LED am Raspberry Pi zum Leuchten bringen

Es geht darum, an einem Raspberry Pi eine LED zum Leuchten zu bringen. Das ist nicht weiter schwer. Wir brauchen eine LED (egal welche Farbe), einen Widerstand, dessen Wert noch auszurechnen ist, einen Raspberry Pi, bevorzugt ein Steckbrett und Verbindungskabel von den GPIO-Pins auf das Steckbrett.

Prinzipiell sollte man eine LED nie direkt zwischen 3,3 V und GND schalten. Das kann gut gehen, muss aber nicht. Dazu muss man wissen, dass Leuchtdioden eine feste Betriebsspannung haben, die unter 3,3 V liegt und es zusätzlich einer Strombegrenzung bedarf, weil sie sonst zu viel Strom ziehen, wodurch sie sich selbst zerstören. Sowohl die Spannung als auch den Strom regelt man mit einem Vorwiderstand, dessen Wert von dem Zuviel an Spannung und dem gewünschten Strom durch die Leuchtdiode abhängt.
Außerdem muss man berücksichtigen, dass eine LED zwei unterschiedliche Pole hat. Man muss also darauf achten, wie herum die LED in die Schaltung eingebaut wird.

Im folgenden werden wir uns damit auseinandersetzen, wie die LED gepolt und wie der Vorwiderstand berechnet wird.

Schaltung 1: LED an Masse

Schaltung 1: LED an Masse

Damit die LED leuchtet, muss der GPIO "intern" auf "high" (1) geschaltet werden. Nur dann fließt ein Strom durch die LED.
Wenn man es nur mal ausprobieren möchte kann man die Schaltung auch vom GPIO abklemmen und mit einen 3,3V-VCC-Pin verbinden.

Schaltung 2: LED an VCC

Schaltung 2: LED an VCC

Damit die LED leuchtet, muss der GPIO "intern" auf "low" (0) geschaltet werden. Nur dann fließt ein Strom durch die LED.
Wenn man es nur mal ausprobieren möchte kann man die Schaltung auch vom GPIO abklemmen und mit einen GND-Pin verbinden.

Aufgabe

  1. Wählen Sie eine geeignete Schaltungsvariante. Wenn Sie sich nicht sicher sind, dann probieren Sie beide aus.
  2. Berechnen Sie den Vorwiderstand für die LED.
  3. Beachten Sie die Polung der LED.

Lösung: Schaltungsvariante wählen

Die Schaltung 1 wählt man dann, wenn die LED beim GPIO-Zustand "high" (1) leuchten soll. Die Schaltung 2 wählt man dann, wenn die LED beim GPIO-Zustand "low" (0) leuchten soll.

Lösung: Vorwiderstand berechnen

Um den Vorwiderstand zu berechnen benötigen wir zwei Werte. Der eine Wert ist die Vorwärtsspannung U_F der LED und der andere Wert ist die Vorwärtsstrom I_F der LED. Diese Angaben bekommt man normalerweise aus dem Datenblatt der LED.
Wenn man das Datenblatt der LED nicht hat oder diese Werte unbekannt sind, dann muss man diese durch Experimentieren herausfinden.

Wir verwenden hier beispielhaft eine LED mit 2,0 V und 20 mA (0,02 A). Die 20 mA sind allerdings der Maximalwert. Diese LED leuchtet auch bei 10 mA. Nicht ganz so hell, aber ausreichend sichtbar. Deshalb nehmen wir einen Wert von 10 mA für den LED-Vorwärtsstrom.

Vorwiderstand berechnen

Die Berechnung des Vorwiderstands erfolgt anhand des ohmschen Gesetzes. Hier wird eine Spannung durch den Strom geteilt, wodurch sich ein Widerstandswert ergibt. Die Spannung, die am Widerstand abfallen muss, ergibt sich aus der Gesamtspannung (3,3 V) abzüglich der LED-Vorwärtsspannung (2,0 V). Das Ergebnis (1,3 V) teilt man durch den LED-Vorwärtsstrom (10 mA) und erhält den Wert für den Vorwiderstand (130 Ohm).
Nun ist es leider so, das es diesen Wert nicht als Bauelement gibt, weshalb man einen etwas kleineren oder größeren Wert nehmen muss. Nach der E-Reihe E12 ist der nächstkleinere Wert 120 Ohm. Der nächstgrößere Wert ist 150 Ohm. In der Regel nimmt man den größeren Wert.

Jetzt kann es sein, dass der Widerstandswert zu klein oder zu groß ist. Deshalb rechnet man noch einmal nach, ob das Sinn ergibt. Auch hier verwenden wir das ohmsche Gesetz und rechnen den Vorwärtsstrom der LED aus, der sich durch den Widerstand von 150 Ohm ergibt.

Strom berechnen

Wir teilen die Spannung am Vorwiderstand (1,3 V) durch den gewählten Vorwiderstand (150 Ohm). Das Ergebnis ist 0,008 A bzw. 8 mA.
Unter Umständen ist dieser Strom zu klein. Dann wird die LED nicht leuchten. Gegebenenfalls macht es mehr Sinn den nächstkleineren Widerstand zu nehmen. Dabei muss man darauf achten, dass der Strom nicht zu groß ist.

Hinweis: Es gibt sehr viele Beispiele bei die LED einfach ohne Vorwiderstand angeschlossen ist. Nur mal kurz zum Testen ist das sicherlich kein Problem. Doch für den Dauerbetrieb ist ein Vorwiderstand empfehlenswert. Er sorgt dafür, dass das Zuviel an Spannung am Vorwiderstand abfällt und die LED einen festgelegten Strom erhält. Nur so ist ein stabiler und problemloser Betrieb möglich.

Lösung: Polung der LED

Polung der LED

Wie ist eine LED richtig anzuschließen? Typischerweise sind die beiden Anschlussdrähte einer LED unterschiedlich lang. Der längere von beiden ist die Anode (positiver Pol). Der kürzere die Kathode (negativer Pol).
Einfach zu merken: Das Pluszeichen hat einen Strich mehr als das Minuszeichen und macht damit den Draht etwas länger. Außerdem sind die meisten LEDs auf der Minusseite abgeflacht, wie eben ein Minus, oder das "K" der Kathode.

Beim Schaltzeichen kann man sich das so merken. Dort hat das Schaltzeichen wegen dem Querbalken die Form des Buchstabens "K". Das Dreieck hat Ähnlichkeit zum Buchstaben "A". Beim Querbalken ist der Anschluss die Kathode und auf der anderen Seite die Anode. Die Anode zeigt vom Pluspol weg zum Minuspol und zeigt somit die Stromrichtung an. Von Plus nach Minus. Und somit wird die Anode am Pluspol und die Kathode am Minuspol angeschlossen.

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