FRANZIS Peter Lay E X P E R I M E N T E Selbstbauprojekte mit Leuchtdioden 50 praktische Anwendungen für Haus, Garten und Hobby 5 Vorwort Dieses Fachbuch bietet einen kurzen Überblick über die historische Entwicklung der LEDs und wichtige Grundlagen zum Umgang mit ihnen. Danach folgen einige Kapitel über verschiedene LED-Projekte. Sie sind nach Anwendungsgebieten gegliedert. Auch werden Denkansätze für eigene Kreationen geliefert. Ein ausführlicher Anhang mit Datenblättern und sonstigen Informationen über die Anwendung von LEDs runden das Buch ab. Ziel des Buches ist es, Anregungen für die Anwendung von Leuchtdioden zu geben. Deshalb werden hier Ideen vorgestellt, die praxisorientiert sind und Sie motivieren, selbst aktiv zu werden. Ich danke an dieser Stelle allen, die mir freundlicherweise Informationen, Daten und Bildmaterial für dieses Buch zur Verfügung gestellt haben: der Berufsgenossenschaft Elektro Textil Feinmechanik in 50968 Köln, dem VDE Verlag GmbH in 10625 Berlin, Conrad Electronic SE, Pusch GmbH & Co. KG, Pollin Electronic GmbH und allen anderen, die im Quellenverzeichnis erwähnt sind. Für Anregungen und Verbesserungsvorschläge bin ich jederzeit dankbar. Peter Lay, März 2009 6 Inhalt Inhalt 1 Eine kurze Geschichte der LEDs ............................... 8 2 Allgemeines über LEDs ..................................... 10 3 Nützliches für den Hausgebrauch ............................ 21 3.1 Tassenuntersetzer mit LED .................................... 21 3.2 LED-Tassenuntersetzer mit Temperaturdetektor ................... 23 3.3 LED-Lichtorgel für die Hi-Fi-Anlage .............................. 26 3.4 LED-Elektronik in der Flasche .................................. 29 3.5 Vitrine mit LED-Elektronik ..................................... 33 3.6 Hinweistafeln fürs Haus ...................................... 36 3.7 Kerzenlicht und LED ......................................... 39 3.8 Licht aus der Sektflasche ..................................... 43 3.9 Dekorative Blumenleuchte .................................... 46 4 X-Block®-Technologie ...................................... 49 4.1 Treppenaufgang ............................................ 51 4.2 Wohnzimmer ............................................... 53 4.3 Schlafzimmer .............................................. 54 4.4 Kinderzimmer .............................................. 56 4.5 Badezimmer ............................................... 57 5 LED-Projekte für die Gesundheit ............................. 59 5.1 Bild mit Spiralstruktur ....................................... 59 5.2 Bild mit Dreieckstruktur ...................................... 61 5.3 3-D-Objekt ................................................. 65 6 Spielzeuge ............................................... 68 6.1 Dreirad und Co. ............................................. 68 6.2 Modellbau ................................................. 75 6.3 Chinesisches Schattentheater ................................. 77 6.4 Experimentierkasten mit LEDs ................................. 81 6.5 Puppenhaus ............................................... 84 6.6 Modelleisenbahn ........................................... 84 7 Gartenprojekte ............................................ 86 7.1 Beleuchtung für Gartenzwerge ................................. 86 Inhalt 7 7.2 Solaraggregat für den Garten .................................. 88 7.3 Marderschreck ............................................. 89 7.4 Lichtschlauch für den Garten .................................. 91 8 Partylaune mit LEDs ........................................ 96 8.1 LED-Herz .................................................. 96 8.2 Selbstleuchtende Luftballons ................................. 97 9 Strom sparen mit LEDs .................................... 100 10 Interessantes mit LEDs ................................... 103 10.1 Sicherheit mit LEDs ....................................... 103 10.2 Extravagante Designs mit LEDs .............................. 104 10.3 Wandschmuck ........................................... 105 10.4 Elektronische Spielereien .................................. 105 11 Weitere Projekte mit LEDs ................................. 107 12 Nützliche LED-Schaltungen ................................ 108 13 Glossar ................................................ 111 14 Schlusswort ............................................ 112 15 Anhänge .............................................. 