LED – Leuchtdiode: Funktion, Schaltung und Anwendung

Grundlagen und Eigenschaften

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Eine LED (Light Emitting Diode, deutsch: Leuchtdiode) ist ein Halbleiterbauelement, das elektrische Energie direkt in Licht umwandelt. Sie gehört zur Familie der Dioden und leitet – wie jede Diode – den Strom ausschließlich in Durchlassrichtung.

Der wesentliche Unterschied zur klassischen Diode liegt in der Lichtemission: Beim Stromfluss durch den p-n-Übergang wird Energie in Form von Licht abgegeben (Elektrolumineszenz). Abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial entsteht sichtbares Licht, Infrarot- oder UV-Strahlung.

Dieser Effekt wurde bereits 1907 von Henry Joseph Round bei Experimenten mit Siliziumkarbid beobachtet. Die erste praktisch nutzbare rote LED entwickelte Nick Holonyak Jr. 1962 bei General Electric. Einen entscheidenden Durchbruch brachte die Entwicklung der blauen LED durch Isamu Akasaki und Hiroshi Amano an der Universität Nagoya sowie Shuji Nakamura bei Nichia. Dafür erhielten sie 2014 den Nobelpreis für Physik. Erst dadurch wurde effizientes weißes LED-Licht möglich.

Gegenüber klassischen Lichtquellen wie Glühlampen oder Leuchtstoffröhren bieten LEDs mehrere wesentliche Vorteile:

• Hohe Energieeffizienz bis über 200 lm/W
• Lange Lebensdauer typisch 25.000 bis 100.000 Stunden
• Kompakte Bauform klein, robust und stoßfest
• Sofort volle Helligkeit keine Aufwärmzeit erforderlich
• Große Farbvielfalt realisierbar durch unterschiedliche Halbleitermaterialien

Aufbau und physikalisches Funktionsprinzip

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Eine LED besteht, wie jede Diode, aus einem p-n-Übergang, also einer p-dotierten und einer n-dotierten Halbleiterschicht. Der Anschluss an der p-Seite wird als Anode, der an der n-Seite als Kathode bezeichnet.

Für die Lichtemission ist das verwendete Halbleitermaterial entscheidend. Beim Stromfluss durch den p-n-Übergang rekombinieren Elektronen und Löcher. Dabei wird Energie frei, die entweder als Licht oder als Wärme abgegeben werden kann.

Bei Halbleitern mit direkter Bandlücke erfolgt diese Rekombination unter Aussendung eines Photons (Lichtquants). Die Energie des ausgesendeten Photons, und damit die Farbe des Lichts, entspricht näherungsweise der Bandlückenenergie \( E_g \).

Hinweis: Ob Licht entsteht, hängt von der Bandstruktur des Halbleiters ab. Materialien mit direkter Bandlücke emittieren Licht effizient, während bei indirekter Bandlücke die Energie überwiegend als Wärme abgegeben wird.

Klassisches Silizium besitzt eine indirekte Bandlücke und eignet sich daher nicht für LEDs, da kaum Licht erzeugt wird. Stattdessen werden spezielle III-V-Halbleiter verwendet, die eine direkte Bandlücke besitzen und somit effizient Licht emittieren:

• GaAs (Galliumarsenid) – Infrarot, frühes Rot
• GaAsP (Galliumarsenidphosphid) – Rot, Orange, Gelb
• GaP (Galliumphosphid) – Grün, Gelb
• InGaN (Indiumgalliumnitrid) – Blau, Grün, Weiß
• AlGaInP – hochhelles Rot, Orange, Gelb

In der Praxis ist der Halbleiterchip in ein Gehäuse aus Epoxidharz oder Silikon eingebettet, das gleichzeitig als Linse zur Lichtbündelung dient. Der eigentliche Chip ist sehr klein (typisch etwa 0,3 × 0,3 mm).

Lichtentstehung

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Die Lichtemission einer LED beruht auf der Rekombination von Elektronen und Löchern im p-n-Übergang. Fließt Strom in Durchlassrichtung, werden Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht injiziert, während gleichzeitig Löcher aus der p-Schicht in die n-Schicht wandern. Treffen ein Elektron und ein Loch aufeinander, rekombinieren sie – dabei wird Energie frei.

