Dimmen einer LED

Wegen der besonderen Form der U-I-Kennlinie bei einer Leuchtdiode ist es nicht ganz einfach, eine Strom bestimmter Stromstärke fließen zu lassen und so die Lichtstärke durch eine Spannung zu steuern. Im Bereich von 0 V bis ca. 1,6 V fließt so gut wie keine Strom. Dann aber steigt die Stromstärke stark an. Bis zur Grenze des Aussteuerbereichs bei ca. 10 mA (je nach  LED) steigt die nötige Spannung von ca. 1,6 V bis ca. 2 V an.

Die technische Lösung eines LED-Dimmers besteht darin, bei konstanter Spannung den Strom immer wieder zu unterbrechen und so durch den Zeitverlauf die an die LED abgegebene Leistung zu verändern (Phasenanschnittsteuerung).

Aber es gibt auch eine Alternative. Eine elektronische Schaltung, die Strompumpe oder spannungsgesteuerte Stromquelle, arbeitet in einem gewissen Arbeitsbereich so, dass der primär hinein fließende Strom auch aus dem Ausgang herausfließen muss. Der Eingangsstrom ist im wesentlichen durch den Eingangswiderstand und die anliegende Spannung bestimmt und kann so mit Hilfe eines Potenziometers leicht eingestellt werden. Die Strompumpe ist so konstruiert, dass im Ausgangskreis der gleiche Strom fließen muss, jetzt also durch die LED.

Abb. 1: Prinzip einer spannungsgesteuerten Stromquelle: Nach Anschluss eines stromleitenden Bauelements wird ein zur Steuerspannung proportionaler Strom erzeugt, ganz gleich (in weiten Grenzen), welchen Widerstand das Bauelement hat. Ich nenne die Schaltung manchmal auch "Strompumpe": Ein hineinfließender Strom wird auch durch den Stromanschluss gepumpt. Für den Physik-Unterricht heißt das, dass man einen bestimmten Zeitverlauf der Stromstärke vorgeben kann, der besonders deutlich physikalische Zusammenhänge demonstriert.

Abb. 2: Grundschaltung einer spannungsgesteuerten Stromquelle mit Hilfe eines Operationsverstärkers Wenn man die Schaltung so auffasst, kommt es auf die Ausgangsspannung UA weniger an. Als Ausgang dienen dann die beiden "Stromanschlüsse". In erster Näherung ist das Grundprinzip sehr einfach zu verstehen. Man braucht nur zwei typische Kennzeichen eines Operationsverstärkers: (1) Prinzip der virtuellen Masse: Das Potenzial beider Eingänge kann sich bei funktionierender Gegenkopplung (zwischen Ausgang A und Eingang E-) höchstens um mV unterscheiden; in erster Näherung ist diese Potenzialdifferenz also Null, und da ein Eingang sicher auf Massepotenzial liegt, liegen beide in guter Näherung auf Massepotenzial. Für die Schaltung bedeutet das, dass die Eingangs-Stromstärke I  (bei Betriebsbedingungen) allein durch UE und R bestimmt ist: I = UE/R. (2) Quasi unendlicher Eingangswiderstand: Es kann kein Strom in den OV hineinfließen. Wenn ein Strom entsprechend (1) fließt, kann er höchstens über den Gegenkopplungszweig fließen. Dadurch ist Größe und Richtung des Stroms im Gegenkopplungszweig (zwischen den "Stromanschlüssen") festgelegt. An den "Stromanschlüssen" können alle möglichen stromdurchlässigen Bauteile angeschlossen werden. Bei dieser wie allen folgenden Schaltskizzen sind die Anschlüsse für die bipolare Spannungsversorgung (+ UB, - UB) nicht eingezeichnet. Es könnten z.B. 2  9V-Block-Batterien verwendet werden. Eine Einschränkung ist zu beachten: Für den Ausgangskreis mit dem Widerstand Ra muss die Ausgangsspannung UA ausreichen, um den Strom I durch Ra zu pumpen. Andererseits ist auch I durch den OV beschränkt, typischerweise auf Imax = 10 mA. Für Ra ergibt sich Ra = UA/I. Der maximale Wert für UA ist etwas geringer als die Betriebsspannung UB. Nehmen wir ein Beispiel: Es gelte UB = 12 V. Dann gilt Ra < 12V/0,01A = 1200 Ω. Mit Ra =1000 Ω  hat man einen guten Wert, der Eingangsströme bis 10 mA zulässt, ohne den Aussteuerbereich des OV zu überschreiten. R könnte dann in gleicher Größenordnung sein, wenn UE < 12 V.

