Leuchtdiode (LED)

Was ist eine Diode?

Dies ist ein gängiges Bauteil in der Elektronik. Die moderne Halbleiterdiode besteht aus einem PN-Halbleiterübergang. Dieser Übergang sorgt dafür, dass die Elektronen in eine Richtung frei passieren können, die andere Seite aber blockiert ist. Dadurch entsteht ein Einwegventil für den Strom. Dioden haben zahlreiche Anwendungen in der Elektronik, eine der bekanntesten ist die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Werden sie in Durchgangsrichtung von einem Strom durchflossen, entsteht ein kleiner Spannungsabfall. Diese Spannung wird als Kniespannung bezeichnet. Viele Standarddioden sind aus Silizium gefertigt, das eine Kniespannung von etwa 0,7 Volt erzeugt. Wenn der Strom steigt, steigt auch die Kniespannung nur geringfügig an. Dies ist eine wichtige Eigenschaft, die wir auch bei LEDs sehen. Gewöhnliche Halbleiterdioden gibt es in vielen verschiedenen Typen, die sich durch den maximalen Durchlassstrom, die maximale Sperrspannung, den Leckstrom und die Schaltschnelligkeit unterscheiden. Neben der Standarddiode gibt es weitere Diodentypen mit speziellen Eigenschaften. Die LED-Diode sendet sichtbares Licht aus, sobald ein Strom in Durchlassrichtung fließt.

LED-Diode in verschiedenen Farben

Eine LED-Diode gibt es in vielen verschiedenen Ausführungen und Lichtfarben. Die Farbe hängt von dem verwendeten Halbleitermaterial ab. Sie können aus den folgenden Farben wählen: rot, orange, gelb, grün, blau und weiß. Die farbige Version gibt es schon seit einigen Jahrzehnten und wird oft als Kontrollleuchte an Geräten verwendet. Denken Sie an das Armaturenbrett in einem Auto, wo LEDs die traditionellen Glühbirnen vollständig ersetzt haben. Weißes Licht kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Die erste Möglichkeit ist, Rot, Grün und Blau zu mischen. Leider wird dadurch kein natürliches weißes Licht erzeugt, da Rot, Grün und Blau nur einen sehr kleinen Teil des Farbspektrums abdecken. Ein besseres Ergebnis wird durch die Verwendung von blauem Licht in Kombination mit einer oder mehreren Phosphorschichten erzielt. Diese Schichten wandeln einen Teil des blauen Lichts in gelbes Licht um. Dies wird in der Physik als Fluoreszenz bezeichnet. Das resultierende emittierte Licht hat eine Spitze bei blauem und ein breites Band bei gelbem Licht. Dieses Licht wird von unseren Augen als weißes Licht wahrgenommen und hat zu einem Durchbruch in der Beleuchtungstechnik geführt.

Die Standard-LED-Diode

Eine LED-Diode ist in verschiedenen Farben erhältlich und es gibt unterschiedliche Ausführungen. Die Standardausführung besteht aus einem Kunststoffrohr mit zwei Anschlussdrähten an einem Ende und einer Linsenkugel am anderen Ende zur Bündelung des Lichts. Die Standardversion ist in den Durchmessern 3 und 5 mm erhältlich. Die Standard-LED-Diode hat keine eingebaute Elektronik, daher ist es wichtig, dass sie mit einem konstanten Strom versorgt wird. Der optimale Wert für eine einwandfreie Funktion und Lichterzeugung wird als Nenndurchlassstrom oder [If] bezeichnet. Dadurch entsteht ein Spannungsabfall an den Anschlussstiften. Diese Spannung wird als Kniespannung oder Vorwärts-Nennspannungsabfall [Uf] bezeichnet. Uf steigt mit zunehmendem Strom nur geringfügig an. Umgekehrt steigt der Strom bei einem kleinen Spannungsanstieg schnell an. Das ist der Grund dafür, dass eine "nackte" LED-Diode nie an eine konstante Spannung angeschlossen wird, sondern in einer Schaltung dafür gesorgt wird, dass der Wert in der Nähe des zulässigen Nennstroms bleibt.

Anschluss an eine feste Spannung

Um eine LED-Diode bei einer festen Spannung verwenden zu können, muss ein Vorwiderstand zur Strombegrenzung eingesetzt werden. Sie können den Wert dieses Widerstands leicht selbst berechnen. Wenn Sie eine rote Version an 12 Volt anschließen wollen, ist es wichtig, den Nennstrom [If] und die Kniespannung [Uf] zu kennen. Im Fall von Rot ist Uf = 2 Volt und If höchstens 10 mA. In einer Reihenschaltung fallen also 2 Volt über die LED-Diode und 12-2 Volt = 10 Volt über den Widerstand. Bei einer Reihenschaltung ist der Strom durch beide Komponenten gleich groß. Es müssen also auch 10 mA durch den Widerstand fließen. Wir können den Wert des Widerstands mit dem Ohm'schen Gesetz berechnen. 10 Volt / 10 mA = 1 Kilo-Ohm. Damit erhalten wir den gewünschten Wert von 10 mA. In Formelform: R = (Uv - Uf) / If. Mit dieser Formel können Sie den Wert des Vorwiderstandes für jeden Strom und jede Versorgungsspannung berechnen. Bitte beachten Sie, dass immer eine DC-Spannungsversorgung verwendet werden muss.