LED (Leuchtdiode): Funktion, Vorwiderstand & Praxis

Die LED ist heute praktisch überall: in der Statusanzeige am Frequenzumrichter, in der Hinterleuchtung des HMI-Touchpanels, in der Hallenbeleuchtung, in Lichtschranken, in der Fernbedienung und in jeder modernen Haushaltslampe. Sie ist eine spezielle Halbleiterdiode, die elektrische Energie direkt in Licht umwandelt – ohne den Umweg über einen glühenden Draht und damit ohne den hohen Wärmeverlust einer Glühlampe.

So nützlich die LED ist, sie hat eine entscheidende Eigenschaft, die jeden Anwender ausbremst: Sie verträgt keinen ungebremsten Strom. Wird sie einfach an eine Versorgungsspannung gehängt, ist sie nach Sekundenbruchteilen zerstört. Deshalb gehört zu jeder LED-Schaltung eine Strombegrenzung, in der einfachsten Form über einen Vorwiderstand. Genau diese kleine Rechnung – Versorgungsspannung minus Flussspannung, geteilt durch den Wunschstrom – ist die wichtigste praktische Fertigkeit im Umgang mit LEDs und wird in diesem Beitrag Schritt für Schritt aufgebaut.

Im Folgenden wird zuerst geklärt, wie eine LED überhaupt Licht erzeugt und wie sie sich von einer normalen Diode unterscheidet. Anschließend geht es um Schaltsymbol, Polarität, Flussspannung je Farbe, die Berechnung des Vorwiderstands, RGB-LEDs, typische Anwendungen und schließlich die Grenzwerte, die über die Lebensdauer entscheiden.

Vorwissen

Was ist eine LED?

Die Abkürzung LED steht für „Light Emitting Diode“, auf Deutsch „lichtemittierende Diode“. Es handelt sich also nicht um ein neues, exotisches Bauteil, sondern um eine ganz normale Halbleiterdiode mit einem p-n-Übergang – nur dass dieser Übergang aus einem speziellen Halbleitermaterial besteht und das gezielt ausgenutzt wird, um Licht zu erzeugen.

Wird die LED in Durchlassrichtung betrieben, wandern Elektronen vom n-Gebiet in das p-Gebiet, während Löcher in die Gegenrichtung wandern. Im Bereich des p-n-Übergangs rekombinieren Elektronen und Löcher. Bei jeder Rekombination gibt das Elektron Energie ab – und zwar genau jene Energie, die der Bandlücke des Halbleiters entspricht. Bei einer LED wird diese Energie nicht als Wärme abgegeben, sondern als Lichtquant (Photon). Diesen Vorgang nennt man Elektrolumineszenz.

Der entscheidende Unterschied zur klassischen Siliziumdiode liegt im Material. Reines Silizium gibt seine Rekombinationsenergie überwiegend als Wärme ab und leuchtet praktisch nicht. LEDs werden deshalb aus Verbindungshalbleitern hergestellt:

GaAs (Galliumarsenid) für Infrarot
AlGaInP (Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid) für Rot, Orange, Gelb
GaP (Galliumphosphid), InGaN (Indium-Gallium-Nitrid) für Grün
InGaN, GaN (Galliumnitrid) für Blau und UV

Die Bandlücke des verwendeten Halbleiters bestimmt direkt die Energie der Photonen und damit die Lichtfarbe: Je größer die Bandlücke, desto energiereicher das Photon, desto kürzer die Wellenlänge und desto „blauer“ das Licht.

Eine Diode aus reinem Silizium leuchtet im sichtbaren Bereich praktisch nicht, obwohl sie ebenfalls einen p-n-Übergang hat. Welche Aussage erklärt das am treffendsten?

a) Silizium hat keinen p-n-Übergang im klassischen Sinn
b) Im Silizium-p-n-Übergang fließen keine Ladungsträger
c) Silizium gibt die Rekombinationsenergie hauptsächlich als Wärme statt als Photon ab und hat eine zu kleine Bandlücke für sichtbares Licht
d) Silizium ist für Photonen undurchlässig

Richtig: c)

In einer Si-Diode finden zwar dieselben Rekombinationsvorgänge statt, die Energie wird aber überwiegend an das Kristallgitter abgegeben (Wärme). Zusätzlich liegt die Bandlücke von Silizium bei etwa 1,1 eV – das entspricht einer Wellenlänge im Infrarotbereich, also nicht sichtbar. a) ist falsch, ein p-n-Übergang ist gerade die Voraussetzung jeder Diode. b) ist falsch, im Durchlass fließt sehr wohl Strom. d) ist falsch, das Material selbst spielt für die Transparenz hier keine Rolle, entscheidend ist die Art der Rekombination.

Welcher Zusammenhang zwischen Halbleitermaterial und Lichtfarbe trifft zu?

a) Je größer die Bandlücke, desto röter das Licht
b) Je kleiner die Bandlücke, desto blauer das Licht
c) Je größer die Bandlücke, desto höher die Photonenenergie und desto kürzer die Wellenlänge
d) Die Farbe hängt allein von der Gehäuseeinfärbung ab

Richtig: c)

Die Photonenenergie entspricht der Bandlücke; größere Bandlücke → mehr Energie pro Photon → kürzere Wellenlänge → Verschiebung zu Blau/UV. a) und b) drehen den Zusammenhang um. d) ist falsch: Die Gehäuseeinfärbung kann zwar bei klassischen LEDs als optischer Hinweis dienen, die tatsächliche Farbe entsteht aber im Halbleiter selbst. Moderne LEDs mit klarem Gehäuse haben oft einen anderen Farbeindruck im Off-Zustand als im Betrieb.

Eine Diode wird in Durchlassrichtung betrieben. Welcher physikalische Vorgang ist im p-n-Übergang einer LED verantwortlich für die Lichtabgabe?

a) Beschleunigung von Ionen im elektrischen Feld
b) Lawinendurchbruch ähnlich der Z-Diode
c) Rekombination von Elektronen und Löchern unter Abgabe von Photonen (Elektrolumineszenz)
d) Erwärmung des Kristallgitters bis zur Glühemission

Richtig: c)

Elektrolumineszenz beschreibt genau diesen Vorgang. a) trifft auf Gasentladungslampen zu, nicht auf LEDs. b) beschreibt den Sperrbetrieb der Z-Diode, nicht den Durchlassbetrieb der LED. d) ist die Glühlampe – das wird in einer LED gerade nicht ausgenutzt und wäre ein Defekt.

Schaltsymbol, Anode und Kathode

Das Schaltsymbol der LED ist das Standard-Diodensymbol – ein Dreieck mit Querstrich – ergänzt durch zwei kleine, vom Bauteil weg zeigende Pfeile, die das emittierte Licht symbolisieren. Das Dreieck zeigt mit seiner Spitze in Richtung der Stromrichtung im Durchlassbetrieb, also von der Anode zur Kathode.

Am realen Bauteil sind Anode und Kathode auf mehrere Arten zu unterscheiden, je nach Bauform. Bei der klassischen bedrahteten LED (5 mm THT) gilt:

Das längere Bein ist die Anode (+)
Das kürzere Bein ist die Kathode (−)
Zusätzlich ist das Gehäuse an der Kathodenseite leicht abgeflacht (Schlüsselfläche)
Im Inneren ist die größere, becherförmige Metallfläche immer die Kathode (sie nimmt den Halbleiterchip auf), die kleinere Fläche an der Drahtspitze ist die Anode (mit Bonddraht zum Chip)

Bei SMD-LEDs ist die Kathodenseite üblicherweise durch eine kleine grüne Markierung, einen Strich oder eine abgeschrägte Ecke gekennzeichnet (Hersteller-Datenblatt prüfen).

