LED - Leuchtdioden

Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um. Sie funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung Licht erzeugen. Die Kurzbezeichnung LED ist die Abkürzung für "Light Emitting Diode", was auf Deutsch "Licht emittierende Diode" bedeutet.
Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben, Größen und Bauformen. Sie werden als Signal- und Lichtgeber in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt.
Die Leuchtdiode schaltet sehr schnell vom leuchtenden in den nichtleuchtenden Zustand. Der Lichtstrahl kann bis in den MHz-Bereich getaktet werden. Allerdings ist das für das menschliche Auge nur als Leuchtbrei sichtbar. Die Helligkeit der LED ist dann geringer, als es beim eingestellte Stromfluss sein müsste.
Die Lebensdauer beträgt sagenhafte 106 Stunden. Im Vergleich zu normalen Lampen ist das sehr lange.
Die gebräuchlichsten Bauformen haben einen 3 mm oder 5 mm großen Durchmesser. Es gibt dann noch Jumbo-LEDs und Mini-LEDs bis hin zu SMD-Größe.

Polung

5mm- und 3mm-Leuchtdiode
Wie jede andere Diode ist auch die LED polungsabhängig. Die eine Anschlussseite ist die Anode, die andere Seite die Kathode. Wenn man in die Leuchtdiode hineinschaut, dann ist die dickere Seite die Kathode. Äußerlich erkennt man die Kathode am kürzeren Anschluss oder an der abgeflachten Seite des Gehäuserandes an der Unterseite.

Vorsicht bei Falschpolung! Leuchtdioden vertragen nur eine sehr geringe Sperrspannung. Sie können schon mit kleinen Sperrspannungen von 5 bis 6 V zerstört werden.

Farben und Halbleitermaterial

Die klassischen Farben sind rot, grün, gelb und orange. Es gibt aber auch noch blau und weiß. Je nach Farbe besteht der Halbleiterkristall einer Leuchtdiode aus unterschiedlichen Materialien. Die Farbe des Lichts bzw. die Wellenlänge des Lichts wird vom Halbleiterkristall und von der Dotierung bestimmt. Der Kristall besteht aus einer n- und einer p-Schicht. Von daher unterscheidet er sich kaum von einer normalen Halbleiterdiode.
LEDs unterscheiden sich nicht nur in ihrer Farbe, sondern auch in ihren elektrischen Eigenschaften. Teilweise kann man die Farben nicht untereinander tauschen. Die Durchlassspannung ist unterschiedlich und stark vom Halbleitermaterial abhängig.
Rote Leuchtdioden (λ = 0,66 µm) haben einen besonders guten Wirkungsgrad. Den höchsten Wirkungsgrad haben Infrarot-Leuchtdioden (λ = 0,9 bis 0,94 µm).

Die LED ist je nach Farbe aus unterschiedlichen Mischkristallen aufgebaut:

Weiße Leuchtdioden

Es gibt zwei verschiedene Arten, um mit LEDs weißes Licht zu erzeugen.

Farben mischen

Die eine Möglichkeit ist, rote, grüne und blaue LEDs zu mischen. Daraus entsteht ein weißes Licht mit einstellbarem Farbraum. In dieser Form werden drei Leuchtdioden in einem gemeinsamen Gehäuse vereinigt. Man erkennt diese Gehäuse an den sechs Anschlüssen, die sternförmig am LED-Chip angebracht sind. Die Farbtemperatur, ja sogar die Farbe lässt sich sehr fein einstellen.
Die Erzeugung von weißem Licht mit Leuchtdioden mit verschiedenen Farben ist das teuerste Verfahren.

Farben filtern

Die zweite Möglichkeit sind UV-Leuchtdioden oder blaue LEDs mit dem Halbleitermatierial Indiumgalliumnitrid (InGaN), deren Gehäuse mit verschiedenen Leuchtstoffen überzogen ist. Bei einer blauen LED wäre das eine gelbe Phosphorschicht. Diese Schicht wirkt als Filter für die blauen Photonen, die als gelbes Licht emittieren. Das blaue und gelbe Licht vermischen sich zu einem weißen Licht. Man bezeichnet diese LEDs als weiße Dioden.
Andere Hochleistungs-LEDs bestehen aus Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP). Sie leuchten mit einer Wellenlänge von 610 oder 615 nm. Ihre Farbe ist eher orange-gelb. Sie ist wärmer als die von blauen LEDs.
Die Farbtemperatur wird bei der Herstellung festgelegt. Nachträglich lässt sich nichts mehr ändern. Diese Pseudo-White-LEDs gibt es mit warmem, neutralem und kaltem Weißlicht mit Farbtemperaturen zwischen 2.500 und 10.000 Kelvin.

