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Eine bis mehrere LEDs

Eine LED

Nehmen wir an, wir wollten eine einzelne LED mit einem Strom von 20 mA antreiben. Nehmen wir ferner an, die LED habe bei diesem Strom eine Spannung von 2,1 Volt. Das ist für gelbe 20-mA-LEDs typisch, andere Farben können zwischen 1,9 und 2,4 Volt haben. Die Schaltung dafür sieht so aus:

Eine LED Um den Strom durch die LED zu begrenzen, wird ein Widerstand R vor die LED geschaltet. Die Größe dieses Widerstands bestimmt darüber, wie hoch der Strom werden wird. Er fängt die übrige Spannung auf, die zwischen der Betriebsspannung U der Schaltung und der Durchlassspannung der LED ULEDliegt (in diesem Fall (U - 2,1) Volt).

Nach dem Gesetz von Herrn Ohm teilen wir diese Spannung durch den LED-Strom (in Ampere) und erhalten die nötigen Ohm des Widerstands (Ω). Bei einer Betriebsspannung von z. B. 9 V kriegen wir da heraus:

R = (9 - 2,1) / 0,02 = 345 Ω.

Mit diesem Widerstand sollte sich ziemlich genau ein Strom von 20 mA durch die LED einstellen.

Widerstände, die es zu kaufen gibt

Unglücklicherweise gibt es 345-Ohm-Widerstände nicht zu kaufen. Überall zu kaufen gibt es solche aus der sogenannten E12-Reihe. E12 bedeutet, dass es zwischen 100 und 1.000 Ω zwölf Einzelwerte gibt, nämlich 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330, 390, 470, 560, 680 und 820 Ω. Unser benötigter Wert von 345 Ω kommt dem 330 Ω-Wert am nächsten, also würden wir den wählen. Unser Strom durch die LED beläuft sich dann auf I = (9 - 2,1) / 330 = 0,0209 A oder 20,9 mA,eine Abweichung, die die LED leicht und ohne spürbare Verringerung ihrer Lebensdauer verschmerzt.

Für notorische Genauigkeitsfanatiker käme auch in Frage, einen 15 Ω-Widerstand mit einem 330 Ω-Widerstand in Reihe (hintereinander) zu schalten, das gäbe genau 345 Ω. Aber Obacht, Genauigkeitsfanatiker! Die käuflichen Kohleschichtwiderstände haben werksseitig eine Genauigkeit von 5%, der 330 Ω kann also real irgendeinen Wert zwischen 314 bis 347 Ω haben. Was der Genauigkeitsfanatik einen üblen Abbruch tut. Aber der LED und ihrer subjektiven Helligkeit ist das ohnehin völlig egal, der Genauigkeitsunterschied bleibt unsichtbar.

Die Leistung des Widerstands

Der Widerstand verbrät die überschüssige Spannung, indem er Wärme produziert, die er über seine Anschlussdrähte und seine Oberfläche an die Umgebung abgibt. Unterschiedliche Bauformen von Widerständen vertragen daher unterschiedliche Wärmeleistungen. Das reicht von 0,25 Watt eines üblichen Kohleschichtwiderstands über 0,5 und 1 Watt (größere Körper) über 2 bis 5 Watt, die dann aus Keramik gebaut sind. Zu kaufen gibt es aber auch Monster, die 20 Watt können.

Generell hilft es immens, Widerstände nicht mit ihrer maximal zulässigen Last dauerhaft zu betreiben, sondern nur mit der halben Leistung oder weniger.

Die Wärmeleistung ergibt sich aus der Gleichung P(W) = U(V) * I(A). Die Leistung des Widerstands in unserem Beispielfall also als P = (9 - 2,1) * 0,02 = 0,138 Watt. Ein normaler Kohleschichtwiderstand mit 0,25 Watt würde also gerade noch ausreichen, aber bei 12 oder mehr V Betriebsspannung nicht mehr.

Größere LED

Bei größeren LED kann der Strom bis zu 100 mA sein. Dabei liegt auch die LED-Spannung höher. Bei einer käuflichen LED sind das dann z. B. 3,5 V. Der Vorwiderstand ist dann R = (9 - 3,5) / 0,1 = 55 Ω. Dann würde man einen 56 Ω wählen, der bis 1 Watt ab kann.