Stromrichtung und Verpolung

Eine LED leuchtet nur, wenn der Strom in Durchlassrichtung fließt: technische Stromrichtung von der Anode zur Kathode (im Inneren), die Versorgungsspannung also +Pol an Anode, −Pol (bzw. der Vorwiderstand und dann die Masse) an Kathode.

Wird die LED verpolt, fließt im Idealfall kein nennenswerter Strom – sie leuchtet schlicht nicht. Achtung jedoch: Die Sperrspannung einer LED ist mit typisch 5 V deutlich geringer als bei einer normalen Gleichrichterdiode. Wird dieser Wert überschritten, kann die LED zerstört werden – auch ganz ohne sichtbares Leuchten. Bei Betrieb an Wechselspannung ist deshalb immer eine antiparallele Schutzdiode oder eine andere Maßnahme nötig.

Aufbau der realen bedrahteten LED im Querschnitt und zugehöriges Schaltsymbol mit Anode (A), Kathode (K), Durchlassstrom I_F und Flussspannung U_F.

An einer bedrahteten 5-mm-LED sind beide Beine durch wiederholtes Verbiegen gleich kurz geworden, die Markierungen sind nicht mehr eindeutig. Welche der folgenden Vorgehensweisen ist die zuverlässigste, um die Kathode noch zu identifizieren?

a) Beliebige Polung wählen, weil sich die LED bei falscher Polung selbst polt
b) Die abgeflachte Gehäuseseite suchen – sie kennzeichnet die Kathode; zusätzlich im Inneren den größeren Becher als Kathode identifizieren
c) Mit dem Multimeter im Spannungsbereich beide Polungen testen
d) Die Beine erneut auf unterschiedliche Länge zurechtschneiden

Richtig: b)

Die abgeflachte Gehäuseseite ist ein dauerhaftes Merkmal und bei klaren Gehäusen ist der größere Becher (Kathode) gut sichtbar. a) ist Unsinn – eine Diode „polt“ sich nicht selbst, sondern wird im falschen Fall im Sperrbetrieb betrieben. c) wäre möglich mit der Diodentest-Funktion (nicht „Spannungsbereich“), die Aussage ist also fachlich unsauber. d) ändert die Beinlänge willkürlich und löst das Problem nicht.

Eine LED soll an einer Wechselspannungsquelle mit 6 V Scheitelwert betrieben werden. Die LED hat laut Datenblatt U_R(max) = 5 V. Welche Aussage ist korrekt?

a) Da U_F größer als U_R(max) ist, gibt es kein Problem
b) Die LED wird in der negativen Halbwelle ihre maximale Sperrspannung überschreiten und kann zerstört werden; eine antiparallele Schutzdiode oder eine zweite, antiparallele LED ist sinnvoll
c) Eine LED hat keine Sperrspannungsgrenze, weil sie nur in Durchlassrichtung betrieben wird
d) Die Wechselspannung wird automatisch zur Gleichspannung durch die LED selbst

Richtig: b)

In der negativen Halbwelle liegen am Bauteil die −6 V Scheitelwert als Sperrspannung – das überschreitet die 5 V. Eine antiparallele Schutzdiode (oder eine zweite, antiparallel geschaltete LED) schützt zuverlässig. a) verwechselt zwei verschiedene Kennwerte. c) ist falsch – jede LED hat eine maximale Sperrspannung. d) ist Unsinn, eine einzelne Diode richtet nur einseitig, die Sperrspannung wirkt trotzdem.

Im Schaltsymbol der LED zeigt die Spitze des Dreiecks von der Anode zur Kathode. Wie verläuft die technische Stromrichtung im Durchlassbetrieb?

a) Von der Kathode zur Anode, gegen die Dreieckspitze
b) Beide Richtungen wechseln ständig
c) Von der Anode zur Kathode, in Richtung der Dreieckspitze
d) Es fließt im Durchlassbetrieb kein Strom

Richtig: c)

Die Dreieckspitze gibt immer die technische Stromrichtung im Durchlassbetrieb an: Anode → Kathode. a) verwechselt technische und physikalische Stromrichtung. b) gilt für Wechselspannung am Bauteil, nicht für den Durchlassbetrieb selbst. d) ist die Definition des Sperrbetriebs.

Flussspannung und Lichtfarbe

Die Flussspannung U_F einer LED ist die Spannung, die im Durchlassbetrieb über dem Bauteil abfällt, wenn der Nennstrom fließt. Sie ist keine Eigenschaft, die man aussuchen kann, sondern eine Folge des verwendeten Halbleitermaterials und damit unmittelbar mit der Lichtfarbe verknüpft.

Typische Bereiche für Standard-LEDs bei Nennstrom (ca. 20 mA):

Infrarot: 1,2 – 1,6 V
Rot: 1,8 – 2,2 V
Gelb / Bernstein: 2,0 – 2,4 V
Klassisches Grün: 2,0 – 2,4 V
Reines Grün: 3,0 – 3,4 V
Blau: 3,0 – 3,4 V
Weiß: 3,0 – 3,4 V
UV: 3,3 – 4,0 V

Der Zusammenhang ist konsistent: Größere Bandlücke → kürzere Wellenlänge (Richtung Blau/UV) → höhere Flussspannung. Eine rote LED arbeitet also typischerweise bei etwa 2 V, eine blaue oder weiße LED bei etwa 3,2 V.

Wichtig für die Praxis: U_F ist kein exakter Wert. Sie hängt vom Strom (steile Kennlinie) und von der Temperatur (mit steigender Temperatur sinkt U_F leicht) ab. Im Datenblatt wird sie immer bei einem definierten Strom angegeben. Bei höheren Strömen liegt U_F ein wenig höher als bei kleinen Strömen. Bei sehr kleinen Strömen (z. B. 1 mA) liegt U_F deutlich unter dem Datenblattwert für 20 mA.

Weiße LEDs – Sonderfall Phosphor-Konversion

Eine „echte“ weiße LED gibt es als Halbleiter nicht. Die heute übliche Bauart ist eine blaue LED (InGaN, U_F ≈ 3,2 V), deren blaues Licht teilweise einen gelb-grün leuchtenden Leuchtstoff (Phosphor, meist Cer-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat YAG:Ce) im Gehäuse anregt. Die Mischung aus restlichem Blau und dem konvertierten Gelb erscheint dem Auge als Weiß. Deshalb hat eine weiße LED elektrisch dieselbe Flussspannung wie eine blaue LED – sie ist im Kern auch eine blaue LED.

Eine rote LED und eine blaue LED werden jeweils einzeln über einen eigenen Vorwiderstand desselben Werts an dieselbe Versorgungsspannung von 5 V geschaltet. Welche Aussage trifft am ehesten zu?

a) Beide LEDs werden mit demselben Strom betrieben, weil derselbe Widerstand verwendet wird
b) Die rote LED wird stärker beansprucht, weil sie mehr Strom zieht – U_R = U_S − U_F ist bei ihr größer
c) Die blaue LED wird stärker beansprucht, weil sie eine höhere Flussspannung hat
d) Beide LEDs leuchten gar nicht, weil rote und blaue LEDs nicht parallel betrieben werden dürfen

Richtig: b)

Da U_F(rot) ≈ 2 V und U_F(blau) ≈ 3,2 V, fällt am Widerstand der roten LED rund 3 V ab, an dem der blauen nur rund 1,8 V. Bei gleichem Widerstand folgt nach Ohm I_rot > I_blau. Die rote LED wird also stärker beansprucht. a) ist falsch, weil der Strom über U_R fällt, nicht direkt über R. c) verwechselt höhere U_F mit höherem Strom. d) ist sachlich falsch.