Funktionsweise einer LED

Funktionsweise der LED
Eine Leuchtdiode besteht aus einem n-leitenden Grundhalbleiter. Darauf ist eine sehr dünne p-leitende Halbleiterschicht mit großer Löcherdichte aufgebracht. Wie bei der normalen Diode wird die Grenzschicht mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Die Elektronen rekombinieren mit den Löchern. Dabei geben die Elektronen ihre Energie in Form eines Lichtblitzes frei. Da die p-Schicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen. Schon bei kleinen Stromstärken ist eine Lichtabstrahlung wahrnehmbar. Die Lichtstärke wächst proportional mit der Stromstärke.
Da von dem Halbleiterkristall nur eine geringe Lichtstrahlung ausgeht, ist das Metall unter dem Kristall halbkugelförmig. Dadurch wird das Licht gestreut. Durch das linsenförmige Gehäuse wird das Licht gebündelt. So können Leuchtdioden schon mit wenigen Milliampere Strom sehr hell leuchten.

Schaltzeichen

A

 Schaltzeichen der Leuchtdiode

K

Standard-LEDs

Standard-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 5 mm. Sie sind die häufigsten verwendeten Leuchtdioden in elektronischen Schaltungen. Sie beginnen bei 8 bis 12 mA zu leuchten. Erhöht man den Strom leuchten Sie heller. Bei 20 mA ist die maximale Leuchtkraft erreicht. Der Unterschied zu 15 mA ist aber nur minimal. Meist ist ein Strom von 10 mA schon ausreichend, um sie ausreichend zum Leuchten zu bringen.
Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die Durchflussspannung UF. Die genaue Durchflussspannung UF und Durchflussstrom IF gibt nur das Datenblatt der Leuchtdiode Auskunft. Vorsicht, je nach Hersteller kann es hier Unterschiede geben.

Standard-LED (IF/ILED = 10 mA)
Farbe Halbleiter UF/ULED
rotGaAsP1,6 V
rotGaP2,1 V
orangeGaAsP1,8 V
grünGaP2,1 V
gelbGaP2,2 V
blauGaN2,9 V

Low-Current-LEDs

Low-Current-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 3 oder 5 mm. Sie leuchten bereits bei 2 mA mit bis zu 5 mcd. Erhöht man den Strom leuchten Sie heller. Bei 20 mA ist die maximale Leuchtkraft erreicht.
Low-Current-LEDs haben die Eigenschaft, dass sie bei 2 mA noch leuchten, was Standard-LEDs nicht tun. Die hören (je nach Hersteller) schon bei 8 bis 10 mA auf zu leuchten.
Low-Current bedeutet nicht, dass eine LED bei 2 mA genauso hell leuchtet wie bei 20mA, sondern dass diese LED bis hinter zu 2 mA betrieben werden kann und zumindest schwach leuchtet.
Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die Durchflussspannung UF. Die genaue Durchflussspannung UF und Durchflussstrom IF gibt nur das Datenblatt der Leuchtdiode Auskunft. Vorsicht, je nach Hersteller kann es hier Unterschiede geben.

Low-Current-LED (IF/ILED = 2 mA)
Farbe UF/ULED
rot1,9 V
gelb2,4 V
grün1,9 V

Übersicht: Leuchtdioden / LEDs

Typ UF bei IF = 20 mA IF max/mA UR/V Ptot/mW Farbe
CQY 26 1,7 V 100 3 210 rot
CQY 28 2,4 V 60 3 210 grün
CQY 29 2,4 V 60 3 210 gelb
CQY 65 1,7 V 40 3 100 rot
CQY 66 2,5 V 40 3 100 grün
CQY 67 2,5 V 40 3 100 gelb

Die Leuchtdiode in der Anwendung

Leuchtdioden reagieren sehr empfindlich auf einen zu großen Durchlassstrom. Deshalb darf eine Leuchtdiode niemals direkt an eine Spannung angeschlossen werden. Eine Leuchtdiode muss immer mit einem Vorwiderstand oder einem strombegrenzenden Bauteil beschaltet sein. Alternativ kann man bei schwankender Betriebsspannung die Leuchtdiode über einen FET mit Konstantstrom versorgen.

