ELEKTOR GRUNDLAGEN-KURS - Dioden und LEDs (Jan. 2012)
Die Elektronik wird immer komplexer, ein einzelner Stromkreis oder Transistor ist da nicht mehr im Blick. So wird es für Einsteiger immer schwieriger, den Anschluss zu bekommen. In dieser Serie wollen wir daher zurück zu den Grundlagen. Und die sind in der Elektronik schön analog. Von Burkhard Kainka (D) in 2012.
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Wo fangen wir an ?
- Blaue 1 Watt LEDs
- hier ein Muster im Betrieb
- Eine Laborplatine mit LEDs
- Bild 1. Die Schaltung der LED-Lampe.
- Bild 2. Die Leuchtdiode.
Bei einem Grundlagenkurs könnte man natürlich ganz vorne anfangen. Strom, Spannung und Leistung, Ohmsches Gesetz, Parallel- und Reihenschaltung, mit anderen Worten der ganze Kram aus dem Physikunterricht, den man eigentlich schon kennt oder kennen sollte. Aber das macht keinen Spaß. Deshalb soll es lieber gleich mittenrein gehen, in kleine praktische Versuche.
Vielleicht fragen Sie sich, für wen ist dieser Kurs eigentlich gedacht? Ideal wäre es, wenn er helfen könnte, neue Leser an das übliche Elektor-Niveau heranzuführen. Vielleicht sind es ja die Söhne und Töchter langjähriger Elektor-Leser, die nun eine Chance erhalten.
Dabei ist es sicher hilfreich, wenn erfahrene Elektroniker und Einsteiger den Kurs zusammen verfolgen. Zu dieser Serie haben wir übrigens ein Forum eingerichtet (www.elektor.de/grundkurs-forum). Es wäre sehr schön, wenn die „alten Hasen" dort etwas von ihrem Wissen und ihrer Erfahrung einbringen könnten.
Es mag auch den einen oder anderen Elektor-Leser geben, der schon viele Projekte aufgebaut hat, aber nie so ganz genau verstanden hat, wie das alles funktioniert. Natürlich kann so ein Kurs keine Wunder wirken, aber etwas Durchblick sollte sich schon einstellen.
Die Grundlagen gehören zu einem großen Teil in die „alte" analoge Elektronik. Doch nur weil es eine Menge Digitales im Bereich der Elektronik gibt, sind diese Basics noch lange nicht unwichtig gewor den. Auch wer sich für Mikrocontroller interessiert, kommt nämlich um die Analogtechnik nicht herum.
Wir zeigen das an einfachen Beispielen aus der „Embedded-Welt". So werden die Controller unter anderem zur Messung analoger Größen eingesetzt. Damit ist der Kurs durchaus auch für Einsteiger in die Welt der kleinen Rechenknechte geeignet.
Die LED und der Vorwiderstand - Warum ?
Bauen Sie als Erstes einmal den Stromkreis in Bild 1 mit einer LED, einem Widerstand (470 Ohm) und einer Batterie auf. Ganz egal wie, mit Luftlötungen frei auf dem Tisch, mit Krokoklemmen oder mit einer Steckplatine (nur eine speziell angefertigte Platine lohnt sich wohl nicht). Egal wie, Sie werden die LED sicher zum Leuchten bringen.
Bei LEDs muss immer die Polung beachtet werden. Der (+)Plus-Anschluss ist die Anode. Der (-)Minus-Anschluss heißt Kathode und liegt am kürzeren Anschlussdraht.
Außerdem gibt es am Gehäuse eine abgeflachte Stelle auf der Kathodenseite. Im Inneren der LED erkennt man einen kelchartigen Halter für den LED-Kristall, der meist (aber nicht immer) an der Kathode liegt. Der Anodenanschluss ist über ein extrem dünnes Drähtchen mit einem Kontakt auf der Oberseite des Kristalls verbunden. Polen Sie die LED einmal um, dann leuchtet nichts mehr. So ist das bei jeder Diode, Strom fließt nur in einer Richtung hindurch, manchmal bezeichnet man sie deshalb auch als elektrisches Ventil.
Eine LED darf niemals direkt an die Batterie angeschlossen werden. Wenn man den Strom, der durch die LED fließt, über der Spannung aufträgt, sieht man, warum das so ist.
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- Bild 3. Kennlinien einer Si-Diode (1) sowie einer roten (2), grünen (3) und einer weißen LED (4).
Bild 3 zeigt diese Kennlinien für verschiedene LED-Typen. Allen Kennlinien gemeinsam ist der exponentiell ansteigende Strom. Wenn die Spannung noch unter der so genannten Durchlass-Spannung liegt, dann fließt so gut wie kein Strom.
