Reihenschaltung von LEDs (Verständnisfragen)

International Deutsch
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Hallo Leute,

Ich habe gerade ein paar kleinere Verständnisprobleme.

Man nehme an ich würde 2 LEDs in Reihe Schalten, etwa so...

Berechnungen dazu wären folgende:

Arduino pin:
5V, 20 mA

LED:
2,2V, 20 mA

2 LED in Reihe:
5V - 2 x 2,2V = 0,6 V (die am Vorwiderstand abfallen müssen)

Vorwiderstand:
R = U/I = 0,6V / 0,02A = 30 Ohm

... meine Fragen:

  1. das sind die 20mA die jede LED benötigt, oder? Bräuchten die LEDs 25mA, könnte man diese überhaupt bereitstellen oder wird das ganze durch den Pin limitiert?

  2. Wie groß wäre der Gesamtstrom am Pin, wenn die LEDs eingeschaltet werden? Wären es die 20mA, die der Pin ausgibt oder muss man das anders berechnen? Wenn ja, wie?

  3. Was würde sich in diesem Zusammenhäng ändern, wenn man nun 2, oder mehr solcher Reihen parallel (am selben Pin) schaltet, etwa so...

... wäre der Gesamtstrom am Pin der gleiche oder wie berechnet man das?

Sorry für meine Anfängerfragen :smiley:

LG, Marc

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Hallo Marc,

bei einer Reihenschaltung ist der Strom an jeder Stelle der Reihe gleich groß. Er bestimmt sich durch die Größe des Vorwiderstandes. mit 2x Flussspannung hast du schon richtig erkannt.
Die Parallelschaltung von mehreren Gruppen ist prinzipiell möglich. Allerdings kann ein Arduino Pin nur maximal 40 mA schalten und die Summe aller Ausgänge pro IC ist ebenfalls beschränkt.
Sinnvoller ist da die Verwendung eines Treibertransistors, der dann außerdem auch eine höhere Spannung, wie z.B. 12 V schalten kann. So sind dann auch Reihenschaltungen von entsprechend mehr LEDs pro Strang möglich.

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Mal ganz einfach geantwortet:
Eine Led benötigt 5 mA, eine zweite in Reihe benötigt auch 5 mA. Somit fließt durch beide Leds 5 mA.
Du musst den Widerstand dann für 5 mA an der anliegenden Spannung berechnen.
Hier sind es 5 Volt.
Das gleiche nochmal parallel sind dann 10 mA.
Von dieser Konstruktion sollten möglichst nur 4 Stück an einem Pin betrieben werden. Da liegst du dann bei 20 mA.

Edit:

Was der max. Strom eines Arduino Pins betrifft, gibt es leider unterschiedliche Aussagen.
Im Datenblatt des Atmega steht 40 mA pro Pin.
Im Datenblatt des Arduino steht 20 mA pro Pin.
Max. 200 mA für alle Pins zusammen.

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Ich danke euch für eure Antworten!

Jetzt ist's mir klarer geworden :grin:

LG, Marc

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Noch eine Frage die mir gerade spontan einfällt...

was passiert, wenn man den Vorwiderstand größer wählt als er eigentlich sein muss z.B. 100 Ohm statt 30 Ohm:

erhöht sich dann die Spannung, die am Vorwiderstand abfällt?
U = R x I = 100 Ohm x 0,02 A = 2 V

-> damit würden dann nur 1,5 V pro LED überbleiben...

würde die theoretisch überhaupt noch leuchten?! Denn ich hab's genau so ausprobiert (da ich gerade keinen kleineren Widerstand zur Hand hatte) und die LEDs leuchten. Zufall?

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marCenzeichen:
Noch eine Frage die mir gerade spontan einfällt...

was passiert, wenn man den Vorwiderstand größer wählt als er eigentlich sein muss z.B. 100 Ohm statt 30 Ohm:

erhöht sich dann die Spannung, die am Vorwiderstand abfällt?
U = R x I = 100 Ohm x 0,02 A = 2 V

-> damit würden dann nur 1,5 V pro LED überbleiben...

würde die theoretisch überhaupt noch leuchten?! Denn ich hab's genau so ausprobiert (da ich gerade keinen kleineren Widerstand zur Hand hatte) und die LEDs leuchten. Zufall?

