Arduino Grundlagen Teil 6: Die LED Schaltung im Detail

Die LED Schaltung im Detail

Die LED Schaltung im Detail

Im Artikel >> Eine externe LED blinken lassen haben wir eine einfache Schaltung aufgebaut, um eine externe LED blinken zu lassen. Wir haben aber noch nicht darüber gesprochen, wie man den passenden Vorwiderstand auswählt und was dabei zu beachten ist.

LED-Schaltung

LED-Schaltung

Was wir erst mal wissen müssen, sind der maximale Strom und die maximale Spannung der LED. Dafür schauen wir uns nochmal die Tabelle der Spannungen (ULED) von Standard-LEDs an:

LED-Farbe Spannung (ULED)
Infrarot 1,2-1,8V
Rot 1,6-2,3V
Gelb 1,9-2,5V
Grün 1,9-2,5V
Blau 3-4V
Weiß 3-4V
Ultra-Violett 3-4V

Wie im vorangegangenen Artikel bereits erwähnt, liegt der maximale Strom (ILED) von Standard-LEDs meist bei 10-30mA. Sollte die von Dir gewählte LED mehr Strom vertragen, musst Du ihn lediglich in der Berechnung anpassen.

Die rote LED aus dem Beispiel wird mit einer Spannung (ULED) von ca. 1,6V und einem Strom (ILED) von maximal 10mA angegeben. Diese Daten bekommen wir vom Hersteller und/oder Händler. Das erste was wir jetzt berechnen ist die Spannung am Widerstand R1, also

Die Spannung UR1

Der Arduino Nano hat eine Ausgangs-Spannung an den digitalen Pins von 5V, das ist unsere Gesamt-Spannung (Uges). Wir brauchen also einen Widerstand (R1), an dem die überflüssige Spannung abfällt und welcher gleichzeitig den Strom (ILED) auf maximal 10mA begrenzt. Die Berechnung für die Spannung des Widerstandes (UR1) ist wie folgt:

UR1 = Uges – ULED  = 5,0V – 1,6V = 3,4V

Am Widerstand wird also die Spannung UR1 von 3,4V abfallen.

Zur korrekten Berechnung des Widerstands R1 wird noch etwas benötigt, und zwar

Der maximale Strom der LED ILED

Der maximale Strom, der durch die LED fließen darf (ILED), beträgt bei dieser LED 10mA. Sollte mehr Strom fließen, kann die LED schnell Schaden nehmen oder direkt kaputt gehen. Wir sollten also auf jeden Fall unter den 10mA bleiben.

Die einzige Möglichkeit, die wir haben um den Strom zu begrenzen, ist also

Der Widerstand R1

Nach Ohm’schen Gesetz:

R = U / I (Widerstand = Spannung / Strom)

muss der Widerstand R1 mindestens folgenden Wert haben:

R1 = UR1 / IR1 = UR1 / ILED = 3,4V / 10mA = 340Ω

Wählen wir einen 340Ω Widerstand, können also maximal die 10mA fließen.

Es gibt dabei aber ein kleines Problem. Einen Widerstand mit 340Ω wird man eher selten finden. Die nächsten Nachbarn haben normalerweise 330Ω bzw. 470Ω. Die logische Frage ist jetzt:

Widerstand größer oder kleiner wählen?

Kurz gesagt, man sollte den nächst größeren Widerstand mit 470Ω für R1 wählen. Prinzipiell reicht diese Aussage zwar aus, aber wir wollen ja auch etwas lernen und ein Verständnis davon haben, was wir tun. Um das Warum zu verstehen, betrachten wir jetzt also noch

Die Zusammenhänge

Eine LED ist eine Licht-Emittierende-Diode. Da es eine Diode ist, fällt an ihr eine recht gleichbleibende Spannung ab. Die restliche Spannung wird am Widerstand abfallen. Kritisch ist bei LEDs der maximale Strom, der nicht überschritten werden sollte. Dieser Strom muss vom Widerstand begrenzt werden. Man kann „laienhaft“ zusammenfassen:

  • Die LED hat eine fest vorgegebene Spannung (ULED), die sich nicht ändern wird.
  • Den Strom (ILED) müssen wir für die LED begrenzen.
  • Der Widerstand (R1) muss folglich so gewählt werden, dass bei der übrig bleibenden Spannung (UR1 = Uges – ULED) weniger als der maximale LED-Strom (ILED) durch den Widerstand fließen kann.

Wenn wir den Widerstand R1 also etwas größer wählen, die Spannung ULED der LED aber gleich bleibt, wird die Spannung UR1 am Widerstand trotz der Änderung ebenfalls gleich bleiben. Als einzige Veränderliche bleibt noch der Strom. Es kann also nur weniger Strom durch den Widerstand fließen.

Die logische Kette ist:

  • Gegeben: Die Spannung ULED der LED bleibt unabhängig vom Widerstand gleich.
  • Folgerung: Dadurch bleibt die Spannung UR1 des Widerstands ebenfalls gleich.
  • Aktion: Der Widerstand R1 wird vergrößert.
  • Reaktion: Das einzige, was sich ändern kann (da die Spannungen ja gleich bleiben) ist der Strom.
  • Ergebnis: Da der Widerstand größer wird, kann der Strom nur kleiner werden.

Die Berechnung dazu ist:

ILED = IR1 = UR1 / R1 = (Uges – ULED) / R1 = (5,0V – 1,6V) / 470Ω = 3,4V / 470Ω = 7,23mA

LED-Schaltung 2

LED-Schaltung 2

Fazit

In diesem Artikel haben wir uns die Berechnung eines Vorwiderstands für LEDs angeschaut. Solche Art Berechnung von Vorwiderständen werden wir häufiger benötigen, nicht nur für LEDs. Es war vielleicht nur ein kleines Beispiel, aber es ist eine Grundlage, die wir auf jeden Fall beherrschen müssen.

Falls es Dir noch nicht aufgefallen sein sollte:

„Herzlich Willkommen in der Schaltungs-Technik! Wir hoffen dieser kleine Ausflug hat Dir gefallen!“ 😉


Arduino Grundlagen Kurs im Überblick:

>> Teil 1: Der Arduino im Detail
>> Teil 2: Die Bauteile des Arduino
>>Teil 3: Ein Programm auf einen Arduino laden
>> Teil 4: Eine LED blinken lassen!
>> Teil 5: Eine externe LED blinken lassen
>> Teil 6: Die LED Schaltung im Detail
>> Teil 7: Mehrere LEDs ansteuern & blinken lassen
>> Teil 8: Eine LED dimmen
>> Teil 9: Mehrere LEDs dimmen
>> Teil 10: Taster an Arduino anschließen
>> Teil 11: Serielle Schnittstelle
>> Teil 12: Softwareserial Library

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