Wird die Spannung aber auch nur ein wenig zu hoch, ist der Strom gleich viel zu groß, die LED könnte überlastet werden. Man hat kaum eine Chance, genau die richtige Spannung einzustellen. Auch deshalb nicht, weil sich die Kennlinie bei steigender Temperatur mit ca. 2 mV/K etwas nach links verschiebt. Aber einen bestimmten Strom einstellen, das ist einfach, und zwar über einen Vorwiderstand. Man muss nur den richtigen Wert aussuchen. Die korrekte Spannung ergibt sich dann ganz von allein.
Ein Berechnungs-Beispiel für den zulässigen Strom :
- Bild 4. Messungen in der Schaltung.
Geht man von einem typischen Strom von 20 mA aus, dann findet man ungefähr die folgenden Durchlass-Spannungen:
Si-Diode(z.B. 1N4148) hat 0,7 V
Rote LED 1,8 V
Grüne LED 2,1V
Blaue/weiße LED 3,5 V
Messen Sie das bitte einmal nach (siehe Bild 4). Die genauen Spannungen können etwas abweichen. Zum Beispiel haben neuere, superhelle rote LEDs eine etwas größere Durchlass-Spannung als ältere rote LEDs.
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Den Strom vorab dimensionieren
Wenn Sie die Diodenspannung gemessen haben und die Batteriespannung kennen, brauchen Sie den Strom nicht mehr zu messen, denn Sie können ihn berechnen.
Am Widerstand liegt nämlich in diesem Fall eine Spannung von 9V-1,8V=7,2V. Das Ohmsche Gesetz liefert dann den Strom.
I = U/R
I = 7,2V/470 Ohm
I = 0,0153 A= 15,3 mA
Um nun umgekehrt einen Vorwiderstand zu berechnen, muss man den gewünschten Strom festlegen und die Betriebsspannung und die LED-Spannung kennen.
Man möchte z.B. mit einer grünen LED einen Strom von 20mA fließen lassen. Die Spannung an der LED kann ausreichend genau mit 2,1V angenommen werden. Die Batteriespannung ist 9V. Der Widerstand bewirkt also einen Spannungsabfall von 9V-2,1V=6,9V.
Die Berechnung liefert 345 Ohm. So etwas kann man aber leider nicht kaufen. In Ihrer Bastelkiste finden Sie aber vielleicht einen Widerstand mit 330 Ohm oder mit 390 Ohm. Nehmen Sie am besten den größeren, dann sind Sie mit dem Strom auf der sicheren Seite.
R = U/I
R = 6,9V/0,02A
R = 345 Ohm
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Variieren Sie mal den Strom und messen die Spannung
Versuchen Sie es auch mal mit sehr viel größeren Vorwiderständen. Messen Sie jeweils die LED-Spannung und bestimmen Sie den Strom. Allgemein gilt: Ob Sie nun 1mA, 5mA oder 10mA durch die LED schicken, die Spannung ändert sich nur wenig. Und das liegt am exponentiellen Verlauf der Kennlinie.
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Die Reihenschaltung von Dioden / LEDs
- Bild 5. Reihenschaltung von LEDs
Oft ist es günstig, zwei oder mehr LEDs nach Bild 5 mit einem gemeinsamen Vorwiderstand in Reihe zu schalten. Da sich nun beide Diodenspannungen addieren, wird der Spannungsabfall am Vorwiderstand entsprechend kleiner.
Um trotzdem den erlaubten Strom von 20mA zu erreichen, muss der Vorwiderstand verkleinert werden. Angenommen, Sie haben eine rote LED mit 1,8V und eine grüne LED mit 2,2V. Dann brauchen beide LEDs zusammen gerade 4V. Am Vorwiderstand liegt dann noch eine Spannung von 5V. Mit einem Vorwiderstand von 470 Ohm kämen sie jetzt auf ca. 10mA. Schalten Sie zwei gleiche Widerstände parallel, dann verdoppelt sich der Strom. Wenn Sie mal genau nachrechnen, sollte ein Strom von 21mA fließen.
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- Nachtrag aus 2022 : Bei der Reihenschaltung von zum Beispiel 10 (gleichartigen) LEDs fließt im gesamten Stromkreis der gleiche Strom. Das steuert man heutzutage mit einer elektronischen Konstantstromquelle sehr komfortabel und sicher.
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Wie funktioniert das in der Physik ?
Halbleiter und Sperrschichten
- Bild 6. Kristallgitter des Siliziums.
- Bild 7. Mit Phosphor dotiertes n-Silizium.
- Bild 8. Mit Aluminium dotiertes p-Silizium.
- Bild 9. Schichtenaufbau einer Diode.
