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?
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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.
Leds musst du Dir als Senke mit Konstanter Spannung + einem Widerstand vorstellen.
1 | 350 Ohm 40 Ohm 1,6V |
2 | + 9V o-----[===]---------[===]----||----------------|GND |
3 | |
4 | |------------------| |
5 | Das ist in der LED |
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
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