Eine LED braucht 2 V, deine Versorgung hat aber 5 V. Eine 6-V-Lampe soll an 12 V leuchten. Ein Messwerk verträgt nur 100 mV, du willst aber bis 10 V messen. Die einfachste Lösung ist in allen drei Fällen dieselbe: ein Widerstand in Reihe, der die überschüssige Spannung „schluckt“ und dabei den Strom auf den gewünschten Wert begrenzt. Er heißt Vorwiderstand.
Das Prinzip
Vorwiderstand und Verbraucher bilden eine Reihenschaltung. Durch beide fließt derselbe Strom, und nach der Maschenregel teilt sich die Versorgungsspannung auf:
Ob der Widerstand vor oder hinter dem Verbraucher sitzt, spielt dabei keine Rolle – in einer Reihenschaltung fließt überall derselbe Strom. Er heißt in beiden Fällen Vorwiderstand.
Am Vorwiderstand muss also die Differenz zwischen Betriebsspannung UB und der Spannung UL abfallen, die der Verbraucher braucht. Mit dem Ohmschen Gesetz und dem gewünschten Strom I folgt:
Vorwiderstand für LEDs
LEDs sind der wichtigste Anwendungsfall. Ihre Kennlinie ist extrem steil: Oberhalb der Durchlassspannung steigt der Strom schon bei kleinen Spannungsänderungen stark an (siehe die Diodenkennlinie unter Ohmsches Gesetz). Ohne Begrenzung würde sie sofort überlastet. Der Vorwiderstand sorgt dafür, dass kleine Schwankungen der Durchlassspannung nur kleine Stromänderungen bewirken.
Typische Durchlassspannungen bei 10–20 mA:
| LED-Farbe | Durchlassspannung |
|---|---|
| Infrarot | ca. 1,2–1,6 V |
| Rot, Gelb | ca. 1,8–2,2 V |
| Grün (ältere GaP-Typen) | ca. 2,0–2,4 V |
| Grün (moderne InGaN) | ca. 2,8–3,3 V |
| Blau, Weiß | ca. 2,8–3,4 V |
Eine ausführliche Anleitung mit Rechner findest du unter LED-Vorwiderstand berechnen.
Vorwiderstand für Lampen und andere Verbraucher
Auch Glühlampen, Relaisspulen oder kleine Motoren lassen sich mit einem Vorwiderstand an einer höheren Spannung betreiben. Hier wird die Leistung schnell zum entscheidenden Punkt.
Rechne die Verlustleistung immer mit dem tatsächlichen Strom, der nach dem Runden auf einen Normwert fließt, nicht mit dem Wunschwert. Bequem geht es auch ohne Strom: PV = UV2 / RV. Denk daran, dass die Leistung quadratisch wächst – doppelte Spannung am selben Widerstand bedeutet vierfache Wärme. Wird die Belastbarkeit Ptot überschritten, brennt der Widerstand durch.
Mehr dazu, auch zum Einschaltstrom einer kalten Glühlampe, steht unter Vorwiderstand für eine Lampe berechnen.
Vorwiderstand im Messgerät
Ein Spannungsmesser besteht im Kern aus einem empfindlichen Messwerk, das schon bei kleiner Spannung Vollausschlag zeigt. Ein Vorwiderstand in Reihe nimmt den Großteil der zu messenden Spannung auf und erweitert so den Messbereich.
Das Verfahren beschreibt Messbereichserweiterung ausführlich.
Grenzen des Vorwiderstands
Der Vorwiderstand ist einfach und billig, hat aber Nachteile:
- Verluste: Die gesamte überschüssige Spannung wird als Wärme verheizt. Ist die Differenz groß, ist der Wirkungsgrad schlecht. Vorwiderstände setzt man deshalb vor allem bei kleinen Strömen im mA-Bereich ein; bei größeren Leistungen setzt man die Spannung mit Transformatoren oder Schaltreglern herab.
- Abhängigkeit von der Versorgung: Schwankt UB, schwankt der Strom mit. Bei einer LED an einem Akku, der von 4,2 V auf 3,3 V entladen wird, ändert sich die Helligkeit deutlich.
- Keine Regelung: Er reagiert nicht auf Temperatur oder Alterung des Verbrauchers.
Bei Hochleistungs-LEDs oder langen LED-Ketten setzt man deshalb Konstantstromtreiber ein. Für Signal-LEDs, Kontrollleuchten und viele einfache Fälle bleibt der Vorwiderstand aber die beste Wahl.
Selbsttest
Eine rote LED (2 V, 15 mA) soll an 9 V leuchten. Welcher Vorwiderstand?
RV = 7 V / 0,015 A ≈ 467 Ω, gewählt 470 Ω.
Warum muss man beim Vorwiderstand die Leistung prüfen?
Er setzt die gesamte überschüssige Spannung mal den Strom in Wärme um; bei großen Differenzen reicht ein kleiner Widerstand nicht.
Warum rundet man auf den nächstgrößeren Normwert auf?
Dann bleibt der Strom etwas unter dem Zielwert, und der Verbraucher wird nicht überlastet.