Warum hat eine handelsübliche „weiße“ LED elektrisch praktisch dieselbe Flussspannung wie eine blaue LED?

a) Weiß ist eine Mischung aller Farben und der Mittelwert liegt bei ca. 3,2 V
b) Weiße LEDs sind im Kern blaue LEDs mit Leuchtstoffschicht (Phosphor-Konversion); die elektrische Charakteristik entspricht damit der blauen LED
c) Die Hersteller normieren die Flussspannung aller Farben auf 3,2 V
d) Weiße LEDs bestehen aus drei seriellen Chips (R, G, B), deren Spannungen zufällig 3,2 V ergeben

Richtig: b)

Heute übliche weiße LEDs bestehen aus einer blau emittierenden Halbleiterstruktur und einer gelblich leuchtenden Phosphorschicht. Elektrisch ist es eine blaue LED. a) ist eine bequeme, aber falsche Pseudoerklärung. c) ist frei erfunden. d) gibt es auch (RGB-Multichip-LEDs), das ist aber nicht die heute übliche Bauart für „weiß“.

U_F einer roten LED ist im Datenblatt mit „U_F = 2,1 V bei I_F = 20 mA, T = 25 °C“ angegeben. Welche Aussage ist korrekt?

a) U_F bleibt exakt 2,1 V, egal wie groß der Strom ist
b) U_F sinkt mit steigender Temperatur leicht und ändert sich auch mit dem Betriebsstrom – der Wert ist ein Arbeitspunkt im Datenblatt
c) U_F gilt nur in der Sperrrichtung
d) U_F ist gleich der maximalen Sperrspannung U_R

Richtig: b)

Die Kennlinie ist steil, aber nicht senkrecht; sie verschiebt sich mit der Temperatur. Der Datenblattwert ist ein punktueller Arbeitspunkt, kein universeller Festwert. a) widerspricht der realen Kennlinie. c) verwechselt Vorzeichen und Richtung. d) verwechselt zwei verschiedene Kenngrößen.

Vorwiderstand berechnen

Warum überhaupt ein Vorwiderstand?

Die Kennlinie einer LED ist im Durchlassbereich extrem steil: Eine kleine Erhöhung der Spannung über U_F führt zu einer großen Stromerhöhung. Würde man eine LED direkt an eine Spannungsquelle hängen, deren Spannung auch nur knapp über U_F liegt, würde der Strom unkontrolliert ansteigen, die LED erwärmt sich rasant und brennt durch. Eine LED braucht deshalb keine Spannungsversorgung, sondern eine Stromversorgung.

Die einfachste Form einer Strombegrenzung ist ein Vorwiderstand in Reihe zur LED.

Die Maschengleichung

In einer einfachen Schaltung aus Versorgungsspannung U_S, Vorwiderstand R und LED gilt nach der Maschenregel:

U_S = U_R + U_F

Daraus folgt durch Umstellen nach U_R und Anwendung des Ohmschen Gesetzes:

R = (U_S − U_F) / I_F

R … Vorwiderstand in Ohm
U_S … Versorgungsspannung in Volt
U_F … Flussspannung der LED in Volt (aus Datenblatt)
I_F … gewünschter Durchlassstrom in Ampere

Typischer Arbeitspunkt bei Standard-LEDs (3- und 5-mm-Bauformen): I_F ≈ 10 … 20 mA. Hellere Leistungs-LEDs werden mit deutlich höheren Strömen betrieben (350 mA, 700 mA, 1 A …) und brauchen meist eine richtige Konstantstromquelle statt eines Widerstands.

E12-Normwert wählen

Ein berechneter Widerstand wie 145 Ω existiert in der E12-Reihe nicht. Aus Sicherheitsgründen wird immer der nächstgrößere Normwert gewählt – ein größerer Widerstand bedeutet weniger Strom, also weniger Stress für die LED. Die E12-Werte zwischen 100 Ω und 1 kΩ sind: 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330, 390, 470, 560, 680, 820, 1000 Ω.

Verlustleistung am Widerstand

Am Vorwiderstand wird die Differenzspannung U_S − U_F in Wärme umgesetzt. Die Verlustleistung beträgt:

P_R = (U_S − U_F) · I_F

P_R … Verlustleistung am Widerstand in Watt
U_S … Versorgungsspannung in Volt
U_F … Flussspannung in Volt
I_F … Durchlassstrom in Ampere

Wichtig: Die Bauform des Widerstands (1/8 W, 1/4 W, 1/2 W, 1 W …) muss zur tatsächlich anfallenden Verlustleistung passen, mit ausreichender Reserve. Faustregel: maximal 50 – 70 % der Nennleistung dauerhaft belasten.

Rechenbeispiel

Eine rote LED soll an 5 V Versorgungsspannung mit 20 mA betrieben werden. Aus dem Datenblatt: U_F = 2,0 V.

R = (5 V − 2,0 V) / 0,020 A = 3 V / 0,02 A = 150 Ω

Der berechnete Wert 150 Ω ist zufällig direkt ein E12-Normwert.

Verlustleistung am Widerstand:

P_R = (5 V − 2,0 V) · 0,020 A = 3 V · 0,02 A = 0,06 W = 60 mW

Ein Standard-Widerstand mit 1/4 W (= 250 mW) ist hier mehr als ausreichend.

Grundschaltung: Versorgungsspannung U_S, Vorwiderstand R und LED in Reihe. Aus der Maschenregel folgt direkt die Berechnungsformel für R.

Gelöstes Beispiel

An einer Versorgungsspannung von 12 V soll eine grüne LED mit U_F = 3,2 V und I_F = 15 mA betrieben werden. Gesucht sind der berechnete Vorwiderstand, der nächste E12-Normwert sowie die Verlustleistung am Widerstand.

Berechnung des Vorwiderstands: R = (U_S − U_F) / I_F = (12 V − 3,2 V) / 0,015 A = 8,8 V / 0,015 A = 586,67 Ω
Nächstgrößerer E12-Wert: Die E12-Werte in der relevanten Dekade sind 470, 560, 680, 820 Ω. 586,67 Ω liegt zwischen 560 und 680. Der nächstgrößere E12-Wert ist 680 Ω.
Tatsächlicher Strom mit 680 Ω: I_tatsächlich = (U_S − U_F) / R = 8,8 V / 680 Ω ≈ 0,01294 A ≈ 12,9 mA. Das liegt unter 15 mA – die LED ist sicher betrieben.
Verlustleistung: P_R = (U_S − U_F) · I_tatsächlich = 8,8 V · 0,01294 A ≈ 0,114 W = 114 mW. Ein 1/4-W-Widerstand (250 mW) reicht mit deutlicher Reserve.

Ergebnis: R = 680 Ω, 1/4 W; tatsächlicher Strom ≈ 12,9 mA; Verlustleistung ≈ 114 mW.

Übungen

Übung 1: Eine rote LED (U_F = 2,1 V) soll an 9 V mit I_F = 20 mA betrieben werden. Berechne R und P_R. Wähle den nächsten E12-Normwert.

R = (9 V − 2,1 V) / 0,020 A = 6,9 V / 0,020 A = 345 Ω. Nächster E12-Wert: 390 Ω. I_tatsächlich = 6,9 V / 390 Ω ≈ 17,7 mA. P_R = 6,9 V · 0,0177 A ≈ 0,122 W ≈ 122 mW → 1/4-W-Widerstand reicht.

Übung 2: Eine blaue LED (U_F = 3,3 V) soll an 5 V mit I_F = 10 mA leuchten. Berechne R und P_R sowie den E12-Normwert.

