Hallo und herzlich willkommen zu unserem Tutorial, in dem wir einen Blick auf alles rund um die LED werfen. Zunächst einmal, was ist eine LED? LED steht für Light Emitting Diode und ist ein elektronisches Bauteil, das dazu dient, elektrische Energie in Lichtenergie umzuwandeln. Dieser Prozess wird Elektrolumineszenz genannt. Die LED-Technologie ist überall um uns herum, Anzeigen in der Unterhaltungselektronik, Bremslichter in Autos, TV-Bildschirme, fast jedes elektronische Produkt nutzt LEDs in irgendeiner Form. Die weite Verbreitung der LED-Technologie ist auf die Energieeffizienz, die kompakte Form, die Robustheit und die einfache Handhabung im Vergleich zu traditionellen Beleuchtungsformen zurückzuführen. Da wir nun wissen, dass sie nützlich sind, wie funktionieren sie eigentlich?
In diesem Artikel werden wir grundlegende Elektronik-Theorie und Begriffe verwenden. Wenn Sie also nicht mit dem Ohmschen Gesetz, Spannung, Strom und anderen Begriffen vertraut sind, sollten Sie zuerst unseren Crashkurs Analoge Elektronik lesen.
Arbeitsprinzip von LEDs
Eine LED ist, wie der Name schon sagt, eine spezielle Art von Diode, die elektromagnetische Energie (Licht) aussendet, wenn sie aktiviert wird. Wir werden hier nicht bis ins kleinste Detail auf die Physik der Halbleitertechnologie eingehen, aber eine Diode besteht aus einem P-N-Übergang. Ein P-N-Übergang besteht aus zwei halbleitenden Materialien, von denen eines so bearbeitet („dotiert“) ist, dass es eine große Anzahl von Elektronen hat (N für negativ, da Elektronen negativ geladene Teilchen sind), und das andere so dotiert ist, dass es weniger Elektronen oder „Löcher“ hat, in denen die Elektronen fehlen (P für positiv, da ein Fehlen von Elektronen eine positive Ladung erzeugt). Wenn ein Strom durch diese Verbindung fließt, springen Elektronen von der N-Seite zur P-Seite, um die Löcher zu füllen, während sich die Elektronen durch den Stromkreis bewegen, und wenn die Elektronen diese Lücke überqueren, wird Energie abgegeben (im Fall von LEDs Lichtenergie). Die Physik auf unterer Ebene ist etwas komplizierter, aber es genügt zu sagen, dass man die Wellenlänge der abgegebenen Energie (die Wellenlänge entspricht einer Farbe des sichtbaren Lichts) steuern kann, indem man die Konstruktion der LED und die Materialien, die zur Herstellung des P-N-Übergangs verwendet werden, verändert.
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Apropos Farben: LEDs gibt es in einer Vielzahl von Farben, Formen, Größen und Intensitäten (Helligkeit). Was jedoch oft für Verwirrung sorgt, ist die Frage, warum blaue LEDs in der Regel teurer sind als andere Farben von LEDs. Das liegt daran, dass es rote, grüne und infrarote LEDs schon seit fast einem halben Jahrhundert gibt, blaue LEDs aber erst seit ein oder zwei Jahrzehnten, weil sie ein anderes Material und einen anderen Herstellungsprozess benötigen (Galliumnitrid GaN). Heutzutage kann man jedoch fast jede Farbe von LEDs bekommen, einschließlich LEDs mit nicht sichtbarem Spektrum wie Infrarot (wie sie in Fernbedienungen verwendet werden) und Ultraviolett.
Aufbau einer LED
Eine LED ist ein ziemlich einfaches Gerät, sie besteht aus einem Epoxidkörper (entweder klar oder farbig) mit dem Halbleiterchip in der Mitte, der an zwei Leitungen befestigt ist. Die beiden Anschlüsse einer Diode werden als Anode und Kathode bezeichnet. Die Anode der LED ist der positive Anschluss und die Kathode ist der negative Anschluss. Bei Standard-LEDs mit Durchgangsbohrung hat der Körper auf einer Seite eine abgeflachte Kante, die Leitung auf dieser Seite ist die Kathode und normalerweise auch die kürzere Leitung. LEDs sind wie Dioden gepolte Bauelemente, d.h. sie lassen den Strom nur in eine Richtung fließen. Wenn Sie eine LED falsch in Ihre Schaltung einsetzen, geht sie nicht kaputt, sie leuchtet nur nicht.