113 16 Quellennachweis ........................................ 152 17 Stichwortverzeichnis .................................... 153 8 1 Eine kurze Geschichte der LEDs 1 Eine kurze Geschichte der LEDs 1907 Henry Joseph Round beobachtet Lichtemissionen bei manchen anorganischen Stoffen, sobald eine Spannung angelegt wird. 1921 Oleg Vladimirovich Losev entdeckt den Round- Effekt erneut. 1927 (und folgende Jahre) Oleg Vladimirovich Losev vermutet, dass der Round-Effekt die Umkehrung des fotoelektrischen Effekts ist und untersucht ihn genauer. 1935 George Destreau entdeckt, dass auch Zinksulfid beim Anlegen einer Spannung leuchtet. 1951 (und folgende Jahre) Zunächst weitere Experimente mit Zinksulfid, spä- ter Experimente mit III-V-Halbleitern. 1957 (und folgende Jahre) Forschungen mit Galliumarsenid (GaAs) und Gal- liumphosphid (GaP) 1962 (und folgende Jahre) Nick Holonyak gilt als Erfinder der Leuchtdioden (es gibt aber auch andere Meinungen). Erstmals kommen rote Leuchtdioden auf den Markt, später auch gelbe. Anwendungen: Signallämpchen, Zif- fernanzeige in Taschenrechnern und Uhren. 1970 (und folgende Jahre) Leuchtdioden auf der Basis von Galliumphosphid (GaP) und anderen Halbleitern. Es kommen grüne LEDs auf den Markt. 1988 Effiziente Erzeugung von kurzwelligem Licht (blau, UV) auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) durch die japanische Forschergruppe von Akasaki. In den Jahren zuvor wurde mit dem wenig effizienten Sili- ziumkarbid für blaue LEDs experimentiert. 1 Eine kurze Geschichte der LEDs 9 1992 Erste kommerzielle blaue LEDs auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) durch die japanische For- schergruppe von Shuji Nakamura. 1993 Weiße LEDs und blaue Laser erscheinen auf dem Markt. 2004 LEDs als Tagfahrlicht in Kraftfahrzeugen. 2007 (November) Weiße LEDs erreichen eine Lichtausbeute von 40 –110 lm/W. Zum Vergleich: Glühlampen 17 lm/W, Halogenlampen 30 lm/W und Leuchtstofflampen 60 bis 110 lm/W. 2008 LEDs als Hauptscheinwerfer in Kraftfahrzeugen als Sonderausstattung für Serienfahrzeuge. 10 2 Allgemeines über LEDs Ein paar wesentliche Grundlagen zum Umgang mit LEDs betreffen … (cid:404) … die Dimensionierung der Schaltungen, speziell die Bestimmung des Vorwider- stands, (cid:404) … den Umgang mit Datenblättern, speziell von LEDs und (cid:404) … die Einhaltung von Sicherheitsbestimmungen. Abb. 1 zeigt die Beschaltung eines (ohmschen) Widerstandes. Er liegt an einer Span- nung U und es fließt ein Strom I. Abb. 1: Einfacher Schaltkreis mit einem Widerstand Verändert man die Spannung in dieser Schaltung, ändert sich auch der Strom. Schon Ohm hat erkannt, dass sich beim Widerstand Strom und Spannung proportional zu- einander verhalten. Trägt man die Spannungswerte und die zugehörigen Stromwerte in einem Diagramm ein, erhält man eine Gerade – genauer, eine Ursprungsgerade, da sie durch den Koordinatenursprung geht. Je kleiner der Widerstandswert ist, umso größer ist der Strom bei einer bestimmten Spannung. Abb. 2 zeigt die Widerstandsge- raden von zwei unterschiedlich großen Widerständen. Abb. 2: Zwei Widerstandsgeraden im Diagramm I = f(U); R1 ist der kleinere Widerstand und R2 der größere. Die Steigung der Geraden stellt den Leitwert dar. Je größer die Steigung, umso größer ist der Leitwert. Da der Widerstandswert als Kehrwert des Leitwerts (R = 1 / G) defi- 2 Allgemeines über LEDs 11 niert ist, repräsentiert die Widerstandsgerade mit der größeren Steigung den kleineren Widerstand. Bis hierher ist alles noch ganz einfach. Wie aber sieht es aus, wenn zwei Widerstände in Reihe geschaltet werden? Auch in diesem Fall betrachtet man erst einmal das Schalt- bild. Abb. 3 zeigt eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen und die zugehörigen Spannungs- und Strompfeile. Die Betriebsspannung U teilt sich über den beiden Wi- B derständen R1 und R2 auf. Hierbei gilt die einfache FormelU =U +U . Wie groß B R1 R2 die einzelnen Teilspannungen U und U sind, hängt von der Größe der beiden Wi- R1 R2 derstände und der Betriebsspannung ab. Der Strom I ist bei der Reihenschaltung über- all gleich groß und hängt von der Betriebsspannung und dem Gesamtwiderstand ab. Mathematisch sieht das dann so aus: U I= B R +R 1 2 U =I⋅R R1 1 U =I⋅R R2 2 Da die Spannungen sich wie die zugehörigen Widerstände verhalten, gilt außerdem noch: U R U R R R1 = 1 und R1 = 1 . Aus letzter Gleichung folgtU =U 1 . Analog U R U R +R R1 B R +R R2 2 B 1 2 1 2 R ergibt sich auchU =U 2 . R2 B R +R 1 2 Abb. 3: Reihenschaltung von zwei Widerständen Ein