Physik - Kaleidoskop

Leuchtdiode 288
Beschaltung von LEDs
Die Helligkeit einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Bei konstanter Halbleitertemperatur ist die Zunahme
annähernd proportional. Der Wirkungsgrad sinkt mit steigender Temperatur, deshalb sinkt die Lichtausbeute an der
Leistungsgrenze je nach Art der Kühlung ab. Die LED fällt aus, wenn die Temperatur des Halbleiters ein Maximum
von zirka 150 °C übersteigt.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte Spannung reagiert. Bei einem
ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Eine Leuchtdiode besitzt, typisch für
Halbleiterdioden, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen große
Stromänderungen.
Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie einer Leuchtdiode
schematisch wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße
Hochleistungsleuchtdiode mit einem Nennstrom von 350 mA. Diesen
Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine
Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest
man eine Durchlassspannung von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer
Leistungsaufnahme von etwa 1 W.
Eine LED sollte nicht unmittelbar an eine Spannungsquelle, wie eine
Batterie, angeschlossen werden:
Eine weiße LED bleibt beim „Betrieb“ mit der Spannung 2,4 V (zwei
NiMh-Akkus à 1,2 V) dunkel. Bei 3 V (zwei
Alkali-Mangan-Primärzellen handelsübliche nichtaufladbare
Kennlinie einer weißen LED (schematisch).
„Batterien“) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku-Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die
Leistungsaufnahme auf über 150 %, ohne aktive Kühlung fällt die LED nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im
Diagramm markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch Exemplarstreuungen der
Halbleitereigenschaften beziehungsweise lokale Temperaturerhöhungen. Daher kann der Strom auch bei konstant
gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LEDs mit einem
konstant gehaltenen Strom.
Betrieb mit Vorwiderstand
Die einfachste Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer Spannungsquelle ist, in Reihe zu ihr einen
Vorwiderstand zu schalten. Der Wirkungsgrad ist prinzipiell nicht schlechter als bei einer linear geregelten
Konstantstromquelle. Wird diese Anordnung mit einer Spannungsquelle betrieben, deren Spannung U 0 unter Last
(Nennstrom I) bekannt ist, so lässt sich der gewünschte Strom I über die Wahl des Widerstandes einstellen:
Beispiel:
Die Verlustleistung und damit die Baugröße des Widerstandes ergibt sich zu
Der nächsthöhere Normwert ist 0,5 W.
Bei einer ungeregelten Spannungsquelle wie einem Netzteil aus Transformator mit Gleichrichter und Siebelko führt
der Innenwiderstand der Quelle zu einer starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Laststrom. Bei der
obigen Formel ist dann zu beachten, dass U 0 nicht die Leerlaufspannung ist, sondern die Ausgangsspannung beim