Leuchtdiode mit Vorwiderstand
Mit einem Vorwiderstand wird der Durchlassstrom IF, der durch die Leuchtdiode fließt, begrenzt. Bei der Widerstandsbestimmung muss die jeweilige Durchlassspannung UF berücksichtigt werden.
Formel zur Berechnung des Forwiderstands
Die Formel berechnet den Vorwiderstand RV über die Gesamtspannung Uges abzüglich der Durchlassspannung UF durch den Durchlassstrom IF.
Eine Leuchtdiode brennt schon bei einem Bruchteil des maximalen Durchlassstroms. Außerdem müssen Leuchtdioden nicht zwingend mit ihrer vollen Leuchtstärke strahlen. Meist reichen schon wenige mA aus um eine ausreichende Helligkeit zu erzeugen.

Der exakte Rechenweg mit Schaltung, Erklärung und weiteren Formeln kann unter Vorwiderstand für eine LED nachgelesen werden. Wer das Ergebnis schneller braucht, der kann den LED-Vorwiderstandsrechner verwenden.

Warum wird ein Vorwiderstand benötigt?

LEDs müssen immer mit einem Vorwiderstand betrieben werden. Das gilt auch dann, wenn eine Betriebsspannung zur Verfügung steht, die der LED-Durchflussspannung entspricht. Der Vorwiderstand dient zum einen zum Begrenzen der Spannung, in dem sich die Betriebsspannung zwischen Vorwiderstand und LED aufteilt. An der LED stellt sich ein fester vorher bekannter Spannungsabfall ein. Das ist die Durchlassspannung der Leuchtdiode, die allerdings nicht allzu konstant und unter Exemplarstreuung leidet. Am Vorwiderstand fällt dann noch der Rest der Betriebsspannung ab.
Was aber noch viel wichtiger ist, der Vorwiderstand begrenzt den Strom, der durch die LED fließt. Der Grund, warum eine Strombegrenzung notwendig ist, ist schnell erklärt.

Eine Leuchtdiode ist kein ohmscher Verbraucher, dessen Widerstand immer gleich ist. Eine Leuchtdiode ist ein Halbleiter, dessen Widerstand nach Anlegen einer Spannung gegen Null sinkt. Das bedeutet, der Strom steigt rein theoretisch unendlich an. Das bedeutet, die Leuchtdiode ist ein sehr stromhungriger Halbleiter. Doch zu viel Strom verträgt die Leuchtdiode nicht. Zu viel Strom zerstört die Leuchtdiode.
Vor der Zerstörung tritt erst ein Temperaturanstieg ein. Die Leuchtdiode wird wärmer. Bekanntlich leiten warme Halbleiter besser als kalte. Es folgt also ein weiterer Stromanstieg, der dazu führt, dass die LED heiß und letztendlich zerstört wird. Dieser Effekt muss nicht zwangsläufig und auch nicht sofort eintreten. Er ist in gewisserweise davon abhängig, was für eine Spannungsquelle verwendet wird und wie lange die Leuchtdiode daran betrieben wird. So mancher unbedarfte Anwender wird also nie mit diesem Problem konfrontiert sein. Wer nur mal kurz eine Leuchtdiode ohne Vorwiderstand betreibt, der wird sie dabei nicht gleich zerstören. Es kann auch sein, dass das mehrere Stunden gut geht.

In der Regel wird der Effekt des Temperatur- und Stromanstiegs durch Spannungsschwankungen oder normale Temperaturanstiege während des Betriebs hervorgerufen. Dem gilt es durch einen Vorwiderstand zurvor zu kommen, um den Strom zu begrenzen.
Es kann aber auch Konstellationen geben, wo ein Vorwiderstand überflüssig ist. Beispielsweise, wenn die Spannungsquelle einen hochohmigen Innenwiderstand hat, wie es in Batterien und Akkus vorkommt. Hier wirkt der Innenwiderstand der Spannungsquelle wie ein Vorwiderstand für die LED. In der Praxis sieht das dann so aus, dass LED-Taschenlampen nur aus einer weißen LED und mehreren Akkus in Reihe geschaltet sind. Und das ohne Vorwiderstand für die LED. Hier begrenzt der Innenwiderstand der Akkus den Strom durch die LED. Außerdem wird so eine Taschenlampe nicht allzu lange betrieben.

Unabhängig davon, ob bestimmte Betriebskonstellationen auch ohne Vorwiderstand funktionieren, begrenzt man den Strom idealerweise mit einer Konstant-Stromquelle. Da eine LED ein stromabhängiger Halbleiter ist, gelingt das am einfachsten mit einem Vorwiderstand, der den Strom auf den vom Hersteller angegebenen Wert begrenzt (meist 20 mA). In der Regel tut es dann auch ein kleinerer Strom (z. B. 10 bis 15 mA). Je größer der Strom, desto heller leuchtet die LED.

Anwendungen

Übersicht: Halbleiterdioden

Übersicht: Optoelektronische Bauelemente