Bei Halbleitern mit direkter Bandlücke erfolgt diese Rekombination unter Aussendung eines Photons (Lichtquants). Die Energie des ausgesendeten Photons und damit die Farbe des Lichts, entspricht näherungsweise der Bandlückenenergie \( E_g \):

Der Zusammenhang zwischen Energie und Wellenlänge ergibt sich aus den grundlegenden Beziehungen der Quanten- und Wellentheorie:

\( h \) = Plancksches Wirkungsquantum \( (6{,}626 \cdot 10^{-34}\,\text{Js}) \)  |  \( f \) = Frequenz des Lichts  |  \( \lambda \) = Wellenlänge  |  \( c \) = Lichtgeschwindigkeit

Das Plancksche Wirkungsquantum beschreibt, dass Energie nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Quanten übertragen wird.

Bei Licht bedeutet das, dass es aus einzelnen Energiepaketen (Photonen) besteht. Jedes Photon besitzt eine feste Energie, die von der Frequenz abhängt: \( E = h \cdot f \).

In einer LED entspricht diese Energie näherungsweise der Bandlücke des Materials. Große Energiebeträge führen zu kurzwelligem (blauem) Licht, kleine Energiebeträge zu langwelligem (rotem) Licht.

Eine große Bandlücke führt zu kurzwelligerem (blauerem) Licht, eine kleine Bandlücke zu langwelligerem (rotem) Licht. Durch die gezielte Wahl des Halbleitermaterials und seiner Zusammensetzung lässt sich die Emissionswellenlänge präzise einstellen.

Weißes LED-Licht wird in der Praxis meist indirekt erzeugt: Eine blaue InGaN-LED regt einen gelben Leuchtstoff (Phosphor) an. Die Überlagerung von blauem und breitbandigem gelbem Licht wird vom menschlichen Auge als weiß wahrgenommen.

Elektrische Eigenschaften

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Elektrisch verhält sich eine LED grundsätzlich wie eine Diode: Sie leitet Strom nur in Durchlassrichtung. Im Unterschied zur klassischen Siliziumdiode ist die Durchlassspannung \( U_F \) (Flussspannung) jedoch deutlich höher und stark vom Halbleitermaterial bzw. von der Lichtfarbe abhängig:

Die angegebenen Werte sind typische Richtwerte und können je nach LED-Typ variieren.

Der Betriebsstrom liegt bei Standard-LEDs typischerweise im Bereich von 5 … 20 mA. Hochleistungs-LEDs werden hingegen mit Strömen von 350 mA, 700 mA oder mehr betrieben.

Wichtig: Eine LED besitzt keinen eigenen Strombegrenzungsmechanismus. Wird der zulässige Strom überschritten, steigt die Verlustleistung stark an, die LED kann innerhalb kürzester Zeit zerstört werden. Deshalb ist immer eine Strombegrenzung (z. B. Vorwiderstand oder Konstantstromquelle) erforderlich.

Kennlinie und Arbeitspunkt

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Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer LED entspricht der einer Diode: Unterhalb der Flussspannung \( U_F \) fließt praktisch kein Strom. Wird diese Schwelle überschritten, steigt der Strom stark (exponentiell) an. Die Kennlinie ist daher sehr steil, bereits kleine Spannungsänderungen führen zu großen Stromänderungen.

Der markierte Arbeitspunkt (AP) gibt die Kombination aus Spannung und Strom an, bei der die LED tatsächlich betrieben wird.

In der Praxis wird der Arbeitspunkt durch die Kombination aus Versorgungsspannung und Strombegrenzung festgelegt.

Aufgrund der steilen Kennlinie darf eine LED nicht direkt an einer konstanten Spannung betrieben werden. Schon geringe Spannungsänderungen führen zu starken Stromanstiegen und können die LED zerstören. Deshalb ist immer eine Strombegrenzung erforderlich, z. B. durch einen Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle.

Vorwiderstand berechnen

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Der Vorwiderstand \( R_V \) begrenzt den Strom durch die LED auf den gewünschten Betriebsstrom \( I_F \). Er nimmt die Differenz zwischen Versorgungsspannung \( U_B \) und der Flussspannung \( U_F \) der LED auf.

Der Vorwiderstand muss immer in Reihe zur LED geschaltet werden, um den Strom zu begrenzen. Seine Position ist dabei unerheblich: Er kann sowohl vor als auch nach der LED angeordnet sein. Ein Beispiel für eine typische Anordnung ist im Kapitel „Typische Schaltungen“ dargestellt.

