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LED-Tutorial

Autor: Florian Grotz
Revision: 1.0

Vorwort:
Spätestens nach den Verboten für Glühbirnen sind die Leuchtdioden auf dem Vormarsch für Beleuchtungskonzepte. Durch die unterschiedlichen Bauformen lassen sich kreative, moderene Lampen gestalten. Dieses Tutorial soll über Leuchtdioden und Ihre Verwendung informieren. Einige Berechnungstools sollen helfen Leuchtdioden richtig einzusetzen. Das Tutorial befindet sich im Aufbau und wird nach und nach ergänzt. Der Beweggrund für dieses Tutorial ist unsere jahrelange Bastelei mit LEDs.

1. Leuchtdioden - Was ist das?

Leuchtdioden können gut mit Dioden verglichen werden, allerdings bestehen LED's meist aus Galliumverbindungen. Beim Übergang der Elektronen kommt es, dabei zu einer Lichtaussendung was wir uns bei den  Leuchtdioden zu Nutze machen.

2. Schaltplansymbol für Leuchtdioden

Bild "Tutorials:led_symbol.jpg"

3. Was zeichnet Leuchtdioden aus?

Leuchtdioden haben heutzutage eine relativ hohe Lichtstärke und eine hohe Effizienz. Durch die Entwicklung von Leuchtdioden mit verschiedenen Farbtemperaturen wird auch der Einsatz als Beleuchtungsmittel immer weitreichender. Auf dem Markt sind LEDs mit verschiedenen Abstrahlwinkeln erhältlich. Ein nicht zu vergessender Aspekt bei LEDs sind die langen Lebenserwartungen die teilweise mit bis zu 100.000 Leuchtstunden und mehr angegeben werden. Ein weiterer Vorteil, den LEDs gegenüber anderen Leuchtmitteln bietet, ist dass sie ziemlich Resistent gegen Erschütterungen sind. Auch werden LEDs ohne Quecksilberanteil hergestellt.

4. Wo werden LEDs eingesetzt?


Durch die fortschreitende Entwicklung der LEDs sind Sie aus vielen Einsatzgebieten nicht mehr wegzudenken.

Im Folgendem möchten wir ein paar aufzählen:

- Als Signalleuchten
- Als Leuchtmittel
- Im KFZ Bereich
- Taschenlampen
- Zahlreiche Basteleien

5. Strombegrenzung für LEDs durch Vorwiderstand


Der Durchlassstrom (IF) durch Leuchtdioden sollte generell begrenzt werden. Eine einfache Möglichkeit ist hierfür ein Vorwiderstand.

Der Grund hierfür liegt darin, dass LEDs durch Strom gesteuert werden. Wird der Strom nicht begrenzt, so kann dies zum Zerstören der LED führen. Der Vorwiderstand sollte immer so bemessen werden, dass kleinere Spannungsschwankungen abgefangen werden können. Somit sollten am Widerstand ca. 10% der Spannung abfallen.

Bild "Tutorials:vorwiderstand.jpg"

Aufgrund der Tatsache, dass LEDs fertigungstechnisch aufgrund der Dotierungen nie gleich sind, sollten LEDs nicht parallel geschaltet werden. Natürlich kann man mehrere LED-Zweige (Reihenschaltungen) mit je einem Vorwiderstand parallel betreiben. In den folgenden Bildern sind ein paar Beispiele aufgeführt.

Bild "Tutorials:zwei_LED_zweige.jpg"

Bild "Tutorials:drei_LED_zweige.jpg"

5.1 Vorwiderstand berechnen

Die Auslegung der Größe eines Vorwiderstandes hängt von einigen Faktoren ab:
  • Versorgungsspannung (durch Netzteil, Batterie... bestimmt)
  • Durchlassstrom der gewählten Leuchtdioden (kann aus Datenblatt entnommen der LED werden)
  • Durchlassspannung der gewählten Leuchtdioden  (kann aus Datenblatt entnommen der LED werden)
  • Menge der Leuchtdioden in einem LED-Zweig (durch Anwendung und Versorgungsspannung bestimmt)
    Verlustleistung am Vorwiderstand

5.1.1 Beispielschaltung zur Berechnung eines Vorwiderstands


Vorgaben für Schaltung:
  • UB = 12V
  • ULED1 = 3,1V
  • ULED2 = 3,1V
  • ULED3 = 3,1V
  • IF = 20mA

