Eine Schaltung oder ein Bausatz soll das erste Mal in Betrieb genommen werden. Der erfahrene Elektroniker weiß, was dabei so alles passieren kann. Von nichts, bis zu aufsteigenden Dampfwolken oder auch nur ein leises Zischen ist alles möglich. Wobei auch immer mit platzenden ELKOs und zersplitternden ICs zu rechnen ist. Vor allem wenn die Schaltung schon eine Weile in Betrieb ist.

Von Anfang an Probleme vermeiden

• Ist der Schaltplan korrekt?
• Ist die Versorgungsspannung korrekt eingestellt?
• Ist eines der Bauteile gebraucht und vielleicht defekt?
• Wurde falsch verdrahtet?
• Entstehen Kurzschlüsse durch Lötzinnreste?

Die Schaltung funktioniert nicht!

1. Am Anfang steht immer die Kontrolle der Versorgungsspannung. Falsch angeschlossen oder eingestellt ist schnell passiert.
2. Die meisten Fehler findet man schon bei einer einfachen Sichtkontrolle. Manchmal muss man etwas genauer hinschauen. Hat die Schaltung bereits funktioniert, dann sind defekte Bauteile die Hauptverdächtigen.
3. Dann sollte man Dioden, Transistoren, Kondensatoren (gepolte) und ICs überprüfen, ob sie richtig herum eingebaut sind. Diese Kontrolle ist lästig, aber wichtig. Wenn ein anderer einen solchen Fehler findet, dann ist das peinlich. Bei ICs kann es sein, dass der Sockel falsch herum eingebaut ist. Hier muss das IC gedreht werden.

Weitere Informationen zur Fehlersuche in elektronischen Schaltungen

Im Folgenden geht es um die generelle Definition für den Begriff “Steuerdiode”.

Eigentlich würde man bei einer Steuerdiode ja eher von einer “gesteuerten Diode” oder einer “steuerbaren Diode” sprechen. Aber solche Wortspielereien kommen immer wieder mal vor.

Aus der Sicht der Bauelemente ist der Thyristor vom Prinzip her eine Steuerdiode. Der Thyristor wird mit einem Phasen-Anschnitt gesteuert und so pro Phase zeitlich begrenzt eingeschaltet. Das heißt, ein Thyristor hat bei entsprechender Ansteuerung die Funktion einer Diode. Aber, es könnte auch ein Diac gemeint sein.

Aus der Sicht einer Schaltung, ist eine Diode ein Bauteil, welches den Strom nur in eine Richtung durchlässt. Das bedeutet, die Stromrichtung wird gesteuert. Mit einer Diode kann man einen Strompfad leitend oder sperrend machen. Die Diode ist also nicht nur als Gleichrichter-Bauteil verwendbar.

In Steueranlagen, wo viele Relais verwendet werden, werden auch Dioden als Schalter verwendet. Zum Sperren und Leiten von Strom.

Weitere Anwendungen in der Elektronik

• Kanalschalter in den Oszilloskopen
• HF-Schalter in Sende-Anlagen
• Spannungsbegrenzung
• Verknüpfungsglied in der Digitaltechnik

Der Begriff “Steuerdiode” bezieht sich also auf die Anwendung. So wie wenn man eine Diode auch als “Gleichrichterdiode” bezeichnet.

Da viele technische Begriffe aus dem Englischen stammen, wurde wahrscheinlich auch der Begriff “Steuerdiode” direkt aus dem Englischen übersetzt: “steering diode”.

Analoge integrierte Schaltungen arbeiten direkt mit physikalischen Werten. Zum Beispiel Spannung, Strom, Temperatur oder Druck. Die Zustände sind variabel und haben einen großen Toleranzbereich. Im Vergleich dazu arbeiten digitale integrierte Schaltungen mit Informationen, in Form von Nullen und Einsen. Dabei handelt es sich um definierte Zustände.

In vielen analogen Schaltungen sind bipolare Transistoren immer noch die am besten geeigneten Transistoren. In der Digitaltechnik wurden die bipolaren Transistoren durch unipolare Transistoren und CMOS vollständig abgelöst.

Im Gegensatz zur Digitaltechnik entwickelt sich die Bipolartechnik nur mit kleinen Schritten weiter. Fortschritte in der Bipolartechnik finden hauptsächlich in der Verfeinerung der Schaltungen statt. Außerdem greifen bei analogen Schaltungen physikalische Begrenzungen, die weitere Verbesserungen unmöglich machen. Es gibt bipolare ICs, die vor 25 Jahren eingeführt wurden und heute immer noch unverändert verwendet werden.

Technische Durchbrüche in der Analogtechnik sind selten und machen sich erst dann bemerkbar, wenn sie sich auf dem Markt etabliert haben.

Lauflicht-Schaltungen im Internet gibt es wie Sand am Meer. Die meisten sind sehr einfach aufgebaut. Die Verschaltung eines Schieberegisters und eine handvoll LEDs ist auch für Elektronik-Einsteiger kein Problem. Doch manche Schaltungen lassen sich optimieren. Man braucht in der Regel weniger Bauteile als man denkt.

