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. Deshalb werden sie als Signal- und Lichtgeber für unterschiedliche Anwendungen verwendet.
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 Lebensdauer beträgt sagenhafte 10⁶ Stunden. Im Vergleich zu normalen Lampen ist das super.
Die gebräuchlichsten Bauformen haben einen 5 mm oder 3 mm großen Durchmesser. Es gibt dann noch Jumbo-LEDs und Mini-LEDs bis hin zu SMD-Größe.

Polung

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 Spannungen 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.
Besonders rote Leuchtdioden (λ = 0,66 µm) haben einen 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:

• Galliumarsenid (GaAs)
• Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
• Galliumphosphid (GaP)
• Aluminium-Indium-Gallium-Phosphat (AlInGaP) für Rot, Rot-Orange, Amber
• Indium-Gallium-Nitrogen (InGaN) für Grün, Cyan, Blau, Weiß
• GalliumNitrid (GaN) für Blau

Funktionsweise

Die 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		K

Standard-Typen

Standard-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 5 mm. Sie sind die häufigsten verwendeten Leuchtdioden in elektronischen Schaltungen. Sie erreichen bei ca. 10 bis 15 mA ihre normale Leuchtkraft. Bei 20 mA sind sie am hellsten. 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 U_F. Die genaue Durchflussspannung U_F und Durchflussstrom I_F gibt nur das Datenblatt der Leuchtdiode Auskunft. Vorsicht, je nach Hersteller kann es hier Unterschiede geben.

Standardtypen (IF/ILED = 10 mA)
Farbe	Halbleiter	UF/ULED
rot	GaAsP	1,6 V
rot	GaP	2,1 V
orange	GaAsP	1,8 V
grün	GaP	2,1 V
gelb	GaP	2,2 V
blau	GaN	2,9 V

Low-Current-Typen

Low-Current-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 3 mm. Sie erreichen bereits bis 1,5 bis 2 mA ihre normale Leuchtkraft. Mehr als 3,5 mA benötigen sie nicht.
Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die Durchflussspannung U_F. Die genaue Durchflussspannung U_F und Durchflussstrom I_F gibt nur das Datenblatt der Leuchtdiode Auskunft. Vorsicht, je nach Hersteller kann es hier Unterschiede geben.

Low-Current-Typen (IF/ILED = 2 mA)
Farbe	UF/ULED
rot	1,9 V
gelb	2,4 V
grün	1,9 V

Übersicht: Leuchtdioden

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.

//Bild: Leuchtdiode mit Vorwiderstand (Strom- und Spannungspfeile)//

Mit einem Vorwiderstand wird der Durchlassstrom I_F, der durch die Leuchtdiode fließt, begrenzt. Bei der Widerstandsbestimmung muss die jeweilige Durchlassspannung U_F berücksichtigt werden.
Die Formel berechnet den Vorwiderstand R_V über die Gesamtspannung U_ges abzüglich der Durchlassspannung U_F durch den Durchlassstrom I_F.
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. Die Durchlassspannung der Leuchtdiode, die allerdings nicht allzu konstant und unter Exemplarstreuung leidet. Am Vorwiderstand fällt der Rest der Betriebsspannung ab.
Was 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 wird in der Regel durch Spannungsschwankungen oder normale Temperaturanstiege während des Betriebs hervorgerufen.

Idealerweise begrenzt man den Strom mit einer Konstant-Stromquelle, da eine LED ein stromabhängiger Halbleiter ist. Am einfachsten geht es mit einem Vorwiderstand, der den Strom auf den vom Hersteller angegebenen Wert begrenzt (meist 20 mA). In der Regel tut es dann auch ein noch kleinerer Strom (z. B. 10 bis 15 mA).

Anwendungen

• Anzeige von Betriebszuständen
• 7-Segment-Anzeige
• Lampenersatz
• Lauflichter
• Laserpointer
• Lichtschranken

Übersicht: Halbleiterdioden

• Z-Dioden
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• Ceradioden / Keramische Dioden

Übersicht: Optoelektronische Bauelemente

• Fototransistor
• LDR - Fotowiderstand
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