Bild "Tutorials:5_1_1_Vorwiderstand_berechnen.jpg"

Schritt1 – Ermittlung der Gesamtspannung (ULED) durch die LEDs

Bild "Tutorials:ULED.jpg"

Schritt2 – Ermittlung der Abfallenden Spannung über dem Vorwiderstand R1

Bild "Tutorials:UR1.jpg"

Schritt3 – Ermittlung des Vorwiderstands

Bild "Tutorials:5.1.1_Vorwiderstand.jpg"

Da es in der E12 Reihe den Widerstand 135 Ohm nicht gibt, wählen wir den nächst höheren Wert mit 150Ohm aus.

Schritt4 – Verlustleistung ermitteln

Widerstände können nicht unendlich belastet werden. Um den richtigen Widerstand bzgl. Belastung wählen zu können, muss die Verlustleistung ermittelt werden. Zunächst wird der tatsächliche Strom berechnet.

Bild "Tutorials:tatsaechlich_Strom.jpg"

Nun kann die Verlustleistung errechnet werden.

Bild "Tutorials:verlustleistung.jpg"

Anhand der berechneten Verlustleistung kann nun ein Widerstand in einer passenden Leistungsstufe bestimmt/ausgesucht werden. Der Leistungswert des Widerstandes sollte etwas größer als der errechnete Wert gewählt werden, da Widerstände Toleranzen haben und deshalb etwas Sicherheit eingerechnet werden sollte.

5.2 Vorwiderstandsrechner

Mit dem Vorwiderstandsrechner lassen sich Vorwiderstände für Leuchtdioden in Reihenschaltung errechnen.
Es wird immer der nächst höhere Wert aus der E12,E24,E48 Reihe ausgegeben! Die Toleranzen der Widerstände wird bei dem Berechnungstool nicht berücksichtigt!
Statt einem Komma muss ein Punkt bei den Eingabewerten gesetzt werden. z.B. 3.2V


Beschreibung Eingabe

Haftungsausschluss: Wir (stromflo.de) übernehmen keine Garantie bzw. Haftung für die ermittelten Werte!


6. Messgrößen der Beleuchtungstechnik


6.1 Beleuchtungsstärke


Hinter der Beleuchtungsstärke verbirgt sich der Begriff Lux. Die Beleuchtungsstärke ist eine
Messgröße, mit der man die Leuchtstärke auf einer bestimmten Fläche bewertet. Liegt auf
einer 1m² großen Fläche ein Lichtstrom von 1Lumen vor, so erhält man 1lux = 1lm/m²

6.1.1 Beleuchtungsstärke berechnen


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6.2 Lichtstrom


Als Lichtstrom wird die Leistung bezeichnet die von einer Lampe als Lichtleistung abgegeben wird.
Der Lichtstrom wird in Lumen angegeben. Der vom Hersteller angegebene Lichtstrom, ist die tatsächlich abgestrahlte Leitung. Des öfteren hört man auch noch den Begriff des Nutzlichtstroms, welcher der Lichtstrom ist, der dann tatsächlich genutzt wird.Als Beispiel kann man es so verstehen der Nutzlichtstrom ist der Lichtstrom, den man auf einem Tisch, dann wirklich zur Verfügung hat.

6.3 Wirkungsgrad

Ein weiterer wichtiger Bergriff in der Beleuchtungstechnik ist der Wirkungsgrad bzw. die Lichtausbeute, bei einer bestimtmen eingesetzten Energie.

z.B eine LED wird mit UF= 3,2V und IF=30mA betrieben, der Hersteller gibt einen Lichtstrom von 4 Lumen an.

