Arbeiten mit LEDs/ Nachtlicht

Nachtlicht mit 6 bis 8 LEDs

Um ein Nachtlicht zu bauen, das mit wenigen Leuchtdioden bereits ein kräftiges Licht ergibt und als Notbeleuchtung in Innenräumen ohne Fenster oder als Nachtlicht für kleine Kinder geeignet ist, bedarf es nicht vieler Bauteile. Dadurch ist es selbst für elektrische Laien einfach zu bauen. Es besitzt mit unter einem Watt einen sehr geringen Stromverbrauch. Dadurch kann es ruhig ständig an einem Netzteil angeschlossen bleiben und auch tagsüber leuchten. Fernseher oder Videorecorder brauchen im Standby erheblich mehr Leistung (so ca. 10 bis 20 Watt).

Gebraucht wird für ein Nachtlicht:

1 Netzteil 12 Volt 200mA

6 bis 9 LEDs

1 Streifenrasterplatine

3 Widerstände 1/4 Watt

1 Gehäuse u.U. mit Schalter

Klinkenbuchse 3,5 mm Printausführung

Schaltplan und Berechnung

Schema

Die Schaltung für das Nachtlicht soll eine Mischung aus Reihen- und Parallelschaltung sein. Da eine Spannung von 12 Volt zur Verfügung steht, können mehrere LEDs hintereinander als Reihenschaltung angeordnet werden. Für diejenigen Leser, die dabei lernen wollen, wie so eine Schaltung dimensioniert wird, werden zur Übung alle Spannungen und Ströme berechnet. Wer nur die Schaltung nachbauen möchte, kann die Berechnungen auch ignorieren und nur die unterstrichenen Werte für die Schaltung verwenden.

Zur Wahl stehen verschiedene Farben. Die Auswahl ist eine reine Geschmackssache. Es sei nur angemerkt, dass unsere Augen für grünes und weißes Licht empfindlicher sind als für blaues oder rotes Licht. Das heißt, dass drei grüne LEDs deutlich heller sind als drei blaue LEDs. Das kommt von der unterschiedlichen Farbempfindlichkeit unseres Sehapparates. Ansonsten hängt die Gesamthelligkeit oder besser gesagt die Ausnutzung der Leuchtkraft von der Reflektionsfähigkeit der Umgebung ab. Also wenn die LEDs gegen eine weiße Zimmerdecke strahlen, ist das heller als bei einer holzvertäfelten, braunen Decke.

Zur Berechnung gilt:

U_{Gesamt}=12Volt,I_{Strang}=25mA

R={\frac {U}{I}}

In die Formel dürfen nur ganze Einheiten eingesetzt werden. Wenn wie hier ein Wert (25milliAmpere) in einem anderen Maß angegeben wurde, dann muss dieses erst auf eine vergleichbare Wertangabe umgestellt werden. Das Wort milli ist ein Zeichen dafür, dass der Wert den tausendsten Teil des Ganzen angibt. In diesem Fall den Strom in Ampere. Das bedeutet, dass 25 mA genau das gleiche sind wie 0,025 Ampere. Erst nach dieser Umstellung der Einheit kommen sinnvolle Ergebnisse aus der Berechnung. Das Komma hat sich bei der Umstellung von mA zu A um drei Stellen nach Links verschoben. Das ist korrekt, da die Tausend drei Nullen hat.

Die E12 Widerstandsreihe zeigt Widerstandswerte handelsüblicher Widerstände. Um den gewünschten Gesamtwiderstand zu erzielen, müssen u.U. zwei oder mehr Widerstände in Reihe geschaltet werden:

10 Ohm

12 Ohm

15 Ohm

18 Ohm

22 Ohm

27 Ohm

33 Ohm

39 Ohm

47 Ohm

56 Ohm

68 Ohm

82 Ohm

Verschiedenfarbige LEDs sind für unterschiedliche Spannungen ausgelegt. Dies liegt an den unterschiedlichen Substraten, aus denen die LEDs verschiedener Farben bestehen.

