Seltsamer LED Vorwiderstand auf dem STM8L-DISCOVERY

Moderne LEDs leuchten oft mit ihrem Nennstrom derart hell, daß sie Dir, 
als Anzeige-LED verwendet, fast Löcher in die Netzhaut brennen. ;-)
Man will ja auch keine Geräteinnenbeleuchtung bauen, wenn man auf ein 
Board ein paar LEDs als Statusanzeige oder Debughilfe draufpackt.

Ich dimensioniere die Vorwiderstände für Status-LEDs normalerweise nach 
Datenblatt, aber meist nicht mit mehr als 1-2mA.
Vor der endgültigen Festlegung mache ich einen Versuch damit und passe 
ggf. die Werte noch an. Gerade blaue LEDs sind inzwischen oft so 
effizient, daß da 0,5mA reichen, damit die Helligkeit zu einer roten LED 
mit 2mA passt.

Für meine standardmäßig verwendeten LED-Typen habe ich inzwischen 
entsprechende Dimensionierungen für übliche Betriebsspannungen.

Thorsten S. schrieb:
> Man will ja auch keine Geräteinnenbeleuchtung bauen, wenn man auf ein
> Board ein paar LEDs als Statusanzeige oder Debughilfe draufpackt.

Jo, wird immer schlimmer, aktuell Arduino Uno Clone. Wenn die leuchten, 
kann man nichts mehr lesen.
Nun könnte man die Widerstände anpassen - oder Panzertape benutzen. Man 
fragt sich wirklich, was das soll.

Der Fehler liegt hier im Design.
Eine 19-217/BHC-ZL1M2RY/3T an 3.0V zu betreiben ist einfach mal 
grundlegend falsch.

Lt. Datenblatt 
(http://www.everlight.com/file/ProductFile/DSE-0009312-19-217-BHC-ZL1M2RY-3T-V3.pdf) 
gibt es von dieser LED 3 verschiedene "bins", Vf geht dabei von
Bin  9: 2.5 - 2.7V
Bin 10: 2.7 - 2.9V
Bin 11: 2.9 - 3.1V

Eigentlich sind nur die LEDs aus Bin 9 geeignet, wenn man welche aus Bin 
11 dabei hat, kann es sein, dass die LED gar nicht leuchtet.

Das Problem ist, wenn die Versorgungsspannung zu nahe an Vf liegt, wird 
der Vorwiderstand unangenehm klein, und damit hängt der Strom sehr stark 
von Vf ab.
In diesem Fall ergibt sich für die beiden Enden von Bin 9:
U=3.0V, Vf=2.5V, R=680 -> 0.74mA
U=3.0V, Vf=2.9V, R=680 -> 0.15mA (=20% von 0.74mA)

Hätte man die LED mit 5V versorgt ergäbe sich folgendes Bild:
U=5.0V, Vf=2.5V, R=680 -> 3.68mA
U=5.0V, Vf=2.9V, R=680 -> 3.09mA (84% von 3.68mA)
und auch LEDs aus Bin 11 würden prima funktionieren:
U=5.0V, Vf=3.1V, R=680 -> 2.79mA (76% von 3.68mA)

Wie man sieht hat man mit angemessen hoher Versorgungsspannung eine 
deutlich geringeren Einfluss durch Vf (einigermaßen gleiche Leuchtstärke 
über alle produktionsbedingten Vf).

Chris schrieb:

> In der BOM ist folgende Teilenummer für die LED angegeben:
> 19-217/BHC-ZL1M2RY/3T. Der dafür übliche Betriebsstrom scheint 5mA zu
> sein. Zumindest ist das immer als Referenzwert bei allen Angaben
> aufgeführt.

Es gibt für LED dieser Art [1] keinen "üblichen" Betriebsstrom. Es gibt 
einen maximalen Strom und das wars auch schon. Und daß Angaben zu 
Helligkeit und Flußspannung für einen bestimmten Strom gemacht werden, 
hat technische Gründe. Diese Größen sind ja vom Strom abhängig.