\( U_B \) = Versorgungsspannung  |  \( U_F \) = Flussspannung der LED  |  \( I_F \) = gewünschter Vorwärtsstrom

Die am Vorwiderstand umgesetzte elektrische Leistung beträgt:

Hinweis: Der Widerstand sollte ausreichend dimensioniert werden. In der Praxis wird meist mindestens die doppelte berechnete Leistung gewählt (z. B. 0,25 W statt 0,125 W).

Berechnungsbeispiel

Gegeben: \( U_B = 5\,\text{V} \), rote LED mit \( U_F = 2{,}0\,\text{V} \), gewünschter Strom \( I_F = 10\,\text{mA} \).

In der Praxis wird der nächstgrößere Normwert gewählt – hier \( 330\,\Omega \) (E24-Reihe). Dadurch ergibt sich ein etwas geringerer Strom, was die LED zusätzlich schont.

Mehrere LEDs in Reihe

Bei mehreren LEDs in Reihenschaltung addieren sich die Flussspannungen. Der Vorwiderstand berechnet sich dann zu:

\( n \) = Anzahl der in Reihe geschalteten LEDs

Die Versorgungsspannung muss größer sein als die Summe der Flussspannungen. Andernfalls fließt kein ausreichender Strom.

Hinweis: Parallelschaltungen von LEDs ohne separate Strombegrenzung sollten vermieden werden. Aufgrund von Bauteiltoleranzen verteilt sich der Strom ungleichmäßig, was einzelne LEDs überlasten kann.

Faustregel: Lieber einen etwas größeren Widerstand wählen: eine leicht dunklere LED ist deutlich unkritischer als eine überlastete.

Vorwiderstand berechnen (interaktiv)

Polung und Anschluss

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LEDs sind polaritätsabhängig und leiten Strom nur in Durchlassrichtung. Sie leuchten daher ausschließlich bei richtiger Polung. Bei falscher Polung sperrt die LED und bleibt dunkel.

Eine kurzzeitige Verpolung ist bei den meisten LEDs unkritisch. Wird jedoch eine zu hohe Sperrspannung angelegt, kann die LED dauerhaft beschädigt werden (typische maximale Sperrspannung: etwa 5 … 10 V).

Erkennungsmerkmale bei bedrahteten LEDs

• Beinlänge: Das längere Anschlussbein ist die Anode (+), das kürzere die Kathode (−).
  Merkhilfe: „Kathode = kurz = K“: beide beginnen mit K.
• Gehäuseform: An der Kathode ist das Gehäuse meist seitlich abgeflacht.
• Innenaufbau: Der größere metallische Reflektor im Inneren gehört zur Kathode.

Bei SMD-LEDs (Oberflächenmontage) ist die Kathode in der Regel durch eine Markierung auf dem Gehäuse gekennzeichnet (z. B. Strich, Punkt, abgeschrägte Ecke oder Farbmarkierung).

Hinweis: Im Zweifelsfall kann die Polung mit einem Multimeter im Diodentest überprüft werden: die LED leuchtet dabei meist schwach auf.

Farben und Wellenlängen

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LEDs sind in nahezu allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums erhältlich, von Infrarot über das sichtbare Licht bis hin zu Ultraviolett. Die Emissionsfarbe wird dabei direkt durch das verwendete Halbleitermaterial bzw. dessen Bandlücke bestimmt.

Eine nachträgliche Farbänderung durch Filter ist bei LEDs nicht üblich, da das Licht bereits im Halbleiter entsteht. Eine wichtige Ausnahme sind weiße LEDs: Hier wird meist eine blaue LED mit einem Leuchtstoff (Phosphor) kombiniert, der einen Teil des Lichts in andere Wellenlängen umwandelt.

Zwischen Wellenlänge und Farbe besteht ein direkter Zusammenhang: Kurzwelliges Licht (kleine \( \lambda \)) erscheint blau oder violett, langwelliges Licht (große \( \lambda \)) rot oder infrarot.

RGB-LEDs enthalten drei einzelne LED-Chips (rot, grün und blau) in einem gemeinsamen Gehäuse. Durch additive Farbmischung lassen sich nahezu alle Farben erzeugen – die Grundlage moderner Displays und intelligenter Beleuchtungssysteme.

Hinweis: Die genaue Farbe einer LED wird durch die Wellenlänge bestimmt, die typischerweise in Nanometern (nm) angegeben wird.

Bauformen und LED-Typen

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LEDs sind in zahlreichen Bauformen erhältlich, die jeweils für bestimmte Anwendungen optimiert sind – von einfachen Anzeige-LEDs bis hin zu leistungsstarken Beleuchtungssystemen.

