Leuchtdiode
Funktion
Eine Leuchtdiode (LED) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement, das Licht mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge abstrahlt, wenn Strom in Durchlassrichtung durch die LED fließt.
Die Helligkeit einer LED ist abhängig von der Leistungsaufnahme; je höher diese ist, desto heller strahlt die LED. Mit der Leistungsaufnahme steigt jedoch die Temperatur des Halbleitermaterials, und die LED fällt bei zu hoher Leitstungsaufnahme aus, wenn diese Temperatur auf über ca. 150 °C ansteigt.
Die LED besitzt eine für Dioden typische Strom-Spannungs-Kennlinie, bei der der Strom durch die LED exponentiell mit der Spannung an der LED ansteigt.
Kleine Spannungsänderungen verursachen also große Stromänderungen und damit auch Helligkeitsänderungen:
Da die LED nur eine sehr geringe Durchbruchspannung (reverse voltage) von meist nur 5 Volt besitzt, darf sie in der Regel nicht als normale Sperrdiode eingesetzt werden.
Nutzung
Nicht zuletzt wegen ihrer Kennlinie sollte eine LED nicht direkt an einer Spannungsquelle betrieben werden. Vielmehr sollte eine Beschaltung vorgenommen werden, die den Strom durch die Leuchtdiode auf den im Datenblatt genannten Wert begrenzt. Dazu bietet sich die Nutzung eines entsprechend dimensionierten Vorwiderstandes oder die Nutzung einer Konstantstromquelle an.
Aufgrund der Besonderheiten des Bordnetzes (Spannungsschwankungen und erhebliche Überspannungen) sind bei der Verwendung im Fahrzeug in der Regel zusätzliche Maßnahmen für den Betrieb erforderlich, wenn man eine lange Lebensdauer bei konstanter, bordspannungsunabhängiger Helligkeit erzielen will. Die einfachste Maßnahme ist dabei der Betrieb der LED mit einer durch einen Spannungsregler sichergestellten, konstanten Spannung (z.B. 10 Volt) im Kombination mit einem Vorwiderstand. Aber Achtung: der Spannungsregler muss auch gegen die Störungen im Bordnetz gesichert sein; siehe dazu den Artikel Bordnetz
Nachteil dieser Methode ist jedoch die hohe Verlustleistung im Spannungsregler; insbesondere bei den heutigen, lichtstarken LEDs. Diese brauchen mittlerweile Ströme im 3-stelligen Milliampere-Bereich. Bei angenommenen 300 mA für eine 3 Volt-Power-LED fällt im Spannungsregler eine Verlustleistung von (12 V - 3 V) * 0,3 A = 2,7 Watt an. Ein größerer Kühlkörper für den Spannungsregler ist da ein Muss.
Alternativ bietet sich die Nutzung von sogenannten Step-Down-(Schalt-)Reglern an, die vergleichsweise verlustarm arbeiten.
Dimensionierung
Grundlage für die Dimensionierung einer LED-Schaltung mit Vorwiderstand sind die im Datenblatt genannten Werte für die Spannung (forward voltage) und den Strom (forward current), die von LED-Typ zu LED-Typ erheblich variieren können. Typisch für normale LEDs sind Werte um 2 Volt und 20 Milliampere.
Die Berechnung des Vorwiderstandes erfolgt in 2 Schritten:
- Spannungsabfall am Vorwiderstand Urv [V] = Versorgungsspannung [V] - LED-Spannung [V]
- Vorwiderstand Rv [Ohm] = Urv [V] / LED-Strom [A]
Bei einer LED mit 2,4 Volt bei 25 mA an einer 10 V-Spannung errechnet sich der Spannungsabfall zu Urv = 10 V - 2,4 V = 7,6 V. Daraus ergibt sich ein Vorwiderstand Rv = 7,6 V / 0,025 A = 304 Ohm. Da nicht jeder beliebige Widerstandswert erhältlich ist, nutzt man den nächst höheren Normwert (hier: 330 Ohm). Für normale LEDs genügen dabei Vorwiderstände mit 0,25 Watt.
Zusammenschalten von LEDs
LEDs gleichen Typs können problemlos in Reihe geschaltet werden. Damit sie mit maximaler Helligkeit leuchten können, ist lediglich zu beachten, dass die Summe der LED-Spannungen geringer als der Wert der Versorgungspannung ist. Die Berechnung eines Vorwiederstandes erfolgt wie oben; es ist lediglich die Summe der LED-Spanunngen zu nutzen.
Die Parallelschaltung von LEDs sollte wegen der unvermeidlichen Bauteiletoleranzen bei LEDs grundsätzlich so erfolgen, dass jede LED einen eigenen Vorwiderstand hat. Nur so ist sichergestellt, dass der maximale Strom durch die LED nicht überschritten wird.