Berechnung für grüne LEDs

3 × 3,2 Volt = 9,6 Volt		12 Volt – 9,6 Volt = 2,4 Volt		2,4 Volt müssen an dem Vorwiderstand abfallen.
	2,4 Volt : 0,025 Ampere = 96 Ohm		96 Ohm gerundet auf 100 Ohm

Berechnung für rote und gelbe LEDs

Bei roten und gelben Leuchtdioden können bei einer zur Verfügung stehenden Spannung von 12 Volt vier Stück in Reihe geschaltet werden. Dadurch wird erreicht, dass die Vorwärtsspannung der Leuchtdioden näher an die Gesamtspannung von 12 Volt kommt und dadurch weniger Spannung an dem Vorwiderstand abfallen muss. Je weniger Spannung an dem Vorwiderstand ansteht, desto weniger Spannung muss durch ihn "verschwendet" werden, denn der Spannungsabfall am Vorwiderstand wird in Wärme umgewandelt.

4 × 2,2 Volt = 8,8 Volt		12 Volt – 8,8 Volt = 3,2 Volt		3,2 Volt müssen an dem Vorwiderstand abfallen.
	3,2 Volt : 0,025 Ampere = 128 Ohm		128 Ohm gerundet auf 150 Ohm

Berechnung für weiße und blaue LEDs

2 × 3,4 Volt = 6,8 Volt		12 Volt – 6,8 Volt = 5,2 Volt		5,2 Volt müssen an dem Vorwiderstand abfallen.
	5,2 Volt : 0,025 Ampere = 208 Ohm		208 Ohm gerundet auf 220 Ohm

Da die Werte der Vorwiderstände nun für ein 12 Volt Netzteil berechnet sind, ist es nun sehr einfach die Stränge nebeneinander auf der Platine aufzubauen. Durch jeden Strang fließen 25 Milliampere Strom. Bei einem Netzteil, das bis zu 200mA liefern kann, können also bis zu 8 Stränge dieser Schaltung betrieben werden. Bei den roten und gelben LED's wären das also bis zu 32 LED's, die gleichzeitig leuchten können.

Warum wurden unterschiedliche Mengen von LEDs bei unterschiedlichen Farben verwendet?

Es wäre natürlich möglich, pro Strang nur eine LED einer Farbe zu benutzen und jeweils den Widerstand so anzupassen, dass die Schaltung genauso funktioniert, die LED genauso hell leuchtet wie vorher und nicht die Gefahr besteht, dass bei Spannungsschwankung die LED zerstört wird. Durch die hohe, zur Verfügung stehende Spannung von 12 Volt, ist es energiesparender, mehrere LEDs in Reihe zu schalten. Das ist nur deshalb möglich, weil LEDs so eine geringe Spannung von 2 bis 4 Volt benötigen. Trotzdem muss immer ein gewisser Rest der Spannung am Widerstand abfallen, um bei kurzen Überspannungsspitzen die LEDs nicht durch Überlastung zu zerstören und geringe Toleranzen bei den Nennspannungen der LEDs auszugleichen. Ein Richtwert ist ca. 10 bis 20 Prozent für den Widerstand einzuplanen. Bei zwölf Volt sind das eben etwa 2 Volt bis 4 Volt. Der Rest steht für die LEDs zur Nutzung zur Verfügung.

Wenn die LEDs direkt mit ihrer Nennspannung ohne Vorwiderstand betrieben würden, könnte es durch die Eigenerwärmung während des Betriebs zu einer Stromsteigerung kommen. Dadurch würde die LED sich noch weiter erhitzen und noch größeren Strom fließen lassen, bis die LED überlastet wird und durchbrennt. Deshalb ist, wenn die LEDs nicht mit einer Konstantstromquelle betrieben werden, immer ein Vorwiderstand mit einzuplanen.

Bei den mittlerweile käuflichen Konstantstromquellen ist es vollkommen unnötig und widersinnig, einen Vorwiderstand zwischen die LEDs im Lastkreis einzubauen, da die Regelung der Konstantstromquelle dafür sorgt, dass der Strom durch die LEDs immer konstant gehalten wird.