- Bild 10. Diode in Durchlassrichtung.
- Bild 11. Vergrößerung der Sperrschicht in Sperrrichtung.
Die Leitfähigkeit eines typischen Halbleiters wie z.B. Silizium steigt allgemein bei einer Erwärmung an, aber bei Raumtemperatur ist die Leitfähigkeit noch sehr gering. Das liegt daran, dass alle vier äußeren Elektronen im Kristallgitter gebunden sind (Bild 6). Sie lassen sich aber durch geringe Energiezufuhr befreien.
Als „Halbleiter" bezeichnet man auch die Bauelemente, die aus Halbleitermaterial gefertigt sind, also z.B. Dioden und Transistoren. Man verwendet z.B. Silizium, das mit Fremdatomen gezielt verunreinigt (dotiert) wurde, um eine bestimmte Leitfähigkeit herzustellen.
Setzt man fünfwertige Stoffe (z.B. Phosphor) ein, dann erhält man freie Elektronen und damit eine negative (n-) Leitfähigkeit (Bild 7). Mit dreiwertigen Stoffen (z.B. Aluminium) erreicht man Elektronen-Fehlstellen, die zu einer p-Leitfähigkeit führen. Dabei wandern Elektronen-Löcher quasi als positive Ladungsträger durch den Kristall, indem benachbarte Elektronen ein Loch füllen und damit wieder ein neues Loch zurücklassen (Bild 8).
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Dioden sind Halbleiter-Bauelemente
Sie leiten den Strom nur in einer Richtung. Man baut sie meist aus Schichten mit n-dotiertem und p-dotiertem Silizium.
An der Berührungsfläche zwischen beiden Schichten bildet sich eine nicht leitende Sperrschicht geringer Dicke. Freie Elektronen füllen in diesem Bereich Löcher (Rekombination), sodass wie im reinen Silizium praktisch keine freien Ladungsträger mehr vorhanden sind.
Die Diode ist damit zunächst ein Nichtleiter (Bild 9). Legt man an die äußeren Kontakte der Diode eine kleine Spannung, dann vergrößert oder verkleinert sich die Sperrschicht.
Die Ladungen verschieben sich
Zunächst sollen der n-Anschluss mit dem Minuspol und der p-Anschluss mit dem Pluspol verbunden werden. Die Ladungen an den Anschlüssen stoßen dann ihre jeweiligen Ladungsträger in Richtung der Sperrschicht. Ab einer Spannung von ca. 0,5 V beginnen sich die n- und die p-Schicht zu berühren, und jetzt fließt auch ein Strom (Bild 10). Bei ca. 0,7 V ist eine gute Leitfähigkeit erreicht. Die Diode wird nun in Durchlassrichtung betrieben.
Vertauscht man die Polung ....
Polt man die Spannung um, tritt der gegenteilige Effekt auf:
Ladungsträger werden zu den äußeren Anschlüssen hingezogen, so dass sich die Sperrschicht vergrößert. Die isolierende Wirkung der Sperrschicht wird also besser (Bild 11). An eine typische Diode vom Typ 1N4148 kann eine Sperrspannung von bis zu 75V gelegt werden. Man kann die Diode als ein elektrisches Ventil bezeichnen, da sie den Strom nur in einer Richtung passieren lässt. Sie kann daher als Gleichrichter eingesetzt werden.
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Die Kenndaten der Diode sind wichtig
Die Sperrspannung sollte im Normalfall nicht größer werden als der Hersteller empfiehlt. Legt man zu viel Spannung an, fließt ein Sperrstrom. Man spricht hiervon einem Durchbruch (der Isolierung).
Bei speziellen Dioden wie z.B. den "Zenerdioden" ist dieser Effekt gewünscht. Die Z-Diode hat eine genau definierte Durchbruchspannung und wird zur Spannungsstabilisierung eingesetzt.
Quält man eine Si-Diode wie die 1N4148 mit zu hoher Sperrspannung, dann erlebt man den so genannten zweiten Durchbruch, und der ist endgültig. Der dann viel zu große Sperrstrom erwärmt nämlich die Sperrschicht bis zur Zerstörung.
Es bildet sich dann ein dauerhafter und nicht mehr reparierbarer Kurzschluss.
LEDs sind auch Dioden
Sie besitzen ebenfalls einen pn-Übergang. Das Halbleitermaterial ist z.B. Galliumarsenid. In Durchlassrichtung findet man eine höhere Spannung als bei Si-Dioden. Und bei der Rekombination von Elektronen und Löchern entsteht sichtbares Licht. Dieser Effekt existiert zwar auch bei Si-Dioden, aber dort entsteht nur sehr wenig Licht im Infrarotbereich.
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