LED – Leuchtdiode

Die LED ist eine Leuchtdiode — englisch Light Emitting Diode. Sie ist eine Halbleiterdiode wie jede andere, mit einem entscheidenden Unterschied: Sie wandelt elektrische Energie nicht in Wärme um, sondern in Licht.

Das Geheimnis sitzt im pn-Übergang. Wenn ein Elektron aus der n-Schicht in die p-Schicht wandert und dort mit einem Defektelektron rekombiniert, wird Energie frei. Bei einer Silizium-Diode geht diese Energie als Wärme verloren — bei einer LED entsteht stattdessen ein Lichtquant. Diesen Vorgang nennt man strahlende Rekombination.

Damit das funktioniert, braucht es einen sogenannten direkten Halbleiter. Silizium ist ein indirekter Halbleiter und scheidet aus. Verwendet werden Verbindungen wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP), Galliumnitrid (GaN) oder Mischkristalle daraus. Welche Farbe die LED am Ende abstrahlt, hängt von der Bandlücke des Materials ab — das ist the Energieabstand zwischen den beiden Bändern, in denen sich die Elektronen bewegen. Eine große Bandlücke bedeutet kurze Wellenlänge, also blaues oder ultraviolettes Licht. Eine kleine Bandlücke bedeutet langwelliges Licht, also Rot oder Infrarot.

Weiße LEDs gibt es übrigens nicht direkt: meistens steckt eine blaue LED dahinter, deren Licht über einen gelben Leuchtstoff (Phosphor) im Gehäuse in Weißlicht umgewandelt wird.

Die elektrische Kennlinie ähnelt der einer normalen Diode, allerdings liegt die Schwellenspannung deutlich höher: statt 0,7 V bei Silizium sind es je nach Farbe 1,8 bis 3,4 V.

Eine LED hat eine eindeutige Polung: Strom fließt nur in Durchlassrichtung. Beim Einbau die Polung zu verwechseln ist der häufigste Anfängerfehler. Drei Merkmale helfen, Anode und Kathode zu unterscheiden.

Schaltsymbol: Das Symbol entspricht der normalen Diode — ein Dreieck, das auf eine Linie zeigt. Zusätzlich gehen zwei kleine Pfeile vom pn-Übergang nach außen weg. Diese Pfeile symbolisieren das abgegebene Licht. Die Spitze des Dreiecks zeigt zur Kathode, die Basis zur Anode. Strom fließt in Durchlassrichtung von der Anode zur Kathode — also entgegen der Dreieckspitze gedacht, in technischer Stromrichtung mit ihr.

Polung am Bauteil erkennen: Bei der klassischen bedrahteten LED gelten zwei zuverlässige Merkmale. Erstens das längere Anschlussbein — das ist die Anode. Zweitens die seitliche Abflachung am runden Kunststoffgehäuse — sie markiert die Kathode. Sind die Beine bereits abgeschnitten oder die Abflachung beschädigt, hilft ein Blick ins durchsichtige Gehäuse: Der Halbleiterchip sits in einem kleinen Reflektorbecher — und dieser Becher ist die Kathode. Das ist ein zusätzliches Erkennungsmerkmal, das in der Praxis bei sauber gefertigten Standard-LEDs verlässlich ist. Als primäre Merkmale gelten aber Beinlänge und Abflachung.

Bauformen: Die klassische 5-mm-Through-Hole-LED ist heute fast nur noch in Anzeigen und Hobby-Projekten zu finden. In Geräten dominieren SMD-LEDs in den Bauformen 0603, 0805 oder 1206 — sie werden direkt auf die Leiterplatte gelötet. Die Kathode trägt bei SMD-LEDs meist eine kleine Markierung (Punkt, Strich oder abgeschrägte Ecke); im Datenblatt steht, was beim verwendeten Typ gilt. Power-LEDs für Beleuchtungszwecke werden auf Metallkern-Platinen oder Sternplatinen verbaut, weil sie ohne Kühlung in wenigen Sekunden ausfallen würden. RGB-LEDs vereinen drei Chips in einem Gehäuse — je nach Bauart mit gemeinsamer Anode oder gemeinsamer Kathode.

Wie jede Diode beginnt eine LED erst dann nennenswert zu leiten, wenn die angelegte Spannung eine bestimmte Schwelle überschreitet. Diese Schwelle nennt man Durchlassspannung U_F (F für forward). Unterhalb von U_F fließt fast kein Strom — und die LED bleibt dunkel. Oberhalb steigt der Strom sehr steil an. Schon kleine Spannungsänderungen führen zu großen Stromänderungen. Genau dieses Verhalten ist der Grund, warum eine LED ohne Strombegrenzung nicht funktioniert.

Die Durchlassspannung hängt vom Halbleitermaterial ab und damit von der Farbe. Eine Faustregel: je kurzwelliger das Licht (Blau, UV), desto höher U_F.

Die Werte sind typische Bereiche für Standard-LEDs bei Nennstrom. Im Datenblatt der konkreten LED steht der genaue Wert.