R = (5 V − 3,3 V) / 0,010 A = 1,7 V / 0,010 A = 170 Ω. Nächster E12-Wert: 180 Ω. I_tatsächlich = 1,7 V / 180 Ω ≈ 9,4 mA. P_R = 1,7 V · 0,0094 A ≈ 0,016 W = 16 mW → 1/8-W-Widerstand reicht locker.

Übung 3: Eine Infrarot-LED (U_F = 1,4 V) soll an 24 V Industriespannung mit I_F = 50 mA betrieben werden. Berechne R, den nächsten E12-Wert und P_R. Welche Widerstands-Bauform ist sinnvoll?

R = (24 V − 1,4 V) / 0,050 A = 22,6 V / 0,050 A = 452 Ω. Nächster E12-Wert: 470 Ω. I_tatsächlich = 22,6 V / 470 Ω ≈ 48,1 mA. P_R = 22,6 V · 0,0481 A ≈ 1,087 W ≈ 1,09 W. Hier wäre ein Widerstand mit mindestens 2 W Belastbarkeit sinnvoll. Praktisch: Bei 50 mA ständigem Strom lohnt sich eine Konstantstromquelle, weil knapp 1,1 W ungenutzt verheizt werden.

Übung 4: An einer 12-V-Versorgung sollen zwei rote LEDs (je U_F = 2,0 V) in Reihe an einem gemeinsamen Vorwiderstand mit I_F = 15 mA betrieben werden. Berechne R, P_R und den E12-Wert.

Maschengleichung: U_S = U_R + 2 · U_F → U_R = 12 V − 4,0 V = 8 V. R = 8 V / 0,015 A = 533,3 Ω. Nächster E12-Wert: 560 Ω. I_tatsächlich = 8 V / 560 Ω ≈ 14,3 mA. P_R = 8 V · 0,0143 A ≈ 0,114 W ≈ 114 mW → 1/4-W-Widerstand reicht.

Übung 5: Eine gelbe LED (U_F = 2,2 V) soll an 5 V Versorgungsspannung mit 20 mA leuchten. Es liegt nur ein 220-Ω-Widerstand vor. Berechne den tatsächlichen Strom und die Verlustleistung am Widerstand. Ist die LED damit zu schwach oder zu stark angesteuert?

U_R = 5 V − 2,2 V = 2,8 V. I_tatsächlich = 2,8 V / 220 Ω = 0,01273 A ≈ 12,7 mA. P_R = 2,8 V · 0,01273 A ≈ 0,0356 W ≈ 36 mW. 12,7 mA liegen unter dem Wunschwert von 20 mA – die LED leuchtet etwas schwächer, ist aber sicher im zulässigen Bereich. Falls mehr Helligkeit gewünscht ist, sollte R verkleinert werden (z. B. auf 150 Ω → ≈ 18,7 mA).

Eine LED wird ohne Vorwiderstand direkt an eine Spannungsquelle gehängt, deren Spannung minimal über U_F liegt. Welche Aussage beschreibt das Verhalten am besten?

a) Die LED begrenzt den Strom selbst, weil sie eine „Spannungsdiode“ ist
b) Wegen der sehr steilen Kennlinie führt schon eine kleine Spannungsüberhöhung zu einem großen Strom – ohne Strombegrenzung wird die LED beschädigt oder zerstört
c) Die Stromquelle stellt sich automatisch auf den richtigen LED-Strom ein
d) Der Strom bleibt konstant bei 20 mA, weil das der Standardwert ist

Richtig: b)

Die Kennlinie ist im Durchlassbereich annähernd exponentiell, eine kleine Spannungsänderung verändert den Strom drastisch. Ohne Strombegrenzung steigt der Strom über den zulässigen Wert. a) ist falsch – eine LED hat keinen integrierten Strombegrenzer. c) verwechselt Spannungs- mit Stromquelle. d) ist ein Mythos: 20 mA ist ein typischer Arbeitspunkt für Standard-LEDs, kein automatischer Selbstregelungswert.

Warum wird beim Vorwiderstand der nächstgrößere E12-Wert gewählt und nicht der nächstkleinere?

a) Der nächstgrößere ist günstiger
b) Ein größerer Widerstand bedeutet kleineren Strom und damit sichere Unterschreitung des Nennstroms – die LED wird thermisch entlastet
c) Der nächstkleinere E12-Wert gibt es nicht in jeder Dekade
d) E12 schreibt das so vor, weil sonst die Toleranz versagt

Richtig: b)

Da ein kleinerer Strom die LED schont und der Helligkeitsverlust meist kaum sichtbar ist, ist die Wahl des größeren Normwerts der sichere Weg. a) ist preislich irrelevant. c) ist sachlich falsch – die E12-Reihe ist lückenlos je Dekade definiert. d) verwechselt Bauteiltoleranz mit Auslegungsphilosophie.

An einer 24-V-Versorgung wird eine rote LED (U_F = 2,0 V) mit I_F = 20 mA betrieben. Welche Verlustleistung fällt am Vorwiderstand an, und welche Bauform ist passend?

a) 40 mW, 1/8 W
b) 480 mW, mindestens 1 W Bauform
c) 440 mW, mindestens 1 W Bauform (mit Reserve)
d) 4,4 W, mindestens 5 W Bauform

Richtig: c)

P_R = (24 V − 2,0 V) · 0,020 A = 22 V · 0,020 A = 0,44 W = 440 mW. Da der Widerstand dauerhaft mit 440 mW belastet wird, ist 1/2 W zu knapp (Faustregel ~50 – 70 % der Nennleistung), 1 W ist sinnvoll. Bei dauerhafter Belastung lohnt sich für solche Spannungen ohnehin eine Konstantstromquelle. a) verwechselt U_R mit U_F (60 mW wäre die Lösung für 5 V). b) hat den rechnerischen Wert um 9 % verschoben. d) hat die Größenordnung um Faktor 10 zu hoch.

RGB-LEDs

Eine RGB-LED ist nicht eine einzelne LED, die jede Farbe erzeugen kann, sondern drei einzelne LEDs in einem gemeinsamen Gehäuse: eine rote, eine grüne und eine blaue. Durch additive Farbmischung dieser drei Grundfarben können fast alle Farben erzeugt werden – auch Weiß, wenn alle drei Chips gleichzeitig in passendem Verhältnis leuchten.

Zwei Grundbauformen

RGB-LEDs gibt es in zwei elektrisch sehr unterschiedlichen Ausführungen.

Gemeinsame Anode (Common Anode): Die Anoden aller drei internen LEDs sind intern verbunden und werden zusammen an die Versorgungsspannung (+) gelegt. Jede Farbe wird einzeln geschaltet, indem ihre Kathode über einen eigenen Vorwiderstand auf Masse gezogen wird („Low-aktiv“). Ein Pin (häufig der längste) ist die gemeinsame Anode, die anderen drei sind die einzelnen Kathoden für R, G, B.

Gemeinsame Kathode (Common Cathode): Die Kathoden aller drei internen LEDs sind intern verbunden und liegen gemeinsam auf Masse. Jede Farbe wird einzeln geschaltet, indem ihre Anode über einen eigenen Vorwiderstand auf +V gelegt wird („High-aktiv“). Ein Pin (häufig der längste) ist die gemeinsame Kathode, die anderen drei sind die einzelnen Anoden.

Welche Bauform vorliegt, muss vor der Verdrahtung aus dem Datenblatt entnommen werden. Sichtbar von außen unterscheiden sich die beiden Typen nicht.

