Die Leuchtdiode

Fast jeder wird schon einmal das Kürzel LED gelesen haben. Dieses Kürzel steht für "Light Emitting Diode", was soviel wie Lichtabgebende Diode bedeutet.

Doch warum gibt diese Diode Licht ab?
Konventionelle Leuchtmittel arbeiten meist mittels eines Glühfadens. Das Licht ist bei diesem Glühprozess eigentlich nur ein Abfallprodukt, da in erster Linie Wärme erzeugt wird. LEDs hingegen arbeiten einfach gesagt wie eine Halbleiterdiode, die Licht abgibt. Beim Rekombinationsvorgang beim Zusammenbrechen der Raumladungszone (Verarmungszone) wird ein in seiner Energiemenge genau definierter Energiequant freigesetzt, der in Form von Strahlung (Licht) auftritt.

Diese Strahlungsenergie ist vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig und wird durch dessen Bandabstand bestimmt. Die Wellenlänge der Strahlung ist umgekehrt proportional zur freigesetzten Energiemenge bei der Rekombination. Also ist die Wellenlänge direkt mit dem verwendeten Halbleiter verbunden. Das Spektrum ist allerdings sehr schmal, so dