Jeder hat es schon gesehen: eine LED, deren Beine einfach um eine Knopfzelle geklemmt sind, und sie leuchtet tagelang. Oder jemand hält eine LED an einen 9-V-Block, sie strahlt grell auf – und manchmal überlebt sie das sogar. Gleichzeitig lernst du überall, dass eine LED ohne Vorwiderstand sofort kaputtgeht. Beides stimmt, und der Widerspruch löst sich auf, sobald du fragst, was den Strom in der Schaltung eigentlich begrenzt. Ein Widerstand ist immer da – nur manchmal versteckt er sich in der Spannungsquelle oder in einem Treiber-IC.
Warum eine feste Spannung nicht funktioniert
Eine LED hat keine feste „Betriebsspannung“ wie eine Glühlampe. Ihre Kennlinie steigt oberhalb der Flussspannung steil an, weil sie im Kern ein pn-Übergang ist. Für eine Abschätzung kannst du den steilen Teil durch eine Gerade ersetzen: eine Schwellspannung U0 und dahinter einen kleinen Bahnwiderstand rd, der bei 5-mm-LEDs um 10 bis 20 Ω liegt:
Legst du an diese LED eine feste Spannung U, fließt
Eine starre Spannung ist also die schlechteste Art, eine LED zu betreiben. Der Vorwiderstand löst das, weil an ihm der größte Teil der Überspannung abfällt: Dort bewirken 50 mV nur eine winzige Stromänderung. Wie du ihn bemisst, zeigt LED-Vorwiderstand berechnen.
Der versteckte Widerstand in der Batterie
Jede reale Spannungsquelle hat einen Innenwiderstand Ri. Hängt eine LED direkt an einer Batterie, bilden Ri, der Bahnwiderstand der LED und die Schwellspannung zusammen einen einfachen Stromkreis – der Innenwiderstand übernimmt die Rolle des Vorwiderstands:
Ob das gutgeht, hängt also allein davon ab, wie groß dieser Innenwiderstand ist und wie weit die Batteriespannung über der LED-Schwelle liegt. Mehr zum Modell der realen Quelle steht unter Ersatzspannungsquelle.
Knopfzelle: funktioniert, mit Einschränkungen
Eine Lithium-Knopfzelle CR2032 hat im Leerlauf gut 3,2 V und einen Innenwiderstand, der je nach Ladezustand und Temperatur bei etwa 10 bis 40 Ω liegt. Sie ist für Ströme im Mikroampere- bis unteren Milliamperebereich gebaut.
Für einen Anhänger oder ein Spielzeug ist das in Ordnung. In ein Gerät, das zuverlässig laufen soll, gehört trotzdem ein Vorwiderstand: Der Strom hängt sonst vom Exemplar der LED, vom Hersteller der Zelle und von der Temperatur ab.
9-V-Block: rechnerisch weit zu viel
Eine frische 9-V-Alkalibatterie hat nur wenige Ohm Innenwiderstand, erst entladen steigt er auf über 10 Ω. Damit sieht die Rechnung ganz anders aus.
Dass die LED den Versuch manchmal einige Sekunden überlebt, liegt daran, dass die Batteriespannung unter dieser Last stark einbricht und der Bahnwiderstand der heißen LED wächst. Verlassen kannst du dich darauf nicht: Auch wenn sie danach noch leuchtet, ist sie meist sichtbar dunkler geworden und fällt früher aus. Bei einem Netzteil mit nahezu null Innenwiderstand ist sie sofort hinüber.
Wann du den Vorwiderstand wirklich weglassen darfst
Immer dann, wenn etwas anderes den Strom zuverlässig festlegt. Die wichtigsten Fälle:
- Konstantstromquelle oder -treiber: Statt Spannung wird direkt der Strom eingestellt. Für Signal-LEDs gibt es zweipolige Konstantstrom-Regler wie den NSI45020 von onsemi (20 mA, bis 45 V), für Power-LEDs Schaltregler-Treiber. Das Prinzip erklärt Konstantstromquelle.
- Treiber-ICs für Anzeigen: Bausteine wie der MAX7219 treiben eine Siebensegmentanzeige oder Matrix ohne Widerstand je Segment. Ein einziger Einstellwiderstand am IC legt den Strom aller Segmente fest.
- Adressierbare LEDs: In einer WS2812 oder ähnlichen RGB-LED sitzen Konstantstromquellen für jede Farbe direkt im Gehäuse. Du schließt sie an 5 V an, ohne Widerstand im LED-Pfad.
- LEDs mit eingebautem Widerstand: Es gibt bedrahtete und SMD-LEDs „für 5 V“ oder „für 12 V“, bei denen der Widerstand im Gehäuse steckt. Von außen sehen sie aus wie normale LEDs – das Datenblatt verrät es.
Die Leistung, die vorher der Widerstand verheizt hat, verschwindet bei einem linearen Regler übrigens nicht: Sie fällt nun im Regler an. Nur ein Schaltregler-Treiber spart sie wirklich ein.
Häufige Fehler
- LED direkt an den Mikrocontroller-Pin: Der Ausgangstreiber eines Mikrocontrollers hat einige zehn Ohm Innenwiderstand. Eine rote LED direkt an einem 5-V-Pin zieht damit leicht mehr als die zulässigen 20 bis 40 mA, und der Pin altert oder fällt aus. Ein Widerstand gehört trotzdem dazu.
- „Die Flussspannung passt doch genau“: Drei rote LEDs an 6 V oder eine weiße an 3,3 V klingen passend, scheitern aber an Streuung und Temperatur. Entweder leuchtet ein Exemplar kaum, oder ein anderes zieht zu viel Strom.
- Pulsbetrieb missverstanden: Viele Datenblätter erlauben kurze Spitzenströme, etwa 150 mA bei 1/10 Tastverhältnis und 0,1 ms Pulsdauer. Das gilt nur genau unter diesen Bedingungen – nicht für ein Multiplexing, bei dem die Pulse länger sind.
Fertig gerechnete Werte für den Normalfall stehen in der Tabelle der LED-Vorwiderstände; eigene Werte bekommst du mit dem LED-Vorwiderstand-Rechner. Ob der Widerstand oben oder unten sitzt, klärt Vorwiderstand vor oder nach der LED?.
Selbsttest
Warum ist eine feste Spannung ungeeignet, um eine LED zu betreiben?
Die Kennlinie ist so steil, dass schon wenige zehn Millivolt den Strom stark ändern; Exemplarstreuung und Erwärmung verschieben die Flussspannung zusätzlich.
Was begrenzt den Strom, wenn eine LED direkt an einer Knopfzelle hängt?
Der Innenwiderstand der Zelle (rund 10 bis 40 Ω) zusammen mit dem Bahnwiderstand der LED.
Warum funktioniert der Knopfzellen-Trick mit einer blauen LED, aber kaum mit einer roten?
Bei der blauen LED liegt die Schwellspannung nur wenige Zehntel Volt unter der Zellenspannung, der Strom bleibt klein. Bei der roten ist die Differenz rund 1,4 V, der Strom wird zu groß.
Eine 12-V-Versorgung, drei rote LEDs (UF je 2,0 V) und ein 20-mA-Konstantstromregler: Welche Leistung setzt der Regler um?
(12 V − 6,0 V) · 20 mA = 0,12 W.
Nenne zwei Fälle, in denen eine LED ohne äußeren Vorwiderstand richtig angeschlossen ist.
Zum Beispiel an einem Konstantstrom-Treiber oder als adressierbare RGB-LED mit eingebauten Stromquellen; ebenso LEDs mit eingebautem Widerstand.