LED – Leuchtdiode

Die Betriebsanzeige am Netzteil, das Blinken am Router, die Hintergrundbeleuchtung im Bildschirm, die Taschenlampe im Handy: Überall stecken Leuchtdioden, kurz LEDs (Light Emitting Diode). Für dich als Elektroniker ist die LED meist das erste Bauteil, das sichtbar „etwas tut“ – und zugleich das erste, das man versehentlich zerstört. Denn eine LED sieht aus wie ein Lämpchen, verhält sich aber wie eine Diode: Sie hat eine Richtung, eine Schwellspannung und begrenzt ihren Strom nicht selbst.

Aufbau und Funktionsweise

Im Kern ist eine LED ein winziger Halbleiterkristall mit einem pn-Übergang, oft nur 0,2 bis 1 mm groß. Legst du Spannung in Durchlassrichtung an, wandern Elektronen aus dem n-Gebiet und Löcher aus dem p-Gebiet in die Grenzschicht und rekombinieren dort. Die frei werdende Energie verlässt den Kristall als Lichtteilchen. Welche Farbe dabei entsteht, legt die Bandlücke des Halbleitermaterials fest – die Physik dahinter erklärt Optoelektronik, die Einordnung der Wellenlängen das elektromagnetische Spektrum.

Weißes Licht erzeugt fast jede heutige weiße LED auf dieselbe Weise: Ein blauer InGaN-Chip ist mit einem gelb leuchtenden Leuchtstoff (Phosphor) bedeckt. Ein Teil des blauen Lichts wird darin in längere Wellenlängen umgewandelt – kein Filter, sondern eine Umwandlung –, und die Mischung aus Blau und Gelb wirkt weiß. Wie viel Leuchtstoff aufgetragen wird, bestimmt die Farbtemperatur von warmweiß (etwa 2700 K) bis kaltweiß (über 6000 K). Die zweite Möglichkeit, Rot, Grün und Blau zu mischen, nutzt die RGB-LED.

Bei der klassischen 5-mm-LED sitzt der Chip in einer kleinen Reflektorwanne auf dem breiteren der beiden Anschlussbügel. Ein haarfeiner Golddraht verbindet seine Oberseite mit dem zweiten Bügel. Das klare oder eingefärbte Epoxidharz schützt das Ganze und formt vorn eine Linse, die das Licht bündelt.

Schaltzeichen und Polung

Das Schaltzeichen ist das der Diode – Dreieck in Stromrichtung, Strich an der Kathode – mit zwei Pfeilen, die vom Bauteil weg zeigen: Licht tritt aus. (Bei Lichtempfängern wie der Fotodiode zeigen die Pfeile zum Bauteil hin.) Der Strom fließt von der Anode zur Kathode, die Anode liegt also an Plus.

Am bedrahteten Bauteil erkennst du die Kathode am kürzeren Bein, an der Abflachung am Gehäuserand und meist am breiteren Bügel im Inneren. Verlass dich nicht nur auf die Beinlänge – nach dem Einlöten und Kürzen ist sie verschwunden. Bei SMD-LEDs gibt es kein einheitliches Zeichen; Punkt, Kerbe, Strich oder ein grüner Balken können je nach Hersteller die Kathode oder die Anode bedeuten. Die gängigen Markierungen zeigt Kennzeichnung von LEDs.

Kennlinie und Kennwerte

Die Kennlinie ähnelt der jeder Siliziumdiode, nur ist die Schwelle je nach Farbe nach rechts verschoben. Unterhalb der Flussspannung fließt praktisch nichts, darüber steigt der Strom steil an. Schon ein Zehntel Volt mehr kann den Strom verdoppeln. Deshalb betreibst du eine LED nie direkt an einer Spannungsquelle, sondern stellst ihren Strom ein – meist mit einem Vorwiderstand. Was ohne ihn passiert, steht unter LED ohne Vorwiderstand.

Was im Datenblatt steht, zeigen zwei 5-mm-Typen von Kingbright und eine moderne SMD-LED:

Drei Dinge lohnt der zweite Blick:

• Die Lichtstärke in Millicandela hängt stark vom Abstrahlwinkel ab. Eine klare LED mit 20° bündelt ihr Licht und erreicht Tausende mcd, eine diffuse mit 60° wirkt bei gleichem Lichtstrom „schwächer“. Vergleichbar wird es erst über den Lichtstrom in Lumen – mehr dazu unter Lichtstrom.
• Moderne LEDs brauchen wenig Strom. Die grüne SMD-LED ist schon bei 2 mA so hell, wie es eine Statusanzeige braucht. Die alten 20 mA sind ein Prüfstrom, keine Pflicht – leuchten tut jede LED auch bei einem Milliampere, nur schwächer.
• InGaN-LEDs sind empfindlich gegen elektrostatische Entladung. 250 V HBM sind weniger, als du beim Gehen über Teppich auflädst. Fass blaue, weiße und grüne LEDs also wie andere ESD-empfindliche Bauteile an.

