Mit LEDs dekorieren und Vorwiderstand berechnen

Badspiegel mit LED-Beleuchtung

LEDs sparen Strom, woran wohl kaum etwas zu rütteln und was jedem bekannt ist. Sie bieten jedoch weitaus mehr Vorteile.

LEDs kommen mit einer sehr geringen Spannung und Stromstärke aus, sodass jeder unbedenklich mit ihnen hantieren, probieren, basteln und dekorieren kann. Mit ein paar wenigen Grundkenntnissen lassen sich bereits tolle Dekorationen und Lichteffekte zaubern. Fachwissen in der Elektrik oder Elektronik ist hierfür nicht nötig. Eine geringe Wärmeabgabe ermöglicht es zusätzlich LEDs in Bereichen einzusetzen.

Einen besonderen Vorteil bieten RGB LEDs. Sie sind in der Lage verschiedene Farben darzustellen, sodass sich bereits mit einer LED unterschiedliche Farben darstellen und auch mischen lassen. Das Einsatzgebiet ist unbegrenzt, was viele Bastler zeigen und Blogger in ihren Projekten beweisen.

Auf dieser Seite möchten wir grundlegendes Wissen vermitteln, mit dem jeder in der Lage sein sollte, kleine Projekte mit LEDs umzusetzen.

Was ist eine LED und wie funktioniert sie?

Die Abkürzung LED steht für Light-Emitter-Diode (deutsch: lichtemittierende Diode) oder kurz Leuchtdiode. Sie ist ein Halbleiterelement, sodass sie den Strom nur in einer Richtung fließen lässt. Daher ist stets auf die Polarisierung einer LED zu achten. Wird in einer Reihe auch nur eine LED falsch angeschlossen, unterbricht sie den Stromkreis und ist nicht in der Lage zu leuchten.

Eine Leuchtdiode besitzt zwei Anschlüsse – die Anode (Pluspol) und die Kathode (Minuspol) – durch die der Strom fließt. Im Inneren der LED befindet sich ein Halbleiter, der zumeist aus einer Galliumverbindung besteht, die beim Durchfluss von Elektronen die angelegte Energie in Licht umwandelt. Die Bauform spielt hierbei eine untergeordnete Rolle. Leuchtdioden gibt es in der bekannten runden Form, in unterschiedlichen Durchmessern, aber auch in funktionellen und spezifischen eckigen Formen.

Die Leuchtfarbe wird durch das verwendete Halbleiterelement und den Bandabstand (Übergang der Elektronen in der LED) bestimmt, mit denen sich alle Grundfarben und auch ultraviolettes oder infrarotes Licht erzeugen lassen. Weißes Licht lässt sich durch das Mischen mehrerer Grundfarben oder durch das Filtern von blauem Licht erzeugen. Tieferes Wissen ist für die eigenen Bastelarbeiten nicht nötig, da LEDs in allen Farben angeboten werden und fertige RGB LEDs sich per kostengünstiger Fernbedienung in jeder Farbe mischen lassen.

Warmweiß und kaltweiß sagt nichts über die abgegebene Wärme aus

Viele Verfechter von LEDs als Wohnraumbeleuchtung bemängeln, dass LED-Lampen eine unnatürliche Lichtfarbe besitzen. Sie halten an alten Glühlampen fest, da nicht auf das gewohnte Licht verzichtet werden soll.

Warmweißer Halogen-Spot und kaltweißer LED-Spot
Warmweißer Halogen-Spot und kaltweißer LED-Spot

Die Farbe des Lichtes wird fachlich als Farbtemperatur bezeichnet und in Kelvin angegeben. Sie reicht von 1000 K (rotes Licht) über gelb bis zu blau mit etwa 12000 K. Das natürliche Tageslicht liegt bei etwa 5000 bis 5500 K und unterscheidet sich in diesem Bereich zwischen Vormittags-, Mittags- und Nachmittagsonne. Das Licht einer normalen Glühlampe liegt jedoch bei etwa 2700 K und erscheint daher gelblich. Dieser Bereich wird als warmweiß bezeichnet, da das Licht eine angenehme Wärme ausstrahlt. Als natürliches Licht kann es jedoch nicht bezeichnet werden.

Natürlicher hingegen wirkt neutralweißes Licht mit etwa 3300 bis 5000 K. Es besitzt noch einen leicht gelb/rötlichen Schimmer, kommt dem Tageslicht aber schon sehr nahe. Als Tageslicht oder kaltweis werden LEDs ab einer Farbtemperatur ab 5000 K bezeichnet. Hier liegt die Farbwahrnehmung zwischen reinem Weiß bei etwa 6500 K bis zu einem kalten Blau bei über 10000 K. Wer also das Tageslicht optimal darstellen möchte, greift zu kaltweißen LEDs, was laut Untersuchungen die Produktivität bei der Arbeit steigern soll. Gelbliches und warmweißes Licht strahlt eher eine gemütliche Atmosphäre aus und wirkt daher entspannend oder gar ermüdend.