Zwei und mehr Leuchtdioden

Es spricht nichts dagegen, aber vieles dafür mit dem gleichen Strom durch eine LED auch noch weitere LED anzutreiben. Die LED werden dann in Reihe (hintereinander) geschaltet. Das sieht dann so aus:

Zwei LED Nun addieren sich die beiden LED-Spannungen von je 2,1 V, bei der Berechnung des Widerstands kommt nun ein niedrigerer Spannungsabfall am Widerstand zur Anwendung. Würde unsere Betriebsspannung nur 5 V betragen, blieben an dem Widerstand nur noch 0,8 V hängen, was nicht sehr üppig wäre, aber gerade noch ginge. Der Strom durch die LED wäre dann von Schwankungen der Betriebsspannung (z. B. 4,5 bis 5,5 V) oder von Exemplarstreuungen der Durchlassspannung der LEDs sehr abhängig, was unter ungünstigen Umständen das Lebenslicht der LEDs auslöschen kann. Die Transistorschaltung (siehe unten) ist da schon sehr viel weniger sensibel und arbeitet mit unterschiedlichen Betriebsspannungen sehr viel stabiler.

Natürlich kann man auch drei und mehr LEDs in Reihe schalten, wobei dann die Betriebsspannung entsprechend höher sein muss (Faustregel: nLED = (UBetrieb - 1 V) / ULED).

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Konstantstromquelle mit Transistor

Die Vorwiderstandsmethode hat immense Nachteile wie z. B. die Abhängigkeit von Betriebs- und LED-Spannungen, größere Wärmeentwicklung am Widerstand, etc.

Konstantstrom

Die Aufgabe, einen immer gleich bleibenden Strom durch die LEDs fließen zu lassen, lassen sich aber auch mit einem Transistor machen, der solche Aufgaben hervorragend und zuverlässig erledigt. Die entsprechende Schaltung mit drei LED in Reihe sieht so aus:

Konstantstromquelle In der Schaltung bilden der Widerstand RB und die beiden Kleinleistungsdioden 1N4148 eine Konstantspannungsquelle mit einer Spannung von 1,4 V. Der Widerstand RB ist recht unkritisch, er darf nur nicht so klein sein, dass der Strom durch die beiden Dioden ihren zulässigen Durchlassstrom (ca. 0,1 A) und der Basisstrom des Transistors, der sich ohne angeschlossene LEDs einstellt, den zulässigen maximalen Basisstrom (z. B. 0,1 A nicht überschreitet. Günstigerweise sollte der Strom durch die beiden Dioden bei einem mehrfachen des Stroms liegen, der als Basisstrom zum Antrieb des LED-Stroms benötigt wird. Dieser Basisstrom ist von der Verstärkung des Transistors (als Beta oder hFE bezeichnet) abhängig: IB = ILED / hFE. In der Formel ist der Gesamtstrom durch RB auf das zehnfache des Basisstroms festgelegt.

Mit der Konstantspannungsquelle von 1,4 V an der Basis des Transistors stellt sich an dessen Emitter eine konstante Spannung von 0,7 V ein (Durchlassspannung der Basis-Emitter-Strecke UBE = 0,7 V). Diese Konstantspannung liegt an dem Emitterwiderstand RE. Bei einem Strom von IE = 0,7 V / ILEDA stellt sich der Strom durch die LED fest ein.

Die Konstanz des LED-Stroms ergibt sich aus folgenden zwei Mechanismen. Sinkt der Strom durch die LEDs ab, dann sinkt die Spannung am Emitterwiderstand und der Basistrom aus der Konstantspannungsquelle steigt an, weil die Differenz zwischen Basis- und Emitterspannung (UBE) gröo;ßer wird. Damit erhöht sich der Basisstrom und in dessen Folge auch der Kollektorstrom des Transistors, was zu einem Anstieg des LED-Stroms und, über den Emitterwiderstand, zu einem Anstieg der Emitterspannung führt. Das geht so lange, bis die Emitterspannung wieder bei 0,7 V liegt.

Ist der Strom durch die LEDs zu hoch, steigt die Emitterspannung durch den Emitterwiderstand über 0,7 V an. Dadurch verringert sich der Basisstrom, weil die Basis-Emitter-Spannung unter 0,7 V absinkt, und darüber verringert sich auch der Kollektorstrom. Das geht so lange so weiter, bis die Emitterspannung wieder auf 0,7 V abgesunken ist.

Beide Effekte sorgen immer dafür, dass sich die Emitterspannung immer bei 0,7 V einpendelt, und damit einen konstanten Strom durch die LEDs verursacht.

Die Leistung des Transistors

Die überschüssige Spannung, die sich aus Betriebsspannung abzüglich der Spannung an den LEDs und den 0,7 V am Emitterwiderstand ergibt, liegt bei dieser Schaltung an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (UCE). Der Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke ist der LED-Strom. Beides zusammen ergibt die Wärmeleistung, mit der der Transistor belastet wird, PCE = UCE * ILED. Im einfachsten Beispiel, mit drei 20 mA-LEDs, einer LED-Durchlassspannung von 2,1 V und einer Betriebsspannung von 9 V ergibt sich eine Leistung von PCE = (9 - 3*2,1 - 0,7) * 0,02 = 0,04 Watt. Das kann ein Kleinleistungstransistor vom Typ BC547B locker ab (bis 0,5 W).