Drei Vorwiderstände – nicht einer

Auch wenn alle drei Chips im selben Gehäuse sitzen, hat jede Farbe ihre eigene Flussspannung: rot ≈ 2,0 V, grün ≈ 3,2 V, blau ≈ 3,2 V. Ein gemeinsamer Vorwiderstand würde dazu führen, dass die rote LED massiv überstromt wäre, sobald die grüne oder blaue mitleuchtet (oder nicht), weil sich der Strom je nach Schaltzustand umverteilt.

Deshalb: Jede Farbe bekommt ihren eigenen Vorwiderstand, individuell berechnet nach R = (U_S − U_F) / I_F mit der passenden Flussspannung der jeweiligen Farbe.

Helligkeitssteuerung über PWM

Soll die Farbe nicht nur an/aus, sondern in der Intensität verändert werden (z. B. ein gemischtes Lila aus 60 % Rot und 40 % Blau), wird jeder Kanal über Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert. Die LED wird so schnell ein- und ausgeschaltet, dass das Auge nur die mittlere Helligkeit wahrnimmt. Über das Tastverhältnis lässt sich jede Farbe stufenlos dimmen. PWM-Frequenzen ab ca. 200 Hz sind flimmerfrei.

Ein Entwickler verdrahtet eine RGB-LED mit gemeinsamer Anode an einem Mikrocontroller. Welche Aussage zum Schaltverhalten ist korrekt?

a) Jeder Farbkanal wird durch High-Pegel am Mikrocontroller-Ausgang aktiviert
b) Jeder Farbkanal wird durch Low-Pegel am Mikrocontroller-Ausgang aktiviert (Strom fließt von der gemeinsamen Anode über die jeweilige LED und den Widerstand zum Low-Pegel)
c) Die gemeinsame Anode muss auf Masse liegen
d) Es darf nur eine Farbe gleichzeitig leuchten

Richtig: b)

Bei gemeinsamer Anode liegt der Pluspol immer an der Anode an; eine Farbe leuchtet, wenn der entsprechende Mikrocontroller-Pin auf Low geht und damit den Strompfad über LED und Widerstand zur Masse schließt. a) ist die Logik der gemeinsamen Kathode. c) ist falsch – die gemeinsame Anode liegt auf +V. d) ist falsch – mehrere Kanäle können gleichzeitig aktiv sein, das ist die Grundlage der Farbmischung.

Eine RGB-LED soll ein gleichmäßiges Weiß erzeugen. Welche Aussage zur Auslegung der Vorwiderstände trifft am ehesten zu?

a) Ein gemeinsamer Widerstand reicht, weil alle drei Kanäle dieselbe Spannung sehen
b) Jeder Kanal bekommt einen eigenen Vorwiderstand, weil U_F je Farbe unterschiedlich ist; das Mischverhältnis wird zusätzlich über die einzelnen Ströme oder PWM angepasst, damit das visuelle Empfinden ausgeglichen ist
c) Alle drei Widerstände müssen identisch sein, sonst funktioniert die Farbmischung nicht
d) Der grüne Kanal braucht keinen Widerstand, weil grünes Licht „schwächer“ ist

Richtig: b)

Unterschiedliche U_F erzwingen unterschiedliche Widerstände. Da das Auge auf grünes Licht empfindlicher reagiert als auf rotes oder blaues, ist ein „elektrisches“ Gleichmaß noch kein „visuelles“ Weiß – das Mischverhältnis muss auf das Auge abgestimmt werden. a) ist falsch und führt zu Überlastung des roten Kanals. c) verwechselt elektrisch gleichen Strom mit gleichem Widerstand. d) ist Unsinn.

Warum kann das Tastverhältnis einer PWM bei sehr niedrigen Frequenzen unter etwa 60 – 100 Hz problematisch sein?

a) Die LED dimmt nicht
b) Die LED altert schneller, weil die Flussspannung steigt
c) Das menschliche Auge nimmt das Schalten als Flimmern wahr, insbesondere im peripheren Sehen
d) Die PWM erzeugt mechanische Vibrationen im Bauteil

Richtig: c)

Unter ca. 100 Hz wird das Schalten als Flimmern wahrgenommen, besonders im Augenwinkel; deshalb werden PWM-Frequenzen für Beleuchtung typischerweise auf mehrere hundert bis tausend Hz gelegt. a) ist falsch – Dimmung funktioniert auch bei niedriger Frequenz, sie wird nur sichtbar. b) ist nicht zutreffend. d) gibt es nicht in nennenswertem Maß.

Anwendungen

LEDs haben in den letzten 20 Jahren praktisch alle anderen Lichtquellen verdrängt oder ergänzt. Drei Anwendungsbereiche stechen heraus.

Signalisierung und Anzeige

Klassische Statusanzeigen an Geräten und Schaltschränken: grüne LED für „in Ordnung“, rote LED für „Störung“, gelbe LED für „Warnung / Wartung fällig“. Weiter: Hauben-Meldeleuchten auf Maschinen, Schaltschrankleuchten zur Innenbeleuchtung, sieben-Segment-Anzeigen aus einzelnen LED-Streifen, Punktmatrix-Displays für Lauftext und einfache Symbole. Vorteil hier: lange Lebensdauer (kein Lampentausch im Schaltschrank), geringe Stromaufnahme, mechanische Robustheit.

Allgemeine Beleuchtung

Heute der größte Markt: LED-Leuchten in Büro, Halle, Außenbereich, Wohnung, Straßenbeleuchtung, KFZ (Tagfahrlicht, Schluss- und Bremsleuchten, zunehmend auch Scheinwerfer). Auch die Hinterleuchtung von Flüssigkristall-Displays (LCD) erfolgt heute praktisch ausschließlich durch weiße LEDs. Vorteil: hoher Wirkungsgrad gegenüber Glühlampe und Halogen, lange Lebensdauer, schnelle Schaltzeit (insbesondere im KFZ), dimmbar (über PWM oder Konstantstromsteuerung).

Optoelektronik

Infrarot-LEDs in Fernbedienungen (typisch 940 nm), in Lichtschranken (Sender / Empfänger), in Reflexlichttastern (Industrie-Näherungssensoren), in Encoder-Scheiben (Strichmaße), in Optokopplern (galvanische Trennung in der Steuerungstechnik – die Eingangsseite enthält eine IR-LED, die Ausgangsseite einen Foto-Transistor). Auch in der Datenübertragung über Lichtwellenleiter werden LEDs (oder Laserdioden) als Sender eingesetzt.

Vorteile gegenüber der Glühlampe (zusammengefasst)

Wirkungsgrad: 30 – 50 % der elektrischen Leistung werden bei modernen LEDs in Licht umgesetzt; bei Glühlampen sind es nur 5 – 10 %.
Lebensdauer: typisch 25 000 – 50 000 h gegen rund 1 000 h Glühlampe.
Bauform: klein, leicht in Geräte integrierbar, vibrationsfest.
Schaltzeit: im Bereich Nanosekunden bis Mikrosekunden, ideal für Signal- und Sicherheitsanwendungen.
Farbe ohne Filter: die gewünschte Farbe wird direkt erzeugt, kein Energieverlust durch Farbfilter.

