Digitale Ausgänge

An einem digitalen Ausgang (D0, ..., D13) können Bauteile angeschlossen werden, die einen Strom von maximal 40mA benötigen. Auf Dauer sollte aber kein Stom über einen Pin fließen, der über 20mA liegt. Somit kann zum Beispiel eine Leuchtdiode direkt an einen digitalen Ausgang angeschlossen werden.

Leuchtdioden

Eine Leuchtdiode ist ein Halbleiter-Bauelement das Licht aussendet, wenn Strom in Durchlassrichtung durch die Leuchtdiode fließt. Leuchtdioden können Licht in unterschiedlichen Wellenlängen, also in unterschiedlichen Farben abstrahlen. Die beiden Kenngrößen einer Leuchtdiode sind ihre Betriebsspannung und die Stromstärke, bei der die Leuchtdiode am hellsten leuchtet.

Schaltsymbol und Bauform einer Leuchtdiode

Bei der Verwendung einer Leuchtdiode ist auf die richtige Polung zu achten! Der negative Anschluss einer Leuchtdiode ist anhand einer Abflachung des Gehäuses erkennbar. Auch die Anschlussdrähte einer Leuchtdiode geben Auskunft über die richtige Polung - der längere Draht repräsentiert den positiven Anschluss, der kürzere den negativen.

Betimmung des Vorwiderstands einer Leuchtdiode

Weicht die Spannung einer Spannungsquelle von der Betriebsspannung einer Leuchtdiode ab, so muss vor die Leuchtdiode ein Vorwiderstand gesetzt werden. An diesem fällt die Differenz zwischen der Versorgungsspannung und der für die Leuchtdiode typischen Spannung ab. Legt man an eine Leuchtdiode eine Spannung, die über ihrer Betriebsspannung liegt, so wird diese zerstört!

Weiter muss auch noch die Stromstärke bekannt sein, bei der eine Leuchtdiode eines bestimmten Typs ihre maximale Leuchtkraft hat. Mit einem Vorwiderstand wird auch der Stromfluss über die Leuchtdiode begrenzt. Mit Hilfe des Ohm’schen Gesetzes ( R = U / I ) lässt sich die Größe des benötigten Vorwiderstands berechnen.

Eine rote Standard-LED kann in einem Spannungsbereich zwischen 1,6V - 2,2V betrieben werden und hat eine typische Stromstärke von 20mA. Bei den Schaltungen in diesem Tutorial soll eine rote LED mit einer Spannung von 2 V und einer Strömstärke von 15mA betrieben werden.

Strom und Spannungen in einem Stromkreis mit einer LED und einem Vorwiderstand

In der folgenden Abbildung ist die Aufteilung der Spannung zwischen dem Vorwiderstand und der LED und der Stromfluss in einem Stromkreis dargestellt, bei dem eine LED an einer Batterie mit einer Spannung von 5V betrieben wird, was auch der Betriebsspannung des Arduino UNO Boards entspricht:

Berechnung des Vorwiderstands mit dem Ohm´schen Gesetz

Die Spannung an der LED soll 2V betragen, am Vorwiderstand muss deshalb eine Spannung von 3V abfallen. Über die LED soll ein Strom von 15mA fließen. Diese Werte werden in das Ohm´sche Gesetz eingesetzt:

R = U / I = 3V / 0,015 A = 200Ω

Da es in der Standard-Widerstandsreihe (..., 150Ω, 180Ω, 220Ω, 270Ω, ...) keinen Bauteil mit einem Widerstand von 200Ω gibt, wird als Vorwiderstand für die LED der nächsthöhere Wert, also ein Widerstand mit 220Ω verwendet.

Aufbau und Material

1 LED
1 Widerstand 220Ω (Farbcode: rot rot braun)

Programmierbeispiel

Mit dem folgenden Programm blinkt die an Pin 3 angeschlossene LED fünf Mal pro Sekunde.

void setup()
{
  pinMode(3, OUTPUT);     // Pin 3 als digitaler Ausgang
}
void loop()
{
  digitalWrite(3, HIGH);  // Zustand von Pin 3 auf HIGH (5V) setzen
  delay(100);             // 100 Millisekunden warten
  digitalWrite(3, LOW);   // Zustand von Pin 3 auf LOW (0V) setzen
  delay(100);             // 100 Millisekunden warten
}

Erklärungen zu diesem Programmierbeispiel

pinMode(pin, mode)

Mit dieser Funktion wird das Verhalten eines der 14 I/O Pins festgelegt.

pin: 0, ..., 13

mode: OUTPUT, INPUT, INPUT_PULLUP

digitalWrite(pin, value)

Diese Funktion dient zum Setzen des Zustands, wenn ein Pin als Ausgang konfiguriert ist.