Die Flussspannung sinkt mit steigender Temperatur – beim WP7113ID um etwa 1,9 mV pro Kelvin. Gleichzeitig nimmt die Lichtausbeute ab. Die Lebensdauer gibt man heute meist als Zeit an, nach der der Lichtstrom auf 70 % gesunken ist (L70). Bei Leistungs-LEDs liegt sie, abhängig von Strom und Chiptemperatur, oft bei einigen zehntausend Stunden; Wärme ist dabei der wichtigste Feind (siehe Wärme und Kühlung).

Bauformen

• Bedrahtet, 3 mm und 5 mm: die Klassiker für Steckbrett und Frontplatte, mit klarer, eingefärbter oder diffuser Linse.
• SMD-Chip-LEDs (0402, 0603, 0805): Standard für Statusanzeigen auf modernen Platinen. Die Bauform folgt denselben Maßcodes wie bei SMD-Widerständen.
• PLCC-Gehäuse (3528, 5050 und ähnliche): weiße Kunststoffwanne mit Reflektor, typisch in LED-Streifen und Hintergrundbeleuchtungen, oft mit 60 mA und mehr betrieben.
• Power-LEDs ab etwa 1 W: Keramikgehäuse mit Wärmepad, häufig auf einer Aluminiumplatine („Star“). Sie brauchen Kühlung und einen Konstantstromtreiber.

Dazu kommen Bauteile, die mehrere LED-Chips bündeln: die Siebensegmentanzeige, die RGB-LED und LED-Matrizen. Ein enger Verwandter mit verspiegeltem Resonator ist die Laserdiode; die organische Variante für Displays ist die OLED.

Typische Schaltung: LED mit Vorwiderstand

Die Grundschaltung besteht aus Versorgung, Vorwiderstand und LED in Reihe. Am Widerstand fällt ab, was die LED nicht braucht, und er legt damit den Strom fest:

Ob der Widerstand vor oder hinter der LED sitzt, ist gleichgültig – warum, erklärt Vorwiderstand vor oder nach der LED?. Die ausführliche Herleitung samt Reihenschaltung mehrerer LEDs findest du unter LED-Vorwiderstand berechnen.

Rechne eigene Kombinationen direkt nach:

Für gängige Spannungen und Farben stehen fertig gerechnete Werte in der Tabelle der LED-Vorwiderstände.

Weitere Anwendungen

• Am Mikrocontroller-Pin: Ein GPIO kann eine Anzeige-LED direkt über einen Vorwiderstand treiben. Viele Controller vertragen je Pin aber nur wenige bis etwa 20 mA, und die Summe aller Pins ist zusätzlich begrenzt. Für hellere LEDs oder mehrere auf einmal schaltest du über einen Transistor als Schalter.
• Dimmen per PWM: Statt den Strom zu verringern, schaltest du die LED schnell ein und aus. Die Helligkeit folgt dem Tastverhältnis, Farbe und Flussspannung bleiben gleich. Ab einigen hundert Hertz flimmert es für das Auge nicht mehr; bei Kameras können auch höhere Frequenzen nötig sein.
• Konstantstrom: Bei Power-LEDs oder stark schwankender Versorgung (Auto, Akku) ersetzt eine Konstantstromquelle den Widerstand.
• Als Lichtsender: Infrarot-LEDs senden in Fernbedienungen und Lichtschranken; im Optokoppler überträgt eine LED Signale über eine Isolationsstrecke.

Auswahl und Praxistipps

Wähle zuerst Farbe und Bauform, dann den Strom, mit dem die LED hell genug ist – für Statusanzeigen in Innenräumen reichen bei modernen Typen oft 1 bis 5 mA. Prüfe die Flussspannung gegen deine Versorgung: Eine blaue oder weiße LED an 3,3 V lässt dem Vorwiderstand kaum Spannung übrig, der Strom streut dann von Exemplar zu Exemplar stark.

Häufige Fehler:

• Kein Vorwiderstand: Die LED leuchtet kurz sehr hell und ist danach tot oder sichtbar geschwächt.
• Falsch gepolt: Sie bleibt dunkel; über 5 V Sperrspannung kann sie dabei schon Schaden nehmen.
• Parallele LEDs an einem Widerstand: Die mit der kleinsten Flussspannung zieht den meisten Strom. Jede LED braucht ihren eigenen Vorwiderstand.
• Zu viel Strom „für mehr Helligkeit“: Der Zugewinn oberhalb des Nennstroms ist klein, die Erwärmung und die Alterung wachsen dagegen deutlich.
• Farbe getauscht: Wer eine rote LED durch eine weiße ersetzt, ohne den Widerstand anzupassen, bekommt einen deutlich kleineren Strom – oder an 3,3 V gar kein Licht.

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