In einem Optokoppler arbeitet auf der Eingangsseite eine LED. Welche Eigenschaft der LED ist hier funktional unverzichtbar?

a) Sichtbares Licht muss durch ein Gehäuse austreten
b) Eine sehr hohe Sperrspannung (über 100 V) ist erforderlich
c) Optische Strahlung im Bereich, in dem der Fototransistor empfindlich ist (meist nahes Infrarot) – plus eine schnelle Reaktion auf Strompulse für die galvanische Trennung von Steuersignalen
d) Eine besonders große Bauform für gute Wärmeabfuhr

Richtig: c)

Optokoppler arbeiten meist mit IR-LEDs, deren Wellenlänge zur Empfindlichkeit des Fototransistors passt. Der eigentliche Zweck ist die galvanische Trennung von Steuer- und Lastkreis bei schneller Signalübertragung. a) ist falsch – im Optokoppler bleibt das Licht im Bauteil. b) verwechselt LED mit Z-Diode oder Schutzdiode. d) ist für die Funktion irrelevant.

Eine grüne Statusanzeige im Schaltschrank, bisher mit einer Glimmlampe realisiert, wird durch eine grüne LED ersetzt. Welche Eigenschaft ist im konkreten Vergleich der wichtigste Vorteil im Dauerbetrieb?

a) Höhere Lichtleistung pro Watt und mehr als zehnfache Lebensdauer der LED
b) Die LED ist robust gegenüber UV-Strahlung
c) Die LED hat eine höhere Sperrspannung
d) Die LED arbeitet im Gegensatz zur Glimmlampe immer mit Gleichspannung

Richtig: a)

Glimmlampen sind ineffizient und haben deutlich kürzere Lebensdauern als LEDs. Im Dauerbetrieb dominiert beides klar. b) ist sachfremd. c) ist sachfremd. d) ist falsch – auch LEDs lassen sich an Wechselspannung betreiben (mit Schutzbeschaltung), die Aussage über Glimmlampen ist umgekehrt richtig.

Welche Lichtquelle erzeugt eine bestimmte Farbe ohne nennenswerten Verlust durch Farbfilter?

a) Halogenlampe mit Farbfilter
b) Glühlampe mit Farbfilter
c) LED – die Farbe entsteht direkt im Halbleiter
d) Energiesparlampe (Kompaktleuchtstofflampe) mit Farbfilter

Richtig: c)

Bei LEDs wird die gewünschte Farbe direkt im Halbleiter erzeugt; ein Filter entfällt. a), b), d) verlieren Energie durch den Filter, der unerwünschte Wellenlängen blockiert.

Grenzwerte und Lebensdauer

Im Datenblatt einer LED stehen drei zentrale Grenzwerte (Maximum Ratings), deren Überschreitung die Lebensdauer schlagartig verkürzt oder das Bauteil sofort zerstört.

I_F(max) – maximaler Durchlassstrom

Der höchste zulässige Dauerstrom in Durchlassrichtung. Standard-LEDs liegen typisch bei 20 – 30 mA, Leistungs-LEDs bei mehreren Hundert Milliampere bis über 1 A. Wird I_F(max) dauerhaft überschritten, steigt die Sperrschichttemperatur und der Halbleiter altert beschleunigt – die Lichtleistung lässt nach und der Chip kann thermisch zerstört werden. Bei sehr kurzen Pulsen (PWM mit kleinem Tastverhältnis) erlauben Datenblätter teilweise höhere Spitzenströme, aber nur unter engen Bedingungen.

U_R(max) – maximale Sperrspannung

Die höchste zulässige Spannung in Sperrrichtung. Bei Standard-LEDs typisch 5 V, also viel kleiner als bei einer normalen Gleichrichterdiode. Wird U_R(max) überschritten, kommt es zu einem Lawinendurchbruch, der bei LEDs nicht spezifiziert und nicht reproduzierbar ist – das Bauteil ist meist sofort defekt.

T_j(max) – maximale Sperrschichttemperatur

Die Temperatur des Halbleiterchips, nicht die Umgebungstemperatur. Typisch bei 100 – 150 °C. Sie wird beeinflusst durch I_F, durch die Umgebungstemperatur und durch den thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung. Bei Leistungs-LEDs ist eine wirksame Wärmeabfuhr (Kühlkörper, Aluminium-Kernplatine) Pflicht.

Lebensdauer in der Praxis

Die typische Lebensdauer von Standard-LEDs liegt bei 25 000 – 50 000 Stunden; gut konstruierte Leistungs-LEDs erreichen 50 000 – 100 000 h und mehr. „Lebensdauer“ meint bei LEDs aber nicht den Totalausfall, sondern den Rückgang der Lichtleistung. Der wichtigste Kennwert ist L70: Zeit, nach der die Lichtleistung noch 70 % des Anfangswerts beträgt. Daneben gibt es L80 und L90 für strengere Anwendungen. Die LED brennt also selten „durch“ – sie wird über die Jahre dunkler, bis sie als untauglich empfunden wird.

Häufige Ursachen für vorzeitigen Ausfall

Dauerhafter Überstrom (zu kleiner Vorwiderstand, Konstantstromquelle falsch parametriert).
Schlechte Wärmeabfuhr (kein Kühlkörper, schlechter thermischer Kontakt, geschlossenes Gehäuse ohne Belüftung).
Hohe Umgebungstemperatur (Schaltschrank ohne Belüftung).
Verpolung mit Überschreitung von U_R(max).
ESD-Schäden bei Montage (besonders bei UV- und blauen LEDs sensibel).
Spannungsspitzen (kein passender Überspannungsschutz, induktive Last in der Nähe ohne Freilauf).

Faustregeln für lange Lebensdauer

LEDs nicht an der Stromobergrenze betreiben, sondern bei 50 – 80 % von I_F(max).
Bei Leistungs-LEDs (≥ 350 mA) immer mit Konstantstromquelle, nicht mit Vorwiderstand.
Für Leistungs-LEDs ausreichend dimensionierter Kühlkörper und gute Wärmeleitpaste.
Im Wechselspannungsbetrieb antiparallele Schutzdiode oder antiparallele zweite LED.

Eine Leistungs-LED (I_F(nenn) = 700 mA, U_F = 3,1 V) wird ohne Kühlkörper auf einer Standard-Leiterplatte betrieben. Welcher Effekt ist am wahrscheinlichsten?

a) Die LED leuchtet stabil über die volle Lebensdauer
b) Die Sperrschichttemperatur überschreitet T_j(max), die Lichtleistung nimmt schnell ab und der Chip altert beschleunigt oder fällt aus
c) Die Flussspannung steigt auf über 10 V
d) Die LED beginnt selbstständig zu blinken

Richtig: b)

Bei 700 mA · 3,1 V ≈ 2,2 W Verlustleistung erreicht der Chip ohne Kühlkörper sehr schnell unzulässige Temperaturen. a) ist unrealistisch. c) ist falsch – U_F steigt nicht so stark, eher fällt sie mit der Temperatur leicht ab. d) gibt es bei einfachen LEDs nicht.

Eine LED wird als „L70 = 50 000 h“ beworben. Wie ist diese Angabe korrekt zu verstehen?

a) Nach 50 000 h fällt die LED komplett aus
b) Nach 50 000 h beträgt die abgegebene Lichtleistung noch ca. 70 % des Ausgangswerts
c) 70 % aller verkauften LEDs erreichen 50 000 h ohne Ausfall
d) Die LED darf maximal 70 % von 50 000 h eingeschaltet sein

Richtig: b)

L70 ist die Zeit, bis die Lichtleistung auf 70 % des Anfangswerts gefallen ist. a) verwechselt Lichtstromrückgang mit Totalausfall. c) wäre eine Ausfallquote, kein L-Wert. d) ist sinnlos und in keiner Norm so definiert.