Beispiel veranschaulicht das Prinzip. Gegeben sei die Betriebsspannung U = 8 V, B R1 = 20 (cid:58) und R2 = 12,5 (cid:58). Gesucht sind die Teilspannungen an den Widerständen und der Strom durch die Reihenschaltung. Diese Werte in obige Formel eingesetzt ergibt: R 12,5Ω U =U 2 =8V⋅ =3,08V R2 B R +R 20Ω+12,5Ω 1 2 12 2 Allgemeines über LEDs Die Formel U =U +U kann man nach U auflösen und erhält nach Einsetzen B R1 R2 R1 der entsprechenden Werte die Teilspannung am Widerstand R1: U =U −U =8V −3,08V =4,92V R1 B R2 U 8V Der Strom ergibt sich aus obiger Formel zuI= B = =246mA. R +R 20Ω+12,5Ω 1 2 Anstatt die beiden Teilspannungen algebraisch zu ermitteln, kann man auch gra- fisch vorgehen. Dazu verwendet man ein rechtwinkliges Koordinatensystem und bezeichnet die waagerechte Achse (Abszisse) mit der Spannung U und die senkrech- te Achse (Ordinate) mit dem Strom I. Da die Widerstandskennlinien Geraden sind, genügt es, zwei Punkte von jeder Geraden zu kennen. Der Graph des Widerstands R1 wird als Ursprungsgerade gezeichnet, wobei der erste Punkt der Ursprung des Koordinatensystems ist (U = 0 V, I = 0 A). Den zweiten Punkt muss man berechnen, indem man den Strom durch diesen Widerstand für irgendeine Spannung (z. B. U = 8 V) bestimmt: I=U/R =8V/20Ω=400mA. Der zweite Punkt der Wider- 1 standsgeraden liegt somit in diesem Beispiel bei (8 V, 400 mA). Wenn man diesen Punkt mit dem Ursprung verbindet, erhält man die Widerstandsgerade für den Wi- derstand R1 (siehe Abb. 4). Solche Widerstandsgeraden haben eine positive Stei- gung. Die zweite Widerstandsgerade für den Widerstand R2 wird nun nicht als Ursprungs- gerade gezeichnet, sondern als Gerade mit negativer Steigung. Das mag kompliziert scheinen, ist aber ganz einfach, wenn man die Abb. 4 zurate zieht. Auch für diese Widerstandsgerade braucht man wieder zwei Punkte. Der erste Punkt wird jetzt di- rekt auf der Spannungsachse an der Stelle der Betriebsspannung gewählt. Der zweite Punkt liegt direkt auf der Stromachse an der Stelle des Stroms, der sich ergäbe, wenn man den Widerstand R2 direkt mit der Betriebsspannung betreiben würde. Für die- sen Strom erhält man im gegebenen BeispielI=U/R =8V/12,5Ω=640mA. Beide 2 Punkte werden wieder miteinander verbunden, sodass man die Widerstandsgerade für den Widerstand R2 erhält. In Abb. 4 sieht man nun zwei Widerstandsgeraden, die sich kreuzen. Die Koordina- ten des Kreuzungspunkts P bestimmen die Parameter der gesamten Reihenschal- tung. Am Widerstand R1 fällt also eine Spannung von 4,9 V ab und es fließt ein Strom von 250 mA. Die zeichnerisch ermittelten Werte stimmen recht genau mit den algebraisch berechneten Werten überein. Würde man in der Zeichnung einen größeren Maßstab verwenden, ließe sich eine noch höhere Genauigkeit bei der gra- fischen Ermittlung erzielen. Aber selbst beim verwendeten Maßstab reicht die Ge- nauigkeit für die Praxis in der Regel vollkommen aus. 2 Allgemeines über LEDs 13 Abb. 4: Grafisches Lösungsverfahren der Reihenschaltung von zwei Widerständen. Das mag auf den ersten Blick etwas ungewohnt und vielleicht auch kompliziert er- scheinen. Für eine einfache Reihenschaltung von zwei ohmschen Widerständen wird man die Lösung meist rechnerisch bestimmen. Anders sieht es aus, wenn ein Wider- stand nicht durch eine simple Gerade, sondern nur durch eine gekrümmte Kurve dar- gestellt werden kann. Da solche Kurven meist nur durch aufwendigere mathematische Formeln beschrieben werden können, ist es oft sinnvoll, mit grafischen Lösungsme- thoden zu arbeiten oder die mathematischen Formeln praxisgerecht zu vereinfachen (sofern das möglich ist). Doch zuvor geht es um den Betrieb von Leuchtdioden. Diese Bauteile werden auch mit LED abgekürzt, was für die englische Bezeichnung Light Emitting Diode (= Licht aus- sendende Diode) steht. Abb. 5 zeigt eine Standard-LED mit ihren zwei Anschlüssen und ihrem Kunststoffgehäuse. Wie der Name schon sagt, ist die LED eine Diode, die den Strom nur in einer Richtung durchlässt und in entgegengesetzter Richtung sperrt. Deshalb muss man die Polarität beachten. Abb. 6 zeigt das Schaltsymbol einer LED und die Anschlussbelegung einer gängigen Standard-LED. Der längere Anschluss ist die Anode (plus) und der kürzere Anschluss ist die Kathode (minus). Die Standard- LED hat außerdem noch eine abgeflachte Seite am Kunststoffgehäuse, die den An- schluss der Kathode markiert. Aber Vorsicht: Es gibt auch andere Bauformen. Deshalb sollte man immer erst im Datenblatt nachsehen. Abb. 5: Standard-LED im 5-mm-Gehäuse