Die Leds werden dann dunkler leuchten, so wie du es wohl auch festgestellt hast.
Und wenn du 3 x 100 Ohm Widerstände parallel schaltest, hast du 33, 3 Ohm, geht dann auch.

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Die Angabe "LED: 2,2V, 20 mA" bezieht sich auf den Arbeitspunkt der LED. Will man das Verhalten einer LED außerhalb dieses Arbeitspunktes verstehen, so muß man sich deren Kennlinie ansehen, die nichtlinear verläuft.

Wenn man den für den Arbeitspunkt berechneten Widerstand erhöht, wird, wie schon geschrieben, die LED dunkler, kaputt geht sie nicht.

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Und wenn du 3 x 100 Ohm Widerstände parallel schaltest, hast du 33, 3 Ohm, geht dann auch.

Das heißt also wenn ich für eine Reihe mit 2 LEDs 30 Ohm brauche,
dann brauche ich für 2 Reihen mit 2 LEDs 60 Ohm pro Reihe
und für 3 Reihen 90 Ohm pro Reihe um insgesamt einen Pin Strom von 20 mA nicht zu überschreiten?

-> I = U / R

I1 = (0,6 V / 30 Ohm) * 1 = 0,02 A
I2 = (0,6 V / 60 Ohm) * 2 = 0,02 A
I3 = (0,6 V / 90 Ohm) * 3 = 0,02 A

Ist das so korrekt?

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Nein, du musst jede Reihenschaltung für sich betrachten und dieser einen eigenen Vorwiderstand gönnen.

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Aber wie kommst du dann auf 33,3 Ohm? Das verwirrt mich :confused:

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marCenzeichen:
Aber wie kommst du dann auf 33,3 Ohm? Das verwirrt mich :confused:

Ein Teil des Ohmschen Gesetzes.
Parallelschaltung von Widerständen gleichen Wertes.

Wert durch Anzahl: 100 /3 = 33,3 Ohm
Einzusetzen anstatt des von dir erwähnten 30 Ohm Widerstand.

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Aber dann war das was ich gesagt habe...

Das heißt also wenn ich für eine Reihe mit 2 LEDs 30 Ohm brauche,
dann brauche ich für 2 Reihen mit 2 LEDs 60 Ohm pro Reihe
und für 3 Reihen 90 Ohm pro Reihe um insgesamt einen Pin Strom von 20 mA nicht zu überschreiten?

... doch nicht falsch. Damit wollte ich doch nur sagen, dass wenn ich 3 Reihen mit je einen 90 Ohm (statt 100 Ohm) Widerstand habe, im Endeffekt wieder bei 30 Ohm lande.

Wert durch Anzahl: 100 /3 = 33,3 Ohm

-> 90 / 3 = 30 Ohm

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marCenzeichen:
Noch eine Frage die mir gerade spontan einfällt...

was passiert, wenn man den Vorwiderstand größer wählt als er eigentlich sein muss z.B. 100 Ohm statt 30 Ohm:

erhöht sich dann die Spannung, die am Vorwiderstand abfällt?
U = R x I = 100 Ohm x 0,02 A = 2 V

-> damit würden dann nur 1,5 V pro LED überbleiben...

würde die theoretisch überhaupt noch leuchten?! Denn ich hab's genau so ausprobiert (da ich gerade keinen kleineren Widerstand zur Hand hatte) und die LEDs leuchten. Zufall?

Nein die Rechnung ist falsch. Der Strom wird kleiner sein und hauptsächlich durch den Widerstanfd bestimmt.
An den LED fällt bei einem bestimmten Strom eine bestimmte Spannung ab. Da die I/U Charakteristik eine Diodenkennlinie ist, ist die Durchflußsspannung bei 10mA oder 5mA nicht sehr viel kleiner als die Durchflußsspannung bei 20mA (die in den Datenblättern angegeben ist).
Wenn Du also nicht 20mA Strom wählst sondern weniger, weil Du den Vorwiderstand größer nehmen willst dann wird die Durchflußsspannung nicht 2,2V sein, sondern wahrscheinlich 2V und Darum der Spannungsabfall am Vorwiderstand 1V (5V -2x2V) statt 0,6V. 1V und 100 Ohm ergeben 10mA.

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Viele Grüße Uwe

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marCenzeichen:
Aber dann war das was ich gesagt habe...

... doch nicht falsch. Damit wollte ich doch nur sagen, dass wenn ich 3 Reihen mit je einen 90 Ohm (statt 100 Ohm) Widerstand habe, im Endeffekt wieder bei 30 Ohm lande.