Abb. 3: Die LED am Stromanschluss 1. Die LED wie jede andere Diode wirkt als Ventil; nur bei einer bestimmten Polarität kann ein zur Spannung proportionaler Strom fließen. Bei Stromfluss gelten die grünen Vorzeichen und Pfeile. Die Ausgangsspannung wird nicht genutzt. Der Strom durch den Widerstand (und die Diode) ist unabhängig von einer Schwellenspannung der Diode. Bei richtiger Polarität ist die Stromstärke durch die Diode proportional zur Spannung Ue. 2. Die Schaltung dient als eine Art Dimmer für die Leuchtdiode. Wenn Ue und R einen Strom von 1 mA (5 mA, 10 mA, ... ) durchlassen, fließt dieser Strom auch durch die LED. Man kann auf diese Weise einen wohldefinierten Strom durch die LED fließen lassen ohne an Hand der Kennlinie zu untersuchen, welche Spannung zu einem bestimmten Strom gehört. 3. Ein solcher Gleichrichter ist Voraussetzung für einige andere Versuche, die anderswo erklärt sind: Ermittlung der Gesetzmäßigkeit für die magnetische Energie in einer stromdurchflossenen Spule, Messung der Induktivität, Nachweis des Energieerhaltungssatzes bzgl. elektrischer und magnetischer Energie.

1. Versuch: Funktionstest

2. Versuch: Messung der Stromstärken in Eingangs- und Ausgangskreis

Abb. 4: Messschaltung zum Stromvergleich Der Eingangsstrom wird eingestellt durch einen festen Widerstand (bei der vorgeschlagenen Dimensionierung 1,2 kOhm) und einem Potenziometer ausreichender Belastbarkeit. Der Strom kann dann von ca. 1 mA bis 10 mA verändert werden. Die Sch sehen, dass die beiden Ströme immer übereinstimmen. (Das wäre nicht der Fall, wenn der maximale Ausgangsstrom des OV überschritten wäre (> 10 mA), oder wenn die Betriebsspannung UB nicht ausreichen würde, um 10 mA durch die LED hindurchzupumpen.)

3. Versuch: Kennlinie einer LED

Natürlich ist es einfacher, die Kennlinie konventionell mit I-U-Messgeräten zu ermitteln. Es könnte allerdings stören, dass man dabei in einem relativ kleinen Spannungsbereich die gesamte Stromänderung erhält, besonders, wenn man eine LED ohne Vorwiderstand verwendet (was man zum Schutz der LED unbedingt vermeiden sollte). Das Problem kann man mit der Schaltung Abb. 5 lösen:

Abb. 5: Der Eingangsstrom bzw. Strom durch die LED wird eingestellt durch einen festen Widerstand (bei der vorgeschlagenen Dimensionierung 1,2 kOhm) und einem Potenziometer ausreichender Belastbarkeit. Der Strom kann dann von ca. 1 mA bis 10 mA verändert werden. Um den gewünschten Strom durch die LED zu pumpen muss der OVseine Ausgangsspannung auf den zugehörigen Wert der Kennlinie einstellen. (Die Ausgangsspannung und die weitgehend gleiche Spannung an der LED werden beide quasi gegen Masse gemessen. (Das würde nicht funktionieren, wenn der maximale Ausgangsstrom des OV überschritten wäre (> 10 mA), oder wenn die Betriebsspannung UB nicht ausreichen würde, um 10 mA durch die LED hindurch zu pumpen.)