In der oben dargestellten Lauflicht-Schaltung wird für jede LED ein Vorwiderstand verwendet. Soweit ist das in Ordnung. Jede LED sollte einen Vorwiderstand zur Begrenzung von Spannung und Strom in Reihe geschaltet haben.

Doch eigentlich ist es gar nicht notwendig, dass in dieser Schaltung jede LED “einen” Widerstand hat. Grundsätzlich ist es ja so, dass immer nur eine LED leuchtet. In diesem Fall reicht es aus, das man für alle LEDs nur einen Widerstand verwendet. Den setzt man dort ein, wo alle LED-Kathoden zusammengeführt werden. Und prompt haben wir 2 Widerstände gespart. Und nicht nur das, sondern auch das Einlöten.

Hier eine optimierte 10-Kanal-Lauflicht-Schaltung.

Wer mehrere LEDs gleichzeitig zum Leuchten bringen will, der stellt sich natürlich die Frage, ob man die LEDs in Reihe oder zueinander parallel schalten sollte.

Warum man keine LEDs parallel schalten sollte

Zwei LEDs wurden parallel geschaltet und mit einem einzigen Vorwiderstand von 1k2 gegen 12V geschaltet. Seltsamerweise leuchtet einer der LEDs heller als die andere. Woran liegt das?

Ganz einfach, die LED mit der geringeren Durchflussspannung bekommt mehr Strom. Das bedeutet, sie leuchtet heller.
Gleichzeitig muss man berücksichtigen, dass während der Spannungsunterschied nur gering ist, dass der Unterschied der Stromstärken groß ist. Das führt dann dazu, dass die LEDs unterschiedlich hell leuchten. Im schlimmsten Fall leuchtet nur eine der beiden LEDs. Zum Beispiel dann, wenn sie unterschiedlich farbig sind. Wenn das so ist, dann leuchtet immer die LED mit der geringsten Flussspannung.

Hierbei erkennt man, dass LEDs mit Strom gesteuert werden (Einstellung der Helligkeit).

Mehrere LEDs in Reihe ohne Vorwiderstand an einer Spannungsquelle betreiben

Theoretische würde es funktionieren mehrere LEDs ohne Vorwiderstand an einer Spannungsquelle zu betreiben. Das würde voraussetzen, dass die Spannungsquelle absolut konstant ist und die Spannung an den LEDs ebenso konstant sind und es auch bleiben. Dann könnte man einfach mehrere LEDs in Reihe schalten, die abfallende Spannung an den LEDs aus den Datenblättern suchen und die Spannungsquelle dementsprechend einstellen.

Aber, in der Praxis wird kaum eine Spannungsquelle absolut konstant sein. Die Exemplarstreuungen der LEDs wirken aber noch viel schlimmer. Die abfallende Spannung ist in der Regel immer anders. Das führt dazu, dass die ganze Berechnung für die Katz ist. Im ungünstigsten Fall fließt mehr Strom durch eine der Leuchtdioden. Sie wird wärmer. Und warme Halbleiter leiten besser, als kalte Halbleiter. Es folgt ein Anstieg des Stroms. Wieder steigt die Temperatur. Irgendwann steigt der Strom rasant an und zerstört eine der Leuchtdioden.

Wenn eine oder mehrere LEDs ausfallen, dann müssen die restlichen den “Stromüberschuss” verkraften. Eine Stromzunahme bedeutet wiederum Wärme, die zu einem größeren Stromfluss führt. Die Folge ist, dass weitere LEDs kaputt gehen.

Die einzige Möglichkeit dem entgegen zu wirken, ist die Strombegrenzung durch eine Konstant-Stromquelle oder einen Vorwiderstand.

Vorwiderstand berechnen

Den Vorwiderstand legt man so aus, dass die LEDs nicht mit dem maximal zulässigen Strom betrieben werden, sondern dass sie noch einige mA Reserve haben. In der Regel kann man LEDs “untersteuere”. Das bedeutet, dass man einer LED nur soviel Strom zugesteht, dass sie mit 60 bis 75% der maximal möglichen Leuchtstärke leuchten. Für die meisten Anwendungsfälle reicht das vollkommen aus.

• Vorwiderstandsrechner
• Beispiel: Berechnung für den Vorwiderstand einer LED

Fazit

So viel ist sicher, eine Reihenschaltung von LEDs ist wesentlich effizienter als eine Parallelschaltung. In der Reihenschaltung wird weniger Energie benötigt. Die Durchflussspannung der in Reihe geschalteten LEDs wird einfach addiert. Abzüglich der Betriebsspannung ergibt sich die Restspannung, die am Vorwiderstand abfällt. Und zusammen mit dem Durchflussstrom durch die LEDs ergibt sich der Wert des Vorwiderstands. Die Betriebsspannung sollte um die 1 bis 3 Volt größer sein, als die Summe der Durchflussspannungen der in Reihe geschalteten LEDs. Andernfalls wird der Widerstand sehr klein und nimmt einen eher ungünstigen Wert an.