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Vorwiderstand für LED-Anschluss an Gleichstromquelle einfach berechnen

Widerstand ist zwecklos? Nein, für Elektroniker und Modellbahner trifft das nicht zu. Speziell beim Modellbau ist es die LED-Beleuchtung von Rollmaterial und Gebäuden, die eine Berechnung des Vorwiderstands erforderlich macht. Wie Sie eine LED mit passendem Vorwiderstand an eine Gleichspannungsquelle anschließen und dabei nicht mit dem Ohmschen Gesetz in Konflikt geraten, erläutert dieser Artikel.

Faszinierende optische Effekt bei Modellbau und Modellbahn

Die Faszination und der Erfolg des modernen Modellbaus liegen unter anderem in seinen enormen technischen Möglichkeiten begründet. Speziell Modellbahn-Schauanlagen wie das Miniatur Wunderland in Hamburg sind Touristenmagneten, weil es geradezu wie Zauberei anmutet, wie heute die Miniaturwelten belebt werden können.

Ein zentrales Mittel der Darstellung sind dabei Beleuchtungseffekte, die heute weitgehend auf LED (Leuchtdioden, light-emitting diode) und SMD-LED (miniaturisierte LED) beruhen. Mit einem bisschen Knowhow ist es gar nicht schwierig, solche optischen Effekte beruhend auf LEDs selbst zu erzeugen. Dazu ist es gar nicht notwendig, sich komplette Modelle mit integrierten Beleuchtungseinrichtungen zu kaufen, wie sie zunehmend angeboten werden. Es reicht vielfach vollkommen aus, selbst ein paar LED geschickt zu platzieren und anzuschließen.

Die einfachste Form des Anschlusses ist hierbei, eine Gleichspannungsquelle zu benutzen. Als Gleichspannungsquelle eigenen sich die meisten klassischen "Modellbahn-Trafos", Regler und -Netzteile, denn diese sind für einen Gleichstrombetrieb der Modelleisenbahn ausgelegt. Vorsicht! Das trifft nicht auf Märklin-Trafos sowie Netzteile und Booster zu Digitalsystemen zu, die Wechselstrom bzw. "Digitalstrom" (eine gepulste Rechteckspannung) abgeben.

Warum Vorwiderstand?

Im modernen Modellbau haben Leuchtdioden (LED) auf ganzer Linie die alten "Glühbirnchen" abgelöst. Allerdings hat die Verwendung von LEDs einen Haken: Man kann sie nicht einfach direkt an die Spannungsquelle anschließen, sondern muss grundsätzlich immer einen Vorwiderstand zwischen Spannungsquelle und LED schalten. Der Vorwiderstand ist nötig, um die Versorgungsspannung unabhängig von der LED-Spannung und dem Strom, den die LED aufnimmt, auf den gewünschten Wert zu begrenzen.

Bezogen auf den Einsatz bei Modellbahn und Modellbau ist es zunächst einmal so, dass diese Systeme mit ungefährlichen Niederspannungen arbeiten. Typisch sind 12 Volt Gleichstrom, 16 Volt Wechselstrom und 24 Volt "Digitalstrom". In diesem Artikel bleiben wir bei den 12 Volt Gleichstrom. Aber auch diese Spannung ist für eine LED viel zu hoch, denn die tatsächliche LED-Betriebsspannung (Flussspannung) beträgt rund 3 Volt. Würden also 12 Volt angelegt, leuchtet die LED sehr hell, allerdings nur für Millisekunden, dann ist sie durchgebrannt. Damit das nicht geschieht, ist der Vorwiderstand nötig.

Der Vorwiderstand dient also dazu, die Reduzierung der Versorgungsspannung der LED durchzuführen und ist unverzichtbar. Faustregel: Abgesehen von Tests mit passenden Batterien oder Akkus ist ein Betrieb von LEDs und SMD-LEDs grundsätzlich nur mit Vorwiderstand möglich, da sich LEDs im Betrieb elektrisch nicht wie ein ohmscher Widerstand oder gar eine Glühbirne verhalten.