P = U*I ---> 3,2V * 0,030mA = 0,096W ---> 96mW

Wirkungsgrad = Lichtstrom / Zugeführte Leistung ---> 4/96mW = ca. 42 lm/W

6.3.1 Wirkungsgradrechner


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6.4 Abstrahlwinkel


Der Abstrahlwinkel gibt an in welchem Winkel das Licht nach Vorne abgegeben wird. Desto breiter der Abstrahlwinkel ist, desto geringer ist die Lichtstärke. Was man bei der Betrachtung aber nicht vergessen sollte, dass die gesamte Lichtleistung (Lumen) gleich bleibt und nur über einen größeren Raum verteilt wird. Bei Leuchtdioden mit hohem Abstrahlwinkel wird in der Regel immer die Lichtleistung in Lumen angegeben, bei Leuchtdioden mit geringem Abstrahlwinkel die Lichtstärke. Das Problem dabei ist, dass die Leuchtmittel so nur schwer und meist rechnerisch zu vergleichen sind. Wird ein Abstrahlwinkel von z.B. 40° angegeben, so kann man in den meisten fällen davon ausgehen, dass man im Bereich des Abstrahlwinkels mindestens 50% der angegebenen Lichtstärke in (mcd) erreicht. Der Abstrahlwinkel lässt sich durch Linsen und Reflektoren verändern.

6.5 Farbtemperatur


Die Farbtemperatur spiegelt den Farbeindruck für Lichtquellen wieder. Meist hört man von der Einteilung in warmweiß, kaltweiß und neutralweiß.
Eigentlich gibt es hierfür eine klare Norm, diese wird aber bisher von vielen Anbietern, Herstellern nicht beachtet. Dies führt dazu, dass man unter den einzelnen Begriffen oft verschiedene Farbtemperaturen stecken können. So kann man mit diesem Faktor eigentlich nur schlecht vergleiche führen. Allerdings hilft dann eben ein Blick auf die Farbtemperatur. Die Angaben werden in Kelvin angegeben. Beispielsweise hat Tageslichte eine Farbtemperatur von mindestens 5000K. Um so niedriger der Wert umso wärmer wird der Farbton.

6.6 Farbwiedergabe (CRI)

CRI is eine lichttechnische Angabe von Licht. Hier wird abgebildet, wie ähnlich sich die Farbe mit der Sonne vergleichen lässt. Ein CRI von 100 würde bedeuten, dass die Farbe wie die Sonne ist. Der CRI gilt auch als Qualitätsmerkmal für Leuchmittel. Vor allem seit den LEDs hat sich daraus eine Art "Hype" entwickelt.

6.7 Subjektive Einschätzung

Bei all den lichttechnischen Messgrößen weiß man gerade als Leie oft nicht mehr wo man ansetzen soll. Dazu kommt noch, dass nicht zwingend alle aufgedruckten Werte auch immer der Wahrheit entsprechen. Viel wichtiger als die Messgrößen sehe ich persönlich den subjektiven Eindruck auf eine bestimmte Lichtart. Man sollte dies mit heranziehen um zu vermeiden, dass man sich später über die Anschaffung ärgert.

7. Leistungsklassen der LEDs

Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Leistungsklassen von LEDs herauskristallisiert. In der folgenden Tabelle haben wir mal versucht die Leistungsklassen einzugruppieren. Die Leistungsklassen werden zwar häufig angewendet, doch gibt es wohl keine grundsätzliche Definition. Deshalb sollten Sie diese Tabelle nur als Anhaltspunkt sehen.

Leistungsklasse Beschreibung
Low Current   Als Low Current werden LEDs bezeichnet die eine sehr niedrige Stromaufnahme aufweisen. Der Durchlassstrom von solchen LEDs liegt häufig bei gerade mal 2mA.
Low Power Hier sind all jene LEDs gemeint, die mit einem Durchlassstrom um die 20mA arbeiten. Diese gibt es sowohl in bedrahteter als auch in SMD Bauform
Midpower Dieser Sparte gehören alle LEDs an, die mehr Durchlassstrom wie Low Power LEDs haben und gleichzeitig eine geringere Leistungsaufnahme als High-Power LEDs aufweisen.
High-Power   Es gibt ja keine strikt vorgegebenen Werte ab wann man von einer High-Power LED spricht. Alle LEDs über 300mA gruppieren wir mal in diese Kategorie ein

8. LED-Matrix

Gerade im Bereich der Midpower LEDS werden mittlerweile von vielen Herstellern Matrixmodule angeboten. Auf einer Leiterplatte werden mehrere LEDS häufig in Reihenschaltung betrieben. Durch Variationen in der Bestückungsdichte kann die Homogenität des Lichtes verändert werden. Einige Module haben Vorwiderstände, einige haben integrierte Konstantstromquellen vür die Versorgung der LEDs. In einigen unserer Lampen wurden Matrixmodule verbaut. Auch sind Module (RGB) erhältlich, bei denen jede einzelne LED angesteuert werden kann.





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