Hinweis: Die Wahl der Bauform hängt neben der elektrischen Leistung auch von Faktoren wie Wärmeabfuhr, Platzbedarf und Montageart ab.

Typische LED-Schaltungen

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LED mit Vorwiderstand an Gleichspannung

Diese Lösung ist ausreichend, solange die Versorgungsspannung stabil ist und keine hohen Anforderungen an die Helligkeitskonstanz bestehen.

LED über Transistor schalten

Soll eine LED über einen Mikrocontroller gesteuert werden, wird häufig ein Transistor als Schalter eingesetzt. Dadurch kann ein größerer Strom geschaltet werden, ohne den Ausgang des Mikrocontrollers zu überlasten.

• Kollektor → Vorwiderstand → LED → \( U_B \)
• Emitter → Masse (GND)
• Basis → Basiswiderstand → Mikrocontroller-Ausgang

Der Transistor arbeitet dabei als Schalter (Sättigungsbetrieb): Ein kleiner Basisstrom steuert einen deutlich größeren Kollektorstrom.

Konstantstromquelle

Für eine konstante Helligkeit, unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung oder Bauteiltoleranzen, wird eine Konstantstromquelle eingesetzt.

Spezielle LED-Treiber-ICs (z. B. PT4115 oder AL8860) regeln den Strom aktiv und werden insbesondere bei Hochleistungs-LEDs und in der Beleuchtungstechnik verwendet.

PWM-Dimmung

Die Helligkeit einer LED wird in der Praxis meist nicht durch eine Stromänderung, sondern durch Pulsweitenmodulation (PWM) eingestellt.

Dabei wird die LED mit hoher Frequenz (typisch einige 100 Hz bis mehrere kHz) ein- und ausgeschaltet. Aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges erscheint das Licht als kontinuierlich.

\( D \) = Tastverhältnis (0 … 1)  |  \( I_F \) = LED-Strom während der Einschaltzeit  |  \( T \) = Periodendauer

Ein größeres Tastverhältnis führt zu einer höheren mittleren Helligkeit. Die LED wird dabei stets mit ihrem Nennstrom betrieben, was eine gleichbleibende Lichtfarbe und Effizienz sicherstellt.

Hinweis: Bei zu niedrigen PWM-Frequenzen kann sichtbares Flimmern auftreten. In der Praxis werden daher meist Frequenzen oberhalb von 200 Hz verwendet.

Anwendungen von LEDs

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LEDs sind heute eine Schlüsseltechnologie und finden sich in nahezu allen Bereichen der Technik und des Alltags:

Hinweis: Die Vielseitigkeit der LED ergibt sich aus ihrer hohen Effizienz, langen Lebensdauer, kompakten Bauform und der Möglichkeit, Licht gezielt in Farbe, Intensität und Richtung zu steuern.

Bedeutung und technologische Entwicklung

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Die LED hat die Beleuchtungstechnik grundlegend verändert. Noch Mitte des 20. Jahrhunderts war Lichterzeugung gleichbedeutend mit hohem Energieverbrauch und begrenzter Lebensdauer. Heute ersetzen LEDs Glühlampen, Halogenlampen und Leuchtstoffröhren in nahezu allen Anwendungen – bei deutlich höherem Wirkungsgrad.

Der breite Einsatz energieeffizienter LEDs hat weltweit zu einer deutlichen Reduzierung des Stromverbrauchs in der Beleuchtung geführt. In der EU wurden ineffiziente Lichtquellen schrittweise vom Markt genommen: Glühlampen seit 2012, Halogenlampen seit 2018.

Die technologische Entwicklung schreitet weiter voran: MicroLED-Displays, miniaturisierte LiDAR-Systeme sowie hocheffiziente UV-LEDs zur Wasseraufbereitung sind aktuelle Forschungs- und Entwicklungsfelder.

Wichtige Formeln und Formelzeichen

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Kompakte Übersicht zentraler Zusammenhänge zur LED-Berechnung.

Zusammenfassung

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Die LED ist ein aktives Halbleiterbauelement, das elektrischen Strom direkt und effizient in Licht umwandelt. Sie hat die Beleuchtungstechnik revolutioniert und ist aus der modernen Elektronik nicht mehr wegzudenken.

Fazit: Die LED verbindet Halbleiterphysik mit praktischer Anwendung – und ist damit ein zentrales Bauelement moderner Elektronik und Energietechnik.