Wichtig: Einzelne LEDs haben nur eine geringe Betriebsspannung von 1,2 Volt bis 4 Volt. Die aber ist von der LED-Farbe abhängig. Wenn Sie also den Widerstandswert für eine rote LED berechnet haben, sieht der für eine blaue oder eine UV-LED ganz anders aus.

So geht’s: Vorwiderstand an Gleichstrom-Spannungsquelle berechnen

Im Folgenden geht es an die Berechnung des Vorwiderstands. Dabei berücksichtigt die Beschreibung die konkrete Situation, dass eine LED und ein Widerstand in Reihe (in Serie), also hintereinander angeschlossen werden. Für eine Gleichstrom-Spannungsquelle berechnen Sie den Wert für den Vorwiderstand R (Resistor) folgendermaßen, wenn es sich um eine Standard-LED mit 3 Volt, 20 Milliampere handelt:

Formel:  R = (Spannungsversorgung – Spannung der LED) / LED-Strom

Beispiel: R = (12 Volt – 3 Volt) / 0,020 Ampere

Die Spannungsversorgung ist der Wert der Spannungsquelle, also im Beispiel 12 Volt von einem Gleichstrom-Transformator. Die Spannung (Durchbruchspannung in Volt) der LED wie auch die Stromaufnahme der LED (in Milliampere) entnehmen Sie den Daten, die Sie in der Beschreibung der LED finden, z.B. im Katalog oder Online-Shop. Das Ergebnis ist 450, der Vorwiderstand sollte also 450 Ohm haben. In der Praxis wird der Wert dann einfach aufgerundet und ein 0,5-Kiloohm-Widerstand eingesetzt.

Vorwiderstand online oder per App sicher identifizieren

Um den richtigen Widerstand zu identifizieren, sind Standardwiderstände mit einem Farbcode versehen. Eine Tabelle mit den Widerstandsfarbcodes finden Sie zum Beispiel unter hier.

Der Vorwiderstand kann aber auch ganz einfach per Farbtabelle mit der App "ElectroDroid" bestimmt werden. Die Android-App ElectroDroid ist eine leichtverständliche Sammlung von Berechnungs- und Informationsmöglichkeiten, die auch den "Resistor Color Code" enthält.

Neben der kostenlosen App-Version wird auch für eine geringe Registrierungsgebühr eine erweitere Pro-Version angeboten. Alles in allem für jeden fortgeschrittenen Modellbahner und Elektrik- oder Elektro-Interessierten uneingeschränkt empfehlenswert. Den kostenlosen Download finden Sie auf der Webseite der Entwickler und im Google play Store. Weiterführende Informationen finden Sie auf der Webseite der Entwickler an der Adresse. Der ElectroDroid wird dort auch in Versionen für Windows Phone und RIM BlackBerry angeboten.

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Über Ihren Experten

Rudolf Ring

Rudolf Ring

Rudolf Ring gehört zu den frühen Einsteigern in die Informationstechnologie in Deutschland und hat ab den 80er Jahren die Vorzüge so ziemlich jeden Computertyps irgendwann persönlich in Erfahrung gebracht. Nach Bundeswehr, Studium und freien Tätigkeiten in der Erwachsenenbildung leitete der Computer-Experte die PC-Werkstatt eines mittelständischen IT-Unternehmens.

Als selbstständiger Journalist und Autor verfasste er seit Anfang der neunziger Jahre bis heute unter anderem für PC-Anwender-Handbuch, PC-Hardware-Profi und PC-Pannenhelfer mehrere hundert Beiträge, hinzu kommen Bücher und Studien. Vom ersten IBM-PC 1981 bis zu den neuesten Mobilgeräten reicht sein Interessengebiet.

Schwerpunkt seiner aktuellen Beiträge sind die klassischen Themen PC-Hardware und -Pannenhilfe, hinzu kommen Home-Entertainment und Mobile Computing. Dem Informationsdienst „Einfach Android“ steht Rudolf Ring als Chefredakteur vor.