Eine LED mit U_R(max) = 5 V wird versehentlich verpolt an 12 V angeschlossen. Was passiert am wahrscheinlichsten?

a) Die LED leuchtet schwach
b) Die LED bleibt unbeschadet, weil die Sperrrichtung „ungefährlich“ ist
c) Die LED erfährt einen Lawinendurchbruch in Sperrrichtung – nicht spezifiziert, meist sofortiger Defekt
d) Die LED beginnt zu blinken

Richtig: c)

12 V überschreiten die 5 V Sperrspannung deutlich; ein Lawinendurchbruch bei LEDs ist nicht definiert und meist zerstörerisch. a) ist falsch – im Sperrbetrieb leuchtet die LED nicht. b) ist falsch, U_R(max) wird hier deutlich überschritten. d) gibt es nicht.

Abschlusstest

Rechenübung 1: Eine gelbe LED mit U_F = 2,2 V soll an 5 V Versorgungsspannung mit I_F = 18 mA betrieben werden. Berechne den exakten Widerstandswert und den nächstgrößeren E12-Normwert.

R = (5 V − 2,2 V) / 0,018 A = 2,8 V / 0,018 A ≈ 155,56 Ω. Nächstgrößerer E12-Wert: 180 Ω.

Rechenübung 2: An einer 9-V-Batterie soll eine blaue LED mit U_F = 3,2 V und I_F = 15 mA betrieben werden. Berechne R und wähle den E12-Wert.

R = (9 V − 3,2 V) / 0,015 A = 5,8 V / 0,015 A ≈ 386,67 Ω. Nächstgrößerer E12-Wert: 390 Ω.

Rechenübung 3: Eine rote LED (U_F = 2,0 V) wird an 12 V mit I_F = 20 mA betrieben. Wie groß ist die Verlustleistung am Vorwiderstand, und welche Widerstands-Bauform ist sinnvoll?

P_R = (12 V − 2,0 V) · 0,020 A = 10 V · 0,020 A = 0,20 W = 200 mW. Bei dauerhafter Belastung von 200 mW ist ein 1/4-W-Widerstand (250 mW) knapp – Faustregel maximal 50 – 70 % der Nennleistung. Empfehlung: 1/2-W-Widerstand.

Rechenübung 4: Eine Infrarot-LED (U_F = 1,5 V) soll an 24 V mit I_F = 30 mA betrieben werden. Berechne P_R und gib eine sinnvolle Bauform an.

P_R = (24 V − 1,5 V) · 0,030 A = 22,5 V · 0,030 A = 0,675 W = 675 mW. Empfehlung: mindestens 1-W-Widerstand. Bei häufiger Anwendung dieser Konstellation lohnt sich eine Konstantstromquelle.

Rechenübung 5: An einer Versorgung von 12 V sollen drei rote LEDs mit U_F = 2,0 V in Reihe mit gemeinsamem Vorwiderstand bei I_F = 15 mA betrieben werden. Berechne R, P_R und den E12-Wert.

U_R = 12 V − 3 · 2,0 V = 12 V − 6,0 V = 6,0 V. R = 6,0 V / 0,015 A = 400 Ω. Nächstgrößerer E12-Wert: 470 Ω. I_tatsächlich = 6,0 V / 470 Ω ≈ 12,77 mA. P_R = 6,0 V · 0,01277 A ≈ 0,077 W ≈ 77 mW → 1/4-W-Widerstand reicht.

Rechenübung 6: Eine RGB-LED mit gemeinsamer Kathode soll an 5 V betrieben werden, jeder Kanal mit I_F = 15 mA. U_F(rot) = 2,0 V, U_F(grün) = 3,2 V, U_F(blau) = 3,2 V. Berechne die drei Vorwiderstände und die jeweiligen E12-Werte.

Rot: R_R = (5 V − 2,0 V) / 0,015 A = 3,0 V / 0,015 A = 200 Ω → E12: 220 Ω. Grün: R_G = (5 V − 3,2 V) / 0,015 A = 1,8 V / 0,015 A = 120 Ω → E12: 120 Ω (Treffer). Blau: R_B = (5 V − 3,2 V) / 0,015 A = 120 Ω → E12: 120 Ω.

Welche Aussage trifft auf den Zusammenhang zwischen Bandlücke und LED-Farbe am genauesten zu?

a) Größere Bandlücke → längere Wellenlänge → röter
b) Größere Bandlücke → kürzere Wellenlänge → blauer; U_F steigt entsprechend
c) Die Bandlücke bestimmt nur die Sperrspannung
d) Bandlücke und Farbe sind unabhängig

Richtig: b)

Photonenenergie = Bandlücke; mehr Energie → kürzere Wellenlänge. Damit verschiebt sich die Farbe Richtung Blau/UV und U_F steigt. a) dreht den Zusammenhang um, c) und d) sind sachlich falsch.

Eine LED mit U_F = 2,1 V soll an 5 V mit 20 mA betrieben werden, ein 100-Ω-Widerstand wird eingebaut. Welcher Strom fließt tatsächlich, und welche Folge ist zu erwarten?

a) Etwa 20 mA, alles in Ordnung
b) Etwa 29 mA – über dem Nennwert, möglicher Lebensdauerverlust
c) Etwa 50 mA, LED brennt sofort durch
d) Etwa 10 mA, LED leuchtet nur schwach

Richtig: b)

I = (5 V − 2,1 V) / 100 Ω = 2,9 V / 100 Ω = 0,029 A = 29 mA. Das liegt über den 20 mA Nennstrom. Die LED leuchtet zunächst etwas heller, altert aber beschleunigt. Sofortiger Durchbrand (c) erfolgt erst bei deutlich höherem Strom.

An welcher der folgenden Stellen tritt die thermisch kritische Temperatur einer LED auf?

a) Im Gehäusekunststoff außen
b) An der Lötstelle der Anode
c) In der Sperrschicht des Halbleiterchips (T_j)
d) Im Vorwiderstand

Richtig: c)

Maßgeblich ist die Sperrschichttemperatur T_j. Der Wärmepfad führt vom Chip über das Gehäuse zur Umgebung; der Vorwiderstand hat seine eigene thermische Belastung, ist aber nicht der Grenzwert der LED.

Eine Standard-LED hat laut Datenblatt U_R(max) = 5 V. Wird sie in einer Wechselspannungsschaltung mit 12 V Scheitelwert ohne Schutzbeschaltung betrieben, ist die Folge:

a) Die LED leuchtet ohne Probleme, weil im negativen Halbwelle kein Strom fließt
b) Die negativen Halbwellen überschreiten U_R(max), die LED wird in der Regel zerstört
c) Die Wechselspannung wird durch die LED gleichgerichtet
d) Die Lebensdauer halbiert sich

Richtig: b)

12 V Sperrspannung übersteigen 5 V deutlich → Defekt. Eine antiparallele Schutzdiode oder eine antiparallele zweite LED schützt zuverlässig.

Welche Komponente eignet sich am besten, um eine Leistungs-LED mit I_F = 700 mA bei einer 24-V-Versorgung sauber und energieeffizient zu betreiben?

a) Vorwiderstand mit 30 Ω, 25 W
b) Konstantstromquelle, eingestellt auf 700 mA
c) Z-Diode mit 5 V parallel zur LED
d) Glättungskondensator parallel zur LED

Richtig: b)

Bei hohen Strömen ist ein Vorwiderstand stark verlustbehaftet (a wäre rechnerisch korrekt, aber sehr ineffizient – ca. 14 W Wärme). Eine Konstantstromquelle hält den Strom unabhängig von Spannungsschwankungen und Erwärmung exakt auf 700 mA. c) und d) sind ungeeignet.