LEDs sind in allen Farbtemperaturen erhältlich und können daher die gewohnte Glühlampe ohne Probleme ersetzen. Wer allerdings einen absolut exakten Austausch wünscht, sollte nur zu Markenprodukten greifen, da die angegebene Farbtemperatur unterschiedliche Qualitäten besitzen kann und allein die Angabe warmweiß bereits ein großes Spektrum an einer möglichen Farberscheinung abdeckt. Fest definiert ist eine solche Farbangabe  bei Leuchtmitteln nicht. Verlässlich ist nur die genaue Angabe der Farbtemperatur in Kelvin.

Die Polarität beim Anschluss einer LED ist wichtig!

Beim Anschluss ist immer auf die Polarität der Leuchtdiode zu achten.

  • Pluspol – Anode (kurzes Bein)
  • Minuspol – Kathode (langes Bein, Abflachung an der LED)

Vorsicht bei der Wahl des richtigen Netzteiles

In fast allen Anwendungsfällen werden LEDs mit einem 12 V Netzteil und zusätzlichen Vorwiderständen betrieben. Bei der Wahl des Netzteiles ist jedoch Vorsicht geboten.

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Nicht jedes Netzteil, auf dem 12 V steht, liefert auch immer 12 V. Einfache unstabilisierte Netzteile erreichen nur unter der angegebenen möglichen Belastung in etwa 12 V. Ohne Belastung kann die abgegebene Spannung um einiges höher sein und sogar leicht 16 V erreichen. Da LEDs aber nur eine sehr geringe Belastung (Stromstärke) aufweisen, können sie mit den abgegebenen 16 V schnell überfordert sein. Zwar bedeutet das nicht automatisch, dass sie hierdurch sofort durchbrennen, die zu hohe Spannung führt jedoch zu einem erhöhten Verschleiß, schnellem Nachlassen der Leuchtkraft und anschließend zu einem vorzeitigen Lebensende.

Leuchtdioden dürfen nur mit einem stabilisierten Netzteil betrieben werden. Stabilisierte Netzteile gleichen unterschiedliche Belastungen aus. Egal ob im Leerlauf oder unter maximaler Belastung, sie geben stets die angegeben Spannung ab. Bei Überlastung kann diese natürlich letztendlich auch abfallen, was zwar die Leuchtkraft der LEDs mindert, jedoch nicht schädlich ist oder die Lebenserwartung der LED mindert. Stabilisierte Netzteile kosten kaum mehr als einfache und viele elektronische Steckernetzteile sind heute bereits ohne besondere Kennzeichnung stabilisiert. Die Verwendung von Altbeständen sollte jedoch auf jeden Fall vermieden werden.

Wie wird der Vorwiderstand einer LED berechnet?

Leuchtdioden benötigen nur eine sehr geringe Spannung, die sich grundsätzlich nach der Leuchtfarbe richtet, aber aufgrund unterschiedlicher Qualitäten und Herstellungsverfahren leicht unterschiedlich sein kann. Betreiben Sie LEDs lieber mit einer geringeren als zu hohen Spannung. Eine geringere Spannung mindert die Leuchtkraft, was durch die Erhöhung der Anzahl ausgeglichen werden kann. Eine zu hohe Spannung führt hingegen zu einem schnellen Verschleiß und zum vorzeitigen Verlust der LED.

Benötigte Spannung in Abhängigkeit der LED-Farbe

Infrarot-LEDs rote LEDs gelbe/grüne LEDs blaue/weiße LEDs ultraviolette LEDs
1,2 - 1,8 V 1,6 - 2,2 V 1,9 - 2,5 V 2,7 - 3,5 V 3,1 - 4,5 V

Die in der Tabelle genannten Werte bilden nur einen Richtwert. Grundsätzlich sollte sich nach dem Datenblatt der LEDs gerichtet werde, in dem eine optimale Betriebsspannung angegeben wird, die einen Mittelwert zwischen einer guten Lichtausbeute und einer optimalen Lebensdauer bildet.

LED Vorwiederstandberechnung im einfachen Stromkreis
LED Vorwiederstandberechnung im einfachen Stromkreis

Um Leuchtdioden nach eigenen Vorstellungen zu verbauen, ist es notwendig die Kenndaten der genutzten LEDs und des verwendeten Netzteiles zu kennen. Nur so lässt sich der richtige Vorwiderstand einer LED berechnen. Das folgende Beispiel zeigt, wie der Vorwiderstand einer LED berechnet wird.

