von B. Kainka
Während in Glühlampen ein heißer Metalldraht Licht aussendet, bleiben Leuchtdioden (LEDs) im normalen Betrieb kalt. Die Lichterzeugung beruht hier auf komplexen Vorgängen in Halbleiter-Sperrschichten. Die elektrischen Eigenschaften einer LED unterscheiden sich daher grundlegend von denen einer Glühlampe. Entsprechend muss auch die Schaltungstechnik angepasst werden. Während man eine Glühlampe einfach an eine passende Spannungsquelle legen kann, muss bei einer LED die Polung beachtet werden. Außerdem muss immer ein Vorwiderstand eingesetzt werden, um eine Überlastung zu verhindern.
Diese Kapitel vermittelt zugleich einige Grundlagen im Umgang mit Widerständen. Jeder elektrische Verbraucher hat elektrischen Widerstand. Das Bauteil „Widerstand" besteht aus schwach leitfähigem Material und wird eingesetzt, um definierte Ströme in einer Schaltung zu erhalten.
Gebremster Strom
Eine LED darf niemals direkt an die Batterie angeschlossen werden, weil dann ein zu großer Strom fließen würde. Für eine Reduzierung der Stromstärke sorgt ein Widerstand. Hier die Grundschaltung einer LED-Lampe mit Vorwiderstand. Man erkennt einen geschlossenen Stromkreis. Strom fließt durch die Batterie, den Widerstand und die LED. Ohne den Widerstand geht es nicht, denn er schützt die LED vor einem unerlaubt hohen Strom.
Die Schaltung der LED-Lampe
Der Aufbau st sehr einfach und besteht nur aus dem Widerstand, der LED und dem Batterieclip.
Aufbau mit der roten LED
Beim Aufbau einer Schaltung werden grundsätzlich die horizontalen Versorgungsleitungen am Rand der Experimentierplatte mit der Batterie verbunden. Beim Einstecken ist die Polung der LED und der Batterie zu beachten. Der rote Anschlussdraht des Batterieclips ist der Pluspol. Ein zusätzlicher kurzer Draht wurde als Zugentlastung eingebaut um die weichen Anschlussdrähte zu schonen. Der Batterieclip sollte immer verbunden bleiben, damit die Anschlüsse nicht übermäßig abnutzen.
Wenn alles korrekt verbunden wurde, leuchtet nun die rote LED. Falls nicht, überprüfen Sie bitte die Polung der LED und der Batterie. Die LED muss bei noch frischer Batterie hell leuchten. Aber auch eine weitgehend entladene Batterie liefert meist noch genügend Strom für ein sichtbares Leuchten.
Warum man unbedingt einen Vorwiderstand braucht, verdeutlicht eine Messung der Stromstärke und der Spannung an der LED. Bei einem Strom von 15 mA misst man an der LED eine Spannung von etwa 1,8 V. Der Widerstand bewirkt also einen Spannungsabfall von 9 V - 1,8 V = 7,2 V. Nun kann man nach dem Ohmeschen Gesetz leicht ausrechnen, dass sich ein Strom von 15 mA einstellt.
I = U / R
I = 7,2 V / 470 Ohm
I = 0,0153 A = 15,3 mA
Messungen in der Schaltung
Der Vorwiderstand sorgt also für einen Spannungsabfall und lässt nur einen Strom von etwa 15 mA fließen. Der maximale erlaubte Strom durch die LED ist 20 mA. Bei einem direkten Anschluss ohne Widerstand würde ein zu großer Strom fließen und die LED zerstören.
Das Schaltbild zeigt, wie die Messgeräte angeschlossen werden. Das Amperemeter liegt immer in Reihe zum Verbraucher, so dass der Strom durch das Messgerät fließt. Das Voltmeter liegt parallel zum Messobjekt und zeigt die Spannung zwischen seinen Anschlussklemmen.
2.2 Farbwechsel
Wechseln Sie nun die rote LED gegen die grüne aus. An der grünen LED findet man eine geringfügig höhere Spannung von 2,2 V. Aus diesem Grunde ist der Spannungsabfall am Widerstand und damit die Stromstärke im Stromkreis etwas geringer. Im praktischen Versuch zeigt die grüne LED dennoch etwa die gleiche Helligkeit wie die rote LED.
Die grüne LED im Stromkreis
Das Schaltbild zeigt eine etwas andere Art, Messwerte darzustellen. Die Spannung ist an der Verbindung zwischen LED und Widerstand eingetragen und bezieht sich auf eine Messung gegenüber dem Minuspol der Batterie. Dieser gemeinsame Bezugspunkt ist durch das Massezeichen dargestellt. Bei einer realen Messung muss also der negative Anschluss des Voltmeters an Masse liegen.
Den jeweils passenden Vorwiderstand kann man leicht berechnen, wie hier an einem Beispiel gezeigt werden soll. Gegeben sei eine Batteriespannung von 6 V. Für eine LED findet man im Datenblatt des Herstellers z.B. eine Durchlassspannung von 2,0 V bei einem Strom von 20 mA. Daraus ergibt sich ein geforderter Spannungsabfall von 4 V am Vorwiderstand ( 6V - 2 V = 4 V). Der richtige Widerstand lässt sich nun nach dem ohmschen Gesetz bestimmen:
R = U / I
R = 4 V / 0,02 A
R = 200 Ohm
In vielen Fällen ist ein genau berechneter Widerstandswert nicht erhältlich. Dann sollte man den nächst höheren Wert wählen, was keine sichtbare Einbuße an Helligkeit mit sich bringt. Oft verwendet man bewusst einen geringeren als den maximal erlaubten Strom. Experimentieren Sie auch einmal mit größeren Widerständen und geringerer Stromstärke.
2.3 Strom gesperrt
Setzen Sie eine LED falsch herum in den Stromkreis ein. Es fließt kein Strom, die LED leuchtet nicht. Der Spannungsabfall am Reihenwiderstand ist Null. Die gesamte Batteriespannung liegt daher an der LED. In der Praxis sollte man die höchste zulässige Sperrspannung nicht überschreiten. Oft wird eine Grenze von 5 V angegeben. Bei den verwendeten LEDs ist jedoch die Batteriespannung von 9 V noch problemlos möglich.
Die invertierte LED
Der Versuch zeigt, dass die LED wie andere Dioden ein elektrisches Ventil darstellt. Sie leitet in Durchlassrichtung und isoliert in Sperrrichtung.
Literatur: Schnellstart LEDs