Eine RGB-LED mit gemeinsamer Anode wird von einem 3,3-V-Mikrocontroller angesteuert. Welche Schaltlogik passt zur Hardware?

a) High-aktiv: Pin auf 3,3 V schaltet die jeweilige Farbe ein
b) Low-aktiv: Pin auf 0 V schaltet die jeweilige Farbe ein, da die gemeinsame Anode auf +V liegt
c) Beide Logiken funktionieren gleich
d) Die Logik ist von der Farbe abhängig

Richtig: b)

Bei gemeinsamer Anode (immer auf +V) leuchtet eine Farbe, wenn der zugehörige Mikrocontroller-Pin auf Low geht und damit den Strompfad schließt.

Eine weiße LED basiert üblicherweise auf …

a) … einer roten LED mit Filter
b) … einer Glühwendel mit Vorwiderstand
c) … einer blauen InGaN-LED mit gelblicher Phosphor-Konversionsschicht
d) … drei in Reihe geschalteten Chips R + G + B mit gemeinsamem Vorwiderstand

Richtig: c)

Heute Stand der Technik. Die blaue LED regt einen Leuchtstoff (oft YAG:Ce) an, der gelb-grünes Licht abgibt; das Auge mischt zu Weiß. d) gibt es als RGB-LED, ist aber nicht die übliche „weiße LED“.

Bei einer Lichtleistungsangabe „L80 = 35 000 h“ bedeutet das …

a) … die LED fällt nach 35 000 h aus
b) … nach 35 000 h liefert die LED noch 80 % des anfänglichen Lichtstroms
c) … 80 % aller LEDs erreichen 35 000 h
d) … die LED darf nur zu 80 % belastet werden

Richtig: b)

L-Werte beschreiben den Lichtstromrückgang, nicht den Totalausfall und nicht die Ausfallquote.

Welche Aussage zu PWM in der LED-Ansteuerung ist korrekt?

a) PWM verringert die Lebensdauer drastisch, weil die LED ständig ein- und ausgeschaltet wird
b) PWM ermöglicht eine stufenlose Helligkeitsregelung; bei Frequenzen ab ca. 200 Hz wird das Schalten nicht mehr als Flimmern wahrgenommen
c) PWM funktioniert nur mit Wechselspannung
d) PWM darf nur bei roten LEDs verwendet werden

Richtig: b)

Über das Tastverhältnis lässt sich die mittlere Lichtleistung einstellen. Frequenzen ab einigen Hundert Hz sind flimmerfrei. a), c), d) sind falsch.

Welche der folgenden Optionen ist KEINE typische Ursache für vorzeitigen LED-Ausfall?

a) Dauerhafter Überstrom durch zu kleinen Vorwiderstand
b) Schlechte Wärmeabfuhr bei Leistungs-LEDs
c) Verpolung mit Überschreitung von U_R(max)
d) Betrieb bei 30 % des Nennstroms in einem belüfteten Schaltschrank

Richtig: d)

Reduzierter Strom und gute Belüftung sind genau die Maßnahmen, die die Lebensdauer verlängern. a), b), c) sind die typischen Ausfallursachen.

Eine Reihenschaltung aus zwei blauen LEDs (je U_F = 3,2 V) soll an 9 V mit 20 mA betrieben werden. Welche Aussage trifft zu?

a) U_R = 9 V − 3,2 V = 5,8 V
b) U_R = 9 V − 6,4 V = 2,6 V; R = 2,6 V / 0,02 A = 130 Ω → E12: 150 Ω
c) An jeder LED fallen 4,5 V ab
d) Die zweite LED bekommt keinen Strom mehr

Richtig: b)

In Reihe addieren sich die Flussspannungen. R muss aus der verbleibenden Spannung 2,6 V berechnet werden. a) übergeht die zweite LED, c) und d) sind sachlich falsch – in einer Reihenschaltung ist der Strom überall gleich.

Bei welcher Schaltung ist eine Konstantstromquelle gegenüber einem Vorwiderstand klar im Vorteil?

a) Standard-5-mm-LED an einer 5-V-Versorgung mit 20 mA
b) Leistungs-LED mit 1 A an einer schwankenden 12 – 14 V-Bordnetzspannung
c) Statusanzeige an einer stabilen 3,3-V-Spannung
d) Optokoppler-Eingang mit 5 mA

Richtig: b)

Bei hohen Strömen und schwankender Versorgungsspannung würde ein Vorwiderstand große Stromänderungen zulassen und viel Wärme produzieren. Eine Konstantstromquelle hält den Strom unabhängig von der Eingangsspannung exakt – das ist effizient und schont die LED.

Glossar

Elektrolumineszenz: Direkte Umwandlung von elektrischer Energie in Licht durch Rekombination von Elektronen und Löchern im Halbleiter. Grundprinzip jeder LED.
Bandlücke (Halbleiter): Energieabstand zwischen Valenz- und Leitungsband eines Halbleiters. Bestimmt die Photonenenergie und damit die Farbe einer LED: größere Bandlücke → kürzere Wellenlänge → höhere Flussspannung.
Flussspannung U_F: Spannungsabfall über der LED im Durchlassbetrieb beim Nennstrom. Material- und farbabhängig (rot ≈ 2 V, blau/weiß ≈ 3,2 V) und temperaturabhängig.
Durchlassstrom I_F: Strom durch die LED in Durchlassrichtung. Bei Standard-LEDs typisch 10 – 20 mA. Wird durch den Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle eingestellt.
Sperrspannung U_R: Spannung in Sperrrichtung der Diode. Bei LEDs ist die maximal zulässige Sperrspannung U_R(max) deutlich kleiner als bei Gleichrichterdioden (typisch 5 V); ihre Überschreitung führt meist zum Defekt.
Anode / Kathode: Anode = positive Seite, an der der Strom in Durchlassrichtung in die LED eintritt (am Bauteil meist das längere Bein, kleinere innere Fläche). Kathode = negative Seite, an der der Strom austritt (kürzeres Bein, abgeflachtes Gehäuse, größerer innerer Becher).
Vorwiderstand: In Reihe zur LED geschalteter Widerstand, der den Strom durch die LED auf den gewünschten Wert begrenzt. Berechnung: R = (U_S − U_F) / I_F.
E12-Normwertreihe: Genormte Widerstandswerte pro Dekade: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82. Bei der Auslegung eines LED-Vorwiderstands wird stets der nächstgrößere E12-Wert gewählt.
Common Anode / Common Cathode: Bauformen von RGB-LEDs. Bei Common Anode ist die Anode aller drei internen Chips verbunden und liegt auf +V (Low-aktiv); bei Common Cathode ist die Kathode aller drei Chips verbunden und liegt auf GND (High-aktiv).
Phosphor-Konversion (weiße LED): Verfahren zur Erzeugung von weißem Licht: Eine blaue LED regt einen gelb-grün emittierenden Leuchtstoff (Phosphor) an; aus Restblau und konvertiertem Gelb entsteht im Auge der Eindruck „Weiß“.
L70-Wert (Lichtstromrückgang): Lebensdauerkennwert: Zeit in Stunden, nach der die LED noch 70 % ihrer anfänglichen Lichtleistung abgibt. Wichtiger als ein „Totalausfall“, weil LEDs typischerweise dunkler werden, nicht plötzlich erlöschen.
PWM (Pulsweitenmodulation): Verfahren zur Helligkeitssteuerung von LEDs: Die LED wird mit hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet; das Tastverhältnis (Anteil „ein“) bestimmt die wahrgenommene Helligkeit.
T_j (Sperrschichttemperatur): Temperatur am Halbleiterchip selbst (nicht am Gehäuse). T_j(max) ist ein Maximum-Rating im Datenblatt; bei Leistungs-LEDs entscheidet die Wärmeabfuhr (Kühlkörper) darüber, ob T_j(max) eingehalten wird.