man für solche LEDs einen Kühlkörper. Unanhängig davon braucht man auch hier entweder einen Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle.


Von Höhlen und Lampen: www.speleos.de


Nachtrag: Case-Modding mit LEDs

Malte möchte seinen PC verschönern, denn Case-Modding ist in. Die LEDs im Seitenblech des Rechners werden vom PC-Netzteil mit versorgt. Jeweils zwei LEDs verwenden einen gemeinsamen Vorwiderstand. Was man auf den Fotos nicht sehen kann: Die Anschlussdrähte sind mit Tesafilm isoliert, um Kurzschlüsse zu verhindern.


Nachtrag: Ein Frage-Antwort-Spiel

Jeder kennt so ein Spiel: Man berührt zwei Kontaktre auf einer Spielfläche. Wenn die Antwort stimmt, leuchtet die LED. Man kann ein solches Spiel mit einer LED, einem Widerstand und einer Batterie 9 V bauen. Zwei Kabel enden in zwei Steckern. Bei den Fragen und Antworten könnte man Reißzwecken einsetzen, die unten unsichtbar mit Drähten verbunden sind. 



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