BC547B BD439 BD137 Das links ist so einer mit den entsprechenden Anschlüssen. Dem kann man so 200 bis 300 mW zumuten, ohne dass er zu heiß wird.

Mit zwei LED-Dioden mit einem Strom von 100 mA und einer Durchlassspannung von 3,5 V ergeben sich PCE = (9 - 2*3,5 - 0,7) * 0,1 = 0,13 Watt. Das geht auch noch mit einem Kleinleistungstransistor.

Schon bei einer Betriebsspannung von 12 V wäre ein Kleinleistungstransistor thermisch überlastet und es muss ein größerer Typ her, wie z. B. ein BD139 oder ein BD439. Rechts sind solche Brummer abgebildet. Denen kann man ohne besondere Kühlung so um die 1.000 mW zumuten, mit einem kleinen angeschraubten Kühlkörper noch viel mehr.

Geschaltete Konstantstromquelle

So eine Konstantstromquelle lässt sich übrigens bequem abschalten. Dazu muss nur mit einem Taster oder Schalter die Konstantspannungsquelle auf Null Volt geschaltet werden (die beiden Kleinleistungsdioden überbrücken). Mit dem Schalten des Basistroms von wenigen mA lassen sich ganze LED-Ketten von mehreren Ampere Stromverbrauch stilllegen. Der Transistor macht es möglich.

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Berechnungstools

Für alle nötigen Berechnungen gibt es das Berechnungstool im Open-Office-Format oder im M$-Excel-Format hier. In grün hinterlegte Felder muss eingetragen werden.

Berechnung von Vorwiderständen

Berechnung Vorwiderstand 20 mA Das hier ist die Berechnung bei einer einzigen kleinen LED mit 20 mA bei verschiedenen Betriebsspannungen.

Berechnung Vorwiderstand 100 mA Hier drei größere LEDs mit 100 mA. Mit 5 und 9 V Betriebsspannung funktioniert die Schaltung nicht.

Berechnung der Konstantstromquelle

Berechnung Konstantstrom 20 mA Hier die Berechnung der Konstantstromquelle mit 3 LED bei 20 mA und 9 V.

Berechnung Konstantstrom 100 mA Das ist ein Beispiel mit 6 LED und 100 mA bei 24 V.

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Konstantstromquelle mit einem FET

Eine weitere, noch einfachere Schaltung, arbeitet mit einem Feldeffekt-Transistor. Diese Transistoren stellen direkt und ohne jede weitere Beschaltung eine Konstantstromquelle dar.

FET-Konstantstrom Das hier ist die einfache Beschaltung. Der FET wird einfach in die LED-Schaltung eingefügt. Der Gate- und der Source-Anschluss des FET liegen beide auf Minus. In dieser Schaltung beträgt der LED-Strom zwischen 6 und 11 mA. Dieser Strom ist unabhängig von der Betriebsspannung. Ab etwa 3 V funktioniert die Schaltung. Bis maximal 37 V arbeitet sie unter Einhaltung der maximalen thermischen Leistung, wobei die Drain-Gate-Spannung dieses Typs allerdings nur bis 30 V spezifiziert ist.

Durch die höhere Spannung können mehrere LEDs hintereinander geschaltet und aus der gleichen FET-Konstantstromquelle betrieben werden.

BF245B Dies ist der FET mit seinen drei Anschlüssen.

Messungen Es ist unbedingt darauf zu achten, dass der Typ BF245B verwendet wird. Beim Typ BF245A ist der Strom zu klein, beim Typ BF245C kann der maximal zulässige LED-Strom überschritten werden.

Die Liste zeigt den LED-Strom von 18 verschiedenen Exemplaren des Typs BF245B. Der Strom der Einzelexemplare schwankt um den Faktor 2.

Achtung! Nicht näher spezifizierte Typen können durchaus vom Typ C sein, wie sich an einem Exemplar aus meiner Bastelkiste gezeigt hat.

Konstantstrommessung So kann man den sich ergebenden Strom messen.

FET mit Source-Widerstand Ist der LED-Strom zu groß, wie z. B. beim Typ C, kann dieser mit einem Source-Widerstand herabgesetzt werden. Der Widerstand sorgt dafür, dass das Gate gegenüber dem Source-Anschluss eine negative Spannung aufweist, womit der Drain-Strom verringert wird. Je größer der Widerstand desto geringer stellt sich der Strom ein.

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