Vorgegeben sind typische Daten einer LED:

  • grüne LED
  • Betriebsstrom 20 mA
  • Betriebsspannung 2,5 V

Ausgehend von einem Netzteil mit 12 V und den Grundregeln im einfachen Stromkreis, verbraucht die LED 2,5 V und die übrigen 9,5 V müssen anderweitig "entsorgt" werden. Diese Entsorgung übernimmt der Vorwiderstand. Die Berechnung (Verlustrechnung) erfolgt nach der einfachen Formel R = U / I, was bedeutet: Vorwiderstand = Spannung am Vorwiderstand / genutzten Strom der LED. Im genannten Beispiel ergibt sich daraus: Vorwiderstand = 9,5 V / 0,02 A = 475 Ω. Da nicht jeder Wert als Widerstand erhältlich ist, sollte stets zum nächstgrößeren gegriffen werden. Im Beispiel wäre das ein Widerstand mit 560 Ω. Statt 20 mA erhält die LED so 17 mA, was die Leuchtkraft nur minimal beeinflusst, die Lebensdauer aber erhöht.

Vorwiderstandsberechnung bei mehreren LEDs
Vorwiderstandsberechnung bei mehreren LEDs

Wird eine einzelne LED an ein 12 V Netzteil angeschlossen, muss der Vorwiderstand natürlich enorm viel Spannung aufnehmen (Verlustleistung), die in Wärme umgewandelt wird und somit verloren geht. Sinnvoller ist es,  so viele LEDs in Reihe zu schalten, dass der Vorwiderstand so klein wie möglich ausfallen kann. Die Berechnung erfolgt in ähnlicher Weise.

4 LEDs zu je 2,5 V benötigen insgesamt 10 V, sodass dem Vorwiderstand nur noch 2 V bleiben. Die Stromstärke bleibt bei einer Reihenschaltung unbeeinflusst bei 20 mA oder 0,02 A.

Spannung am Vorwiderstand = Gesamtspannung - LED-Spannung

12 V - 4 x 2,5 V = 2 V

Vorwiderstand = Spannung am Vorwiderstand / Betriebsstrom

2 V / 0,02 A = 100 Ω

Leistungsberechnung des benötigten Netzteils

Um viel mehr LEDs zu nutzen, kann eine Parallelschaltung mehrerer solcher Reihen (4 LEDs + 100 Ω Vorwiderstand) erfolgen. Der Vorwiderstand wird hierbei in jeder einzelnen Reihe benötigt. Die Anzahl der möglichen Reihen wird durch die Leistung des Netzteiles begrenzt, da sich die Leistungsaufnahmen der Reihen addieren. Besitzt das Netzteil eine angegebene Leistung von 600 mA errechnet sich daraus eine Leistung (12 V x 0,6 A) von 7,2 W. Eine LED-Reihe (12 V x 0,02 A) benötigt 0,24 W. Demnach können an diesem Netzteil insgesamt 30 solcher Reihen mit je vier LEDs betrieben werden. Das ergibt eine stattliche Anzahl von 120 LEDs. Die Anzahl der möglichen Reihen lässt sich aber ebenso anhand der angegebenen Leistung errechnen. Besitzt das Netzteil 600 mA und benötigt eine LED-Reihe 20 mA, ergeben sich durch die Rechnung 600 mA / 20 mA ebenso 30 Reihen zu je vier LEDs.

Viele LEDs in einem Stromkreis
Viele LEDs in einem Stromkreis

Natürlich sollte bei einer solchen Rechnung nie von der Volllast des Netzteiles ausgegangen werden. Die angegebenen 600 mA beziehen sich in den meisten Fällen auf eine Spitzen- und nicht auf eine Dauerbelastung. Um das Netzteil nicht zu überfordern, wird zur Sicherheit mit 3/4 der angegeben Leistung gerechnet. Demnach bleiben etwa 450 mA, die 22 Reihen zu je vier LEDs problemlos betreiben sollten.

Steht die benötigte Anzahl der LEDs fest, lässt sich umgedreht ebenso das benötigte Netzteil errechnen. Werden ausgehend von vier LEDs pro Reihe beispielsweise 200 LEDs benötigt, wird das erforderliche Netzteil folgender Weise berechnet:

200 LEDs / 4 LEDs je Reihe = 50 Reihen zu je 4 LEDs

50 Reihen zu je 4 LEDs x 20 mA = 1000 mA ( 1 A)

Das benötigte Netzteil sollte demnach mindestens eine Leistung von 1 A aufweisen. Ausgehend von einer Netzteilauslastung von etwa 75 % wäre ein Netzteil mit etwa 1,3 A nötig, um dieses im Dauerbetrieb nicht zu überlasten.

Dekorationen mit LED-Beleuchtung

Nach all der Theorie und den nötigen Berechnungen, die nach eigenen Erfahrungen durchaus abweichen können, da die Umgebungstemperatur mitunter eine nicht zu vernachlässigende Rolle spielen kann, folgt natürlich der eigentliche Bastelspaß. Hierbei sind den Ideen keine Grenzen gesetzt und es ist unmöglich alle Anwendungsbeispiele aufzuzählen. LED-Projekte entstehen aus dekorativen Ideen, aber auch aus einer benötigten Beleuchtung, wie unser Beispiel an einer Bandsäge zeigt.

Einbau einer Beleuchtung an einer Bandsäge
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