Hallo,
irgendwie stehe ich gerade ziemlich auf dem Schlauch.
Und zwar geht es um den einfachen Stromkreis mit einem Vorwiderstand und
einer LED.
Angenommen ich habe stabile 9V von einem Labornetzteil und verwende als
Vorwiderstand 470R (R=U/I=(9V-2V)/0.02=350R).
Nun möchte ich berechnen, welche Spannung über dem Widerstand und welche
Spannung über der LED liegt. Über U=R*I funktioniert das ja nicht, da
die LED meines Wissens keinen (nennenswerten) Widerstand besitzt.
Gemessene Werte sind:
an der LED: I=10mA, U=3.5V (LED nach ~3Min kaputt; max. U=2.5V bei 20mA)
an dem Widerstand: I=10mA, U=5.5V
Irgendwie komme ich nicht darauf, warum das so ist. Was muss ich machen,
um bei 9V auf 20mA bei 2V an der LED zu kommen? Ein größerer Widerstand
bringt mir ja auch keine 20mA.
Mich würden hierbei sowohl Lösung als auch (und eigentlich viel mehr)
die Berechnung dahinter interessieren. Wenn ich den Widerstand habe, in
welchem Verhältnis verringern sich Stromstärke und Spannung? Um den
gleichen Faktor? Kann ich diesen manipulieren?
Danke!
Hi
Da Du den Vorwiderstand unter der Annahme berechnet hast, daß an der LED
2V abfallen - wird in Deiner Rechnung wohl diese Spannung an der LED
bleiben und für den Widerstand 7V.
Daraus ergab sich ja erst der Widerstand.
Bis hier hin müssen wir also gar Nichts weiter berechnen - die Zahlen
sind schon alle bekannt.
Wenn es Dir darum geht, zu berechnen, wie viel Spannung im Betrieb
wirklich an der LED abfallen - dazu musst Du
- den Strom messen und kannst mit dem Widerstand berechnen, Wer wie viel
Spannung abbekommt
- die Spannung am Widerstand messen und daraus dem Strom erst bestimmen,
dadurch hast Du aber auch bereits die Spannung an der LED
- die Spannung an der LED messen, wodurch Du auf die Spannung am
Widerstand schließen kannst, was wiederum den Strom ergibt.
Dein Strom ist also nicht wirklich konstant - reicht aber in 99% der
Fälle.
Oder wie darf ich Deine Frage verstehen?
MfG
PS: Wenn Deine LED eine Flußspannung von <2V hat (also eine 'normale' in
rot/gelb/grün), steigt der Strom ungesund an, wenn Du mit 2V gerechnet
hast, wobei Du ja bereits 'den nächst größeren Widerstand' genommen
hattest, oder?
Fragensteller schrieb:> Über U=R*I funktioniert das ja nicht, da> die LED meines Wissens keinen (nennenswerten) Widerstand besitzt.
Natürlich hat eine LED einen (nennenswerten) Widerstand. Bei
beispielsweise 3.3V und 10mA für eine weiße/blaue LED sind das 330Ω.
Du darfst allerdings nicht erwarten, dass sich eine LED wie ein ohmscher
Widerstand verhält.
Graphisch läßt sich deine Frage ganz einfach beantworten. Du musst nur
die IU-Kennlinie des Widerstandes und die IU-Kennlinie der Dioden von 0V
bzw. rückwärts von 9V auftragen und bekommst den Arbeitspunkt als
Schnittpunkt der beiden Kurven.
Wenn du mit der Diodenkennlinie rechnen willst, brauchst du das passende
Modell. Für LTSpice bieten auch viele Hersteller die mathematischen
Beschreibungen an.
Fragensteller schrieb:> Was muss ich machen,> um bei 9V auf 20mA bei 2V an der LED zu kommen?
Zuerst mal eine LED besorgen, die bei 20mA 2V hat. Die lassen sich da
nicht überreden.
Fragensteller schrieb:> Gemessene Werte sind:> an der LED: I=10mA, U=3.5V (LED nach ~3Min kaputt;
Irgendwas war da wohl falsch.
LEDs gehen kaputt, wenn Hans glaubt sie würden eine bestimmte SPANNUNG
brauchen.
Sie brauchen einen bestimmten Strom. Damit eine ca. 2V LED 20mA bekommt
braucht es an 9V so 350 Ohm (330 tuts auch, 390 ebenfalls).
Da fliessen dann ca. 20mA, es ist nur der Widerstand der den Strom
bestimmt, und an der LED wird bei diesen 20mA irgendwas zwischen 1.7 und
2.2V hängen bleiben und das kannst du NICHT beeinflussen (ausser durch
ein anderes Exemplar).
MaWin schrieb:> Fragensteller schrieb:>> Gemessene Werte sind:>> an der LED: I=10mA, U=3.5V (LED nach ~3Min kaputt;>> Irgendwas war da wohl falsch.>> LEDs gehen kaputt, wenn Hans glaubt sie würden eine bestimmte SPANNUNG> brauchen.
Bei einem Strom von 10mA gehen wohl die wenigstens LEDs kaputt.
Vermutlich stimmt eine der Angaben nicht.
Mal angenommen, du kennst den Innenwiderstand nicht.
Die Betriebsspannung der LED hängt ein bisschen vom Strom ab. Bei einem
geringen Strom von 0,1mA wirst du bei einer gewöhnlichen roten LED eine
Spannung von etwa 1,6V messen. Sie variiert je nach Modell und hängt
auch von der Temperatur ab. Je wärmer die LED wird, umso geringer die
Spannung.
Wenn du danach den Strom auf 10mA erhöhst, wirst du eine Spannung von
etwa 2 V messen.
Eine Erhöhung um 9,9mA hat die Spannung um 0,4V erhöht. Damit kannst du
den Innenwiderstand der LED berechnen: 0,4V / 9,9mA = 40 Ohm
Diese LED hat also einen Innenwiderstand von 40 Ohm, plus eine konstante
Spannungssenke von 1,6 Volt.
In der Praxis genügt es bei normalen Anzeige LED's einfach mit einer
konstanten Spannung von ca. 2V (rot, gelb, grün) bzw. 3V (blau und weiß)
zu rechnen und den Innenwiderstand zu vernachlässigen. Bei
Leistungs-LEDs für Beleuchtungszwecke muss man den Innenwiderstand und
die Temperaturabhängigkeit jedoch berücksichtigen.
Im Wahrheit ist das ganze natürlich noch viel komplexer. Aber für
Hobbyelektroniker genügt in der regel dieses vereinfachte Modell.
Das von mir skizzierte vereinfachte Modell verdeutlicht auch, warum LEDs
kaputt gehen, wenn man sie ohne Vorwiderstand an einer konstanten
Spannung betreibt.
Bezogen auf die obige fiktive rote LED könnte man sagen, dass die LED
problemlos an einem 2V Netzteil ohne Vorwiderstand betrieben werden
kann.
Probleme werden offensichtlich, wenn man die Temperatur mit
berücksichtigt. 2V * 10mA = 20mW. Diese 20mW stauen sich in dem
Plastikgehäuse der LED, ihr Kristall erwärmt sich daher in relevanten
Maße. Die Spannung der als konstant angenommenen Senke sinkt dadurch ab,
zum Beispiel auf 1,5V.
Dadurch steigt der Strom. (2V - 1,5V)/40 Ohm = 12,5mA. Der Erhöhte Strom
bewirkt, dass die LED noch wärmer wird. Dadurch sinkt ihre
Betriebsspanung weiter, so dass der Strom noch weiter ansteigt. Und so
weiter. Ein Teufelskreis.
Dem wirkt die Luftkühlung entgegen. Eine warme LED kann mehr Energie an
die umgebende Luft abgeben, als eine kalte. Und deswegen haben wir hier
immer wieder Leute, die LEDs erfolgreich ohne Vorwiderstand betreiben
und feststellen: Geht doch!
Nur ist dieser Aufbau äußerst riskant. Denn dass Netzteil könnte zum
Beispiel durch Alterung später eine minimal höhere Spannung abgeben, als
gewollt. Da können 0,1V schon ausschlaggebend sein. Außerdem könnte sich
die Kühlung verschlechtern, nachdem man die LED irgendwo eingebaut hat
oder wenn im nächsten Sommer die Sonne ins Zimmer strahlt.
Außerdem halten LEDs (vor allem die für Beleuchtungszwecke) nicht ewig.
Man muss sie irgendwann austauschen. Wie hoch ist wohl die
Wahrscheinlichkeit, das die neue LED eine andere Betriebsspannung hat?
99%
Selbst innerhalb einer Serie hat man schon Toleranzen von mehreren
Prozent. Das kannst du ganz einfach mal ausprobieren. Hänge 5
unterschiedliche rote LEDs parallel an dein Labornetzteil bei 2V
Festspannung und ohne Strombegrenzung. Wahrscheinlich werden sie alle
leuchten, aber mit sehr unterschiedlicher Helligkeit. Und zwar weil ihre
kristalle alle eine geringfügig andere Durchbruchsspannung haben.
Der einzige Weg, die Leistung und damit die Wärme einer Power-LED auf
einem akzeptablen Wert zu stabilisieren, besteht darin, sie mit einem
konstanten Strom zu betreiben.
Bei kleinen Anzeige LEDs genügt hingegen ein annähernd konstanter Strom
durch einen Vorwiderstand, der wesentlich größer ist, als der
Innenwiderstand der LED. Denn sie werden ohnehin nicht heiß.
Stefan U. schrieb:> Und zwar weil ihre kristalle alle eine geringfügig andere> Durchbruchsspannung haben.
Als Durchbruchsspannung wird in der Halbleitertechnik gewöhnlich die
Spannung bezeichnet, bei der die Diode in Sperrrichtung leitend wird
(wird z.B. bei Zener-Dioden genutzt und heißt dann "Zenerspannung").
Du meinst die Vorwärtsspannung.
Fragensteller schrieb:> Über U=R*I funktioniert das ja nicht, da> die LED meines Wissens keinen (nennenswerten) Widerstand besitzt.
Das ist falsch. LEDs sind keine ohmschen Widerstände, deshalb
führen Messungen mit einem Ohmmeter oder Berechnungen mit dem
Ohmschen Gesetz zu keinen vernünftigen Ergebnis.
> an der LED: I=10mA, U=3.5V (LED nach ~3Min kaputt; max. U=2.5V bei 20mA)> an dem Widerstand: I=10mA, U=5.5V
Da stimmt irgendetwas an Deinem Meßaufbau nicht.
Wenn Du es korrekt machen willst, nimmst Du die Nennspannung aus
dem Datenblatt und errechnest aus der Differenz von dieser zur
Betriesspannung und dem von Dir gewünschten Strom den Vorwider-
stand. Dann baust Du die Schaltung auf und misst die Spannung
am Widerstand. Aus Spannung und Widerstand kannst Du jetzt den
wirklich fliessenden Strom berechnen. Entspricht dieser nicht
Deinen Wünschen, kannst Du mit Verhältnisrechnung einen neuen,
besser passenden Widerstand berechnen.
Das Problem bei LEDs ist, das die Nennspannung laut Datenblatt
nur einen ungefähren Mittelwert angibt. Dieser kann bei echten
LEDs je nach Typ, Exemplar, Temperatur usw. abweichen. Deshalb
wird in "guten" Datenblättern zusätzlich zum Wert auch ein
Streubereich angegeben. Grundsätzlich ist übrigens die Nenn-
spannung von der Lichtfarbe abhängig. Deshalb wirst Du auch
nirgends weisse LEDs mit einer Nennspannung von 2V bekommen,
rote dagegen schon.
Fragensteller schrieb:> Gemessene Werte sind:> an der LED: I=10mA, U=3.5V (LED nach ~3Min kaputt
Bei 10 mA geht keine LED kaputt, bei 3,5 V dagegen schon. Da wurde
einfach nur Mist gemessen.
Georg
