LED

Eine Leuchtdiode ist eine lichtemittierende Diode (engl. light-emitting diode LED).

Dioden sind generell Halbleiterbauelemente, die elektrischen Strom in in die eine Richtung hindurchlassen und in die andere Richtung sperren:

Diode leitet elektrischen Strom nur in Durchlassrichtung (engl. forward current)

Dabei haben LEDs (wie jede Diode) eine nichtlineare Kennlinie, die vom Farbton abhängig ist:

Kennlinien verschieden farbiger LEDs
http://www.expertsmind.com/learning/light-emitting-diodes-i-v-characteristics-assignment-help-7342873208.aspx   (06.10.2021)

Zunächst auch fließt im niedrigen Bereich der Vorwärtspannung nur sehr wenig Strom. Dieser steigt dann aber mit steigender Spannung sehr schnell an. Wird der Nennstrom der Diode dabei überschritten, wird sie infolge der Wärmeentwicklung zerstört.

Der Pin des Mikrocontrollers liefert eine Spannung von U=5V. Damit würde der Nennstrom von I_N=20mA weit überschritten werden. Die Dioden würden sehr schnell den Wärmetod sterben.

Daher muss die Betriebsspannung auf die sogenannte Flussspannung reduziert werden.

Flussspannung verschieden farbiger LEDs

Die Betriebsspannung wird mit einem Spannungsteiler auf die Flusspannung reduziert und so der Strom begrenzt:

Diode mit Vorwiderstand (Spannungsteiler)

In der Reihenschaltung gilt:

Die Teilspannung addieren sich zur Gesamtspannung:

U_Gesamt = U₁ + U₂ + ...

Der elektrische Strom ist überall gleich:

I = I₁ = I₂ = ...

Betrachtet wird z.B. eine rote Diode:

\( U_B = U_R+U_F\\ U_R = U_B-U_F\\ U_R=5V-1,8V=3,2V \)

Der Nennstrom unserer Standard-LEDs beträgt hier I_N = 20mA. Dieser Strom fließt auch durch den Vorwiderstand. Der Widerstand lässt sich mit dem Ohmschen Gesetz berechnen:

\( R= \frac{U}{I} \\ R_V=\frac{U_R}{I_N}= \frac{3,2V}{0,02A} =160 \Omega \)

Gewählt wird dann der nächsthöhere Widerstand der genormten Widerstandsreihe z.B. R_V=200Ω. Hierdurch wird die Helligkeit der LED nur unmerklich reduziert werden.