> Bedeutet für den Strom: 0,33 V / 680 Ohm = 0,49 mA, also Faktor 10
> weniger als die "Standardbestromung". Auch ist die minimale
> Durchlassspannung mit 2,5 V +/- 0,1 V Toleranz angegeben. Viel Luft ist
> da nicht mehr ;-)

Es gibt keine "minimale Durchlassspannung". Es gibt ein gewisses 
Toleranzband für die Flußspannung bei gegebenem Strom, bedingt durch 
Prozeßschwankungen bei der Herstellung. Ansonsten hängen Flußspannung 
und Strom über die Shockley-Gleichung [2] zusammen.

> Meine Frage wäre nun:
> Ist es üblich LEDs am unteren Limit zu betreiben?

Es gibt kein unteres Limit für den Strom. Helligkeit und Strom hängen 
über weite Bereiche linear zusammen. Je nachdem wie hell man es braucht, 
kann man den Strom weitgehend nach Gusto festlegen. Man muß natürlich 
unter dem Maximalwert bleiben.

Gerade blaue LED wirken so grell, daß man sie gerne deutlich unterhalb 
des Maximums betreibt.

> Ich wüsste auch gar nicht wie ich den Vorwiderstand für bspw. die
> minimale Durchlassspannung + 0,1 V Toleranz = 2,6 V berechnen soll.
> Der zugehörige Strom lässt sich im Diagramm nicht sinnvoll ablesen.

Es ist generell nicht sinnvoll, den Strom durch eine LED anhand der 
Spannung einstellen zu wollen.

Beim klassischen Betrieb mit Vorwiderstand muß man halt nachrechnen, und 
den sich ergebenden Strom bei minimaler und maximaler Flußspannung 
anschauen. Du hast U=3V, Uf=2.6V (typisch), R=680Ω → I=588µA. Bei 
Uf=2.7V (Maximum) → I=441µA und bei Uf=2.5V (Minimum) → I=735µA.

Wenn du zwei solche Boards nebeneinander betreibst, kann sich der Strom 
durch die LED und damit die Helligkeit um Faktor 735:441 ~ 1.66 
unterscheiden. Das kann man mit dem Auge im direkten Vergleich gerade so 
wahrnehmen. Wenn man nicht darauf achtet, vielleicht auch nicht.


[1] anders als bei LED für Beleuchtungszwecke. Die betreibt man 
typischerweise nah am oberen Limit, weil man ja viel Licht will.

[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Shockley-Gleichung

Tja, eine 0805 oder 0603 LED mit 1k Widerstand eingebaut wäre mal 
schick.

Chris schrieb:
> Letztlich scheint der Wert aber nicht aus
> dem Datenblatt zu kommen sondern hauptsächlich auf Erfahrung zu
> basieren.

Ganz genau. Es gibt zwar auch im Datenblatt entsprechende Angaben zur 
Helligkeit (lux), das sagt aber wenig darüber aus, ob die LED "blendet" 
oder nicht, da es darauf ankommt, ob man in die nackte LED blickt, oder 
noch ein Diffusor davor ist. Insofern wird die Helligkeit einfach 
"ausprobiert".
Nützt aber wie dargestellt nicht viel, wenn dabei nicht beachtet wird, 
dass die Vf Streuung einem hier bei zu niedriger Versorgungsspannung 
einen Strich durch die Rechnung machen kann.

Chris schrieb:
> Letztlich scheint der Wert aber nicht aus
> dem Datenblatt zu kommen sondern hauptsächlich auf Erfahrung zu
> basieren.

Ja und Nein. Es gibt immer noch viele Entwickler die nicht nachdenken 
und den Referenzstrom aus dem Datenblatt einstellen. Das Ergebnis sind 
dann diese Elektronikgeräte mit furchtbar nervigen, übertrieben hellen 
blauen LEDs. Ein Blick auf die Lichtstärke im Datenblatt würde denen 
helfen.

Um mal ein paar Zahlen in den Raum zu stellen, in den 70er Jahren 
verwendete man grüne LEDs die mit einer Lichtstärke vom typisch um 2mcd 
bei 20mA und einem Abstrahlwinkel von 60° spezifiziert waren (Telefunken 
CQY 72L).