-> 90 / 3 = 30 Ohm

Nein, du verstehst es nicht.

Du must für jede Reihe 30 Ohm ansetzen. Jede Led benötigt den Vorwiderstand. In Reihe reicht dann ein Widerstand.

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HotSystems:
Was der max. Strom eines Arduino Pins betrifft, gibt es leider unterschiedliche Aussagen.
Im Datenblatt des Atmega steht 40 mA pro Pin.
Im Datenblatt des Arduino steht 20 mA pro Pin.
Max. 200 mA für alle Pins zusammen.

Laut Datenblatt des ATmega328 http://www.atmel.com/images/Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A-168PA-328-328P_datasheet_Complete.pdf

Seite 313:
30.1 Absolute Maximum Ratings
DC Current per I/O Pin ............................................... 40.0 mA
DC Current VCC and GND Pins................................ 200.0 mA

Das ist der max Strom, den der Hersteller in allen Lebenslagen garantiert, bei dem die internen Transistoren/Verbindungen noch nicht kaputgehen.

30.2 DC Characteristics auf Seite 313 f
Ein anderer max-Strom ist jener, der einen internen Spannungsabfall produziert, sodaß die Spannungspegel für H und L bei Ausgängen innerhalb der Spezifikation sind:
VOL bei IOL = 20mA und VCC = 5V max 1V
VOH bei IOL = -20mA und VCC = 5V min 4,1V

In den Fußnoten steht:
Although each I/O port can sink more than the test conditions (20mA at VCC = 5V, 10mA at VCC = 3V) under steady state conditions (non-transient), the following must be observed:
1] The sum of all IOH, for ports C0 - C5, D0- D4, ADC7, RESET should not exceed 150mA.
2] The sum of all IOH, for ports B0 - B5, D5 - D7, ADC6, XTAL1, XTAL2 should not exceed 150mA.
If IOH exceeds the test condition, VOH may exceed the related specification. Pins are not guaranteed to source current greater than the listed test condition.

bzw:
Although each I/O port can sink more than the test conditions (20mA at VCC = 5V, 10mA at VCC = 3V) under steady state conditions (non-transient), the following must be observed:
1] The sum of all IOL, for ports C0 - C5, ADC7, ADC6 should not exceed 100mA.
2] The sum of all IOL, for ports B0 - B5, D5 - D7, XTAL1, XTAL2 should not exceed 100mA.
3] The sum of all IOL, for ports D0 - D4, RESET should not exceed 100mA.
If IOL exceeds the test condition, VOL may exceed the related specification. Pins are not guaranteed to sink current greater than the listed test condition.

Diese Ausgangspegel für Spannungsversorgung 5V sind etwas enger definiert (max1V für LOW bzw mindestens 4,1V für HIGH) und die Eingangs Pegel etwas weiter (LOW max 1,5V und HIGH min 3V) damit diese Pegel sicher erkannt werden.

Ich weiß nicht wieso hier 20mA gewählt wurden.

Grüße Uwe

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Umso weniger ist zu verstehen, wieso im Datenblatt von Arduino die 20 mA pro Pin angegeben ist.
Das hatte ich ja auch so geschrieben.

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HotSystems:
Umso weniger ist zu verstehen, wieso im Datenblatt von Arduino die 20 mA pro Pin angegeben ist.
Das hatte ich ja auch so geschrieben.

Bitte lies nochmal meinen Post, Hab ihn zwischenzeitlich vervollständigt.

Grüße Uwe

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@marCenzeichen

Damit immer die 20mA am Außgang fließen ist bei mehreren LED paralell der Strom pro LED kleiner zu wählen als bei einer einzelnen LED (oder Reihenschaltung von LED). Wegen der Diodenkennlinie ist die Rechnung R2 LED = R1 LED*2 nicht ganz richtig. Wegen einiger Tolleranzen kann man diese Rechnung aber praktisch verwenden.
Außerdem ist je kleiner der Spannungsabfall am Vorwiderstand desto mehr haben Abweichungen und Tolleranzen Einfluß auf der wirklich fleißenden Strom und weichen somit vom Rechenergebnis ab.

Grüße Uwe

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uwefed:
Bitte lies nochmal meinen Post, Hab ihn zwischenzeitlich vervollständigt.

Grüße Uwe

Ok, danke für die ausführliche Erklärung.