Der Durchlassstrom I_F bestimmt die Helligkeit. Standard-LEDs werden meist mit 10 bis 20 mA betrieben. Helle Signalanzeigen liegen bei 20 bis 30 mA. Power-LEDs für Beleuchtung arbeiten mit 100 mA, 350 mA, 700 mA oder noch deutlich mehr — abhängig von der Bauform und ausschließlich mit aktiver Kühlung.

Wichtig: Die LED verträgt nur eine sehr geringe Sperrspannung — bei Standard-LEDs typisch 5 V. Wird sie verpolt an eine höhere Spannung gelegt, bricht der pn-Übergang durch und der Chip ist zerstört. In Wechselspannungs-Anwendungen schaltet man deshalb eine antiparallele Schutzdiode dazu.

Eine LED braucht eine Strombegrenzung. Das ist die zentrale praktische Konsequenz aus der steilen Kennlinie. Die einfachste, billigste und für die meisten Anwendungen ausreichende Lösung ist ein Vorwiderstand in Reihe zur LED.

Der Vorwiderstand nimmt genau jene Spannung auf, die zwischen Betriebsspannung U_B und Durchlassspannung U_F der LED übrig bleibt. Der Strom wird dadurch begrenzt — fließt zu viel, fällt mehr Spannung am Widerstand ab und am Knotenpunkt LED bleibt weniger; das stabilisiert den Arbeitspunkt.

Die Berechnung folgt direkt aus dem Maschensatz: Die Betriebsspannung verteilt sich auf den Widerstand und die LED.

Achtung beim Rechnen: I_F wird im Datenblatt fast immer in Milliampere angegeben. Vor dem Einsetzen in die Formel auf Ampere umrechnen — oder konsequent mit mA arbeiten und das Ergebnis in kΩ ablesen.

Aus der Schaltung lassen sich auch die Verlustleistungen bestimmen — die Leistung am Widerstand und die Leistung an der LED.

Die Gesamtleistung der Schaltung ist P_ges = U_B · I_F. Das Verhältnis P_LED / P_ges zeigt, wie viel der Eingangsleistung tatsächlich an der LED ankommt. Bei einer roten LED an 12 V sind das nur etwa 17 % — der Rest geht als Wärme am Vorwiderstand verloren. Genau das ist der Grund, warum bei Power-LEDs Konstantstromquellen statt Widerständen verwendet werden.

Nach der Berechnung wird der nächste verfügbare Widerstandswert aus der Normreihe gewählt — meist E12 oder E24. Im Zweifel den nächsthöheren Wert nehmen, lieber etwas Strom unter dem Nennwert als darüber. Der gewählte Widerstand muss zudem die berechnete Verlustleistung dauerhaft aushalten — typische bedrahtete Widerstände gibt es mit 0,25 W, 0,5 W, 1 W oder mehr.

Selten kommt eine einzelne LED zum Einsatz — meist sollen mehrere Dioden gleichzeitig leuchten. Hier scheiden sich die guten Schaltungen von den schlechten.

Reihenschaltung: Mehrere LEDs in Serie haben einen gemeinsamen Strom. Ihre Durchlassspannungen addieren sich. Ein einziger Vorwiderstand reicht für die ganze Kette:

Die Betriebsspannung muss größer sein als die Summe der U_F — mit Reserve, weil die Werte streuen. Drei rote LEDs (je 2 V) brauchen also mindestens 6 V, sinnvoll sind 7,5 V oder mehr. Bei vier blauen LEDs (je 3,2 V) reichen 12 V nicht aus, hier braucht es schon 15 V oder einen Step-up-Wandler.

Der Vorteil der Reihenschaltung: nur ein Widerstand, gleicher Strom durch alle LEDs, gleiche Helligkeit.

Parallelschaltung — der klassische Fehler: Auf den ersten Blick scheint es bequem, mehrere LEDs einfach parallel an einen gemeinsamen Vorwiderstand zu hängen. Das funktioniert in der Praxis nicht zuverlässig. Selbst LEDs derselben Charge haben leicht unterschiedliche U_F-Werte. Die LED mit der niedrigsten Durchlassspannung „greift“ zuerst an den Strom — sie zieht mehr Strom, wird wärmer, ihre U_F sinkt mit der Temperatur, sie zieht noch mehr Strom. Die anderen LEDs bekommen weniger und leuchten dunkler oder gar nicht.

Die korrekte Lösung: jede LED bekommt ihren eigenen Vorwiderstand. Damit ist jede Parallel-LED einzeln auf ihren Strom geregelt — Schwankungen in U_F beeinflussen die anderen LEDs nicht mehr.

Konstantstromquelle als bessere Lösung: Bei Power-LEDs oder anspruchsvollen Beleuchtungsanwendungen wird der Strom nicht über einen Widerstand begrenzt, sondern über eine Konstantstromquelle. Ein Treiber-IC oder eine elektronische Schaltung hält den Strom unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannung oder der U_F konstant. Das spart Verlustleistung, schützt die LED zuverlässig auch bei Temperaturänderungen und ermöglicht den Betrieb mehrerer LEDs in Reihe ohne die Probleme der Parallelschaltung. In LED-Treibern für Wohnraumbeleuchtung und in Kfz-Tagfahrlichtern arbeiten Konstantstromquellen als Standard.