Ich nehme Grün als Vergleich, weil es damals noch keine blauen LEDs gab. 
Grün liegt im Spektrum neben Blau. Die spätere Erfindung blauer LEDs war 
so bahnbrechend, dass die beteiligten Wissenschaftler dafür 2014 den 
Nobelpreis für Physik bekamen!

Die blaue LED die du hast ist mit einer Lichtstärke von 20mcd bei 5mA 
und einem Abstrahlwinkel von 120° spezifiziert (ich habe etwas 
willkürlich den Mittelwert der im Datenblatt angegebenen 
Lichtstärken-Bereiche genommen).

D.h. bei 1/4 des Stroms ist die Lichtstärke der blauen LED 10 mal so 
groß. Der Zusammenhang zwischen Lichtstärke und Strom ist, soweit ich 
weiß, nicht linear. Man kann also nicht sagen zwischen den LEDs liegt 
ein Faktor 40, aber die Zahl zeigt schon mal wo die Reise hin geht.

Zufällig(?) wird deine LED mit ca. 1/40 der früher als Referenzstrom 
genommenen 20mA betrieben.

Dann muss man beim Vergleich der LEDs den Abstrahlwinkel 
berücksichtigen. Die Lichtstärke wird, bei gleichem Lichtstrom, 
rechnerisch größer wenn der Raumwinkel kleiner wird. Die blaue LED mit 
ihrem größeren Abstrahlwinkel ist daher mit ihren 20mcd Lichtstärke 
rechnerisch im Nachteil gegenüber der uralten grünen LED mit 2mcd.

Abstrahlwinkel und Raumwinkel bei der Lichtstärke sind nicht identisch, 
daher muss man ein bisschen vorsichtig sein wenn man von den 
unterschiedlichen Winkeln auf einen Faktor 2 schließen will.

Ich glaube man sieht trotzdem wie unterschiedlich heutige LEDs im 
Vergleich zu dem alten Kram sind. Wir nähern uns in der 
Milchmädchenrechnung fast zwei Größenordnungen an.

Trotzdem gibt es immer noch Leute, die LEDs in Anzeigen partout mit dem 
traditionellen 20mA betreiben wollen und das Heruntergehen auf 10mA 
schon als wahnsinnigen Kompromiss empfinden. Zum Teil liegt es daran, 
dass die Copy-Paste Kultur des Internet dafür sorgt, dass es tausende 
von Webseiten gibt, von Leuten betrieben die mit ihrem kopierten 
"Wissen" angeben wollen, und die die alte Faustformeln mit 20mA weiter 
verbreiten.

> Ich denke das war mein gedankliches Hauptproblem. Das
> Datenblatt gibt nur den max. Betriebsstrom

Die 5mA sind aber nicht der maximale Betriebsstrom. Der ist mit 10mA 
spezifiziert. Die 5mA sind eine Strom den man heutzutage typischerweise 
als Referenz nimmt, so wie man früher 20mA genommen hat, damit man die 
Daten zwischen LEDs einfacher vergleichen kann.

Die blaue LED kann gepulst sogar bis 100mA betrieben werden, aber 
Pulsbetrieb von LEDs ist eine andere Geschichte. Die von mir als 
Vergleich gewählte grüne LED kann bis 1A gepulst werden mit einem 
Maximum der Lichtstärke bei etwa 0,5A. Dann bekommt man einen 
Lichtstärke von etwa 3mcd.

Thorsten hat zwar schon lange die richtige Antwort gegeben, aber zu mir 
hat vor über zehn Jahren mal jemand gesagt:

-> Das ist eine Anzeige, keine Beleuchtung. <-

Ich finde den Spruch so nett, dass er sich beim mir im Gedächtnis 
festgesetzt hat.

Wir setzen hier auf ein paar Boards billige, hocheffiziente grüne LEDs 
als interne Statusanzeigen ein.
Bei 3,3V haben die 51 Kiloohm vorgeschaltet und sind im Gehäuse noch gut 
zu erkennen.