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So, das ist schön zu wissen und alles, aber wie geht man eigentlich vor, um LEDs zu verwenden? Schauen wir uns das mal an.
Verwendung von LEDs
Während es viele verschiedene Arten von LEDs für unterschiedliche Anwendungen gibt, wie z.B. Automobil- und Heimbeleuchtung, werden wir uns heute speziell auf die Standard-LED-Typen konzentrieren, die in der Elektronik verwendet werden. Diese LEDs sind in verschiedenen Formen erhältlich, wie z.B. 10mm-3mm Through-Hole-Packages und SMD-Packages, aber das Prinzip ist das gleiche. Bei der Verwendung von LEDs gibt es 2 wichtige Eigenschaften, die beachtet werden müssen, damit sie richtig funktionieren. Da LEDs nur eine spezielle Art von Dioden sind, gelten viele der hier besprochenen Prinzipien auch für Dioden.
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Vorwärtsspannung:
Damit eine LED Licht abgibt, muss eine bestimmte Spannung an die LED angelegt werden. Dies wird als „Vorwärtsspannung“ bezeichnet, oder anders ausgedrückt: Damit die LED Licht erzeugt, muss eine bestimmte Spannung an ihr abfallen. Bei den meisten LEDs liegt diese zwischen 1,7V-3,3V, abhängig von der Farbe des emittierten Lichts (eine blaue LED benötigt eine höhere Vorwärtsspannung als eine rote LED).
Vorwärtsstrom:
Wie bei einem elektronischen Bauteil ist eine LED eine Last in einem Stromkreis und wenn ein Stromkreis geschlossen wird, fließt Strom. Der Vorwärtsstrom einer LED bezieht sich auf die Strommenge, die sie verbraucht, wenn sie mit der vorgesehenen Helligkeit betrieben wird. Bei den meisten LEDs liegt er zwischen 15 mA und 20 mA, und es ist wichtig, dies zu beachten, da eine zu hohe Stromaufnahme die Lebensdauer einer LED dramatisch verkürzt (eine blaue LED, die direkt an eine 12-V-Versorgung ohne Strombegrenzung angeschlossen ist, wird in wenigen Sekunden zerstört). Wegen der extrem niedrigen Stromaufnahme im Verhältnis zur Helligkeit ersetzen LEDs aufgrund ihrer Effizienz traditionelle Beleuchtungsformen in fast allen Bereichen.
Schutz von LEDs mit einem Strombegrenzungswiderstand:
So wichtig der Vorwärtsstrom und die Spannung sind, wie stellen wir sicher, dass unsere LEDs sicher und effizient betrieben werden? Nun, da die meisten Netzteile größer als die Vorwärtsspannung sein werden und mehr als den Vorwärtsstrom liefern können, müssen wir eine zusätzliche Last in unserer Schaltung erzeugen, also verwenden wir einen Widerstand.
Wenn Sie unseren Crash-Kurs Analogelektronik gelesen haben, werden Sie eine gute Vorstellung davon haben, wie Widerstände funktionieren, aber lassen Sie uns kurz rekapitulieren. Die Aufgabe eines Widerstands ist es (Sie haben es erraten), dem Elektronenfluss (Strom) zu widerstehen, und jede ohmsche Last verursacht einen Spannungsabfall. Wir können also einen Widerstand verwenden, um den Strom zu begrenzen, der unserer LED zugeführt wird, und die Berechnung des erforderlichen Widerstands ist eine einfache Sache der Anwendung des Ohmschen Gesetzes: V=IR (Spannung = Strom x Widerstand). Also los geht’s!
Lassen Sie uns die folgende Charakteristik einer typischen roten LED mit einer Vorwärtsspannung von 1,8V und einem Vorwärtsstrom von 20mA nehmen. Für die Simulation verwenden wir ein 9-V-Netzteil.
Wir werden also das Ohmsche Gesetz verwenden, um den benötigten Widerstandswert zu finden, also ordnen wir die Formel so um, dass R=V/I ist. Wenn über der LED 1,8 V abfallen, fallen über dem Rest der Schaltung (unserem Widerstand) weitere 7,2 V ab, also V=7,8. Da wir den Strom durch die Schaltung auf 20 mA begrenzen wollen, ist I=0,02 (Ampere). Jetzt können wir also 7,2 durch 0,02 teilen und erhalten: 360. Wir brauchen also einen Strombegrenzungswiderstand von 360 Ohm.
Und das war’s auch schon, jetzt können Sie den erforderlichen Widerstandswert für die Ansteuerung einer beliebigen LED ausrechnen. Versuchen Sie, eine weitere Aufgabe mit V=IR zu lösen, bei der die LED eine Vorwärtsspannung von 2,2V, einen Vorwärtsstrom von 18mA und die Stromversorgung eine 12V-Versorgung hat, und posten Sie Ihre Antworten in den Kommentaren unten!
Die Helligkeit steuern
Wenn Sie die Helligkeit einer LED einstellen wollen, können Sie den Strombegrenzungswiderstand erhöhen, um den Strom zur LED zu reduzieren und die Helligkeit zu verringern, achten Sie jedoch darauf, dass Sie nicht unter den berechneten Widerstandswert gehen. Dies ist in Ordnung, um die Helligkeit dauerhaft zu fixieren, aber im Gegensatz zu Glühbirnen (traditionelle Glühbirnen, die einen strangförmigen Glühfaden verwenden) können Sie die Helligkeit nicht einfach durch Ändern der Spannung an der LED einstellen. Sie werden eine seltsame Reaktion erhalten und es wird keine schöne glatte Änderung sein. Um die Helligkeit einer LED zu steuern, verwenden Sie stattdessen PWM.
PWM wird in unseren anderen Tutorials ausführlicher behandelt, das Konzept ist jedoch recht einfach. Sie schalten die LED schneller ein und aus, als das menschliche Auge einzelne Blitze wahrnehmen kann, und das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit in einer bestimmten Frequenz wird vom menschlichen Auge als eine Zunahme/Abnahme der Helligkeit wahrgenommen. Für detailliertere Informationen darüber, wie PWM funktioniert, schauen Sie sich dieses DAC for Raspberry Pi Tutorial an.
Verwendung mehrerer LEDS: Serie vs. Parallel
Eine LED zu verwenden ist also in Ordnung, aber was ist, wenn wir mehr als eine LED an eine Stromversorgung anschließen und sie alle leuchten lassen wollen? Man könnte meinen, dass man einfach eine nach der anderen mit einem Widerstand am Ende anschließen könnte, das nennt man Serienschaltung. Allerdings, wenn wir dies taten, hat jede LED einen Spannungsabfall, was bedeutet, dass jede aufeinanderfolgende LED weniger und weniger Spannung zur Verfügung hat, was bedeutet, dass die LEDS dimmer und dimmer bekommen, wie Sie die Schaltung gehen. Was wir tun müssen, ist, sie wie gezeigt parallel zu schalten:
Auf diese Weise befindet sich jede LED in ihrer eigenen Schleife der Schaltung, und keine LED erhält mehr Strom als eine andere. Aber seien Sie gewarnt: Angenommen, Sie benötigen einen 360-Ohm-Widerstand für eine einzelne LED, wie oben gezeigt, dann können Sie nicht einen einzigen 360-Ohm-Widerstand für alle LEDs verwenden, weil dieser Wert so ausgelegt ist, dass er den Strom auf nur 20 mA begrenzt. Wenn Sie aber mehrere LEDs parallel geschaltet haben, addiert sich die Stromaufnahme für sie, so dass wir für eine Stromaufnahme aller LEDs zusammen neu berechnen müssen.
RGB- und Digital-LEDs
So aufregend eine einzelne Farb-LED auch ist, ein großer Vorteil von LEDs ist, dass man aufgrund ihrer geringen Größe mehrere LEDs in einem einzigen Gehäuse kombinieren kann, um eine RGB (Rot-Blau-Grün)-LED zu erzeugen, die dank additivem Licht Farben über das gesamte sichtbare Spektrum erzeugt. Die Verwendung dieser LEDs ist einfach, sie haben einen gemeinsamen Anschluss (entweder die Kathode oder die Anode) und einen separaten Anschluss für jede Farbe, mit dem Sie jeden Farbkanal unabhängig steuern können. Diese sind großartig, aber stellen Sie sich vor, Sie würden eine Menge davon verwenden und die Anzahl der Pins, die zur Steuerung benötigt werden. In den letzten Jahren wurden digital adressierbare LEDs entwickelt, die eine RGB-LED und einen winzigen Controller-Chip in ein Standardgehäuse packen und es Ihnen ermöglichen, riesige Streifen von ihnen mit einem einzigen Mikrocontroller-Pin zu steuern! Weitere Informationen über diese Art von LEDs finden Sie in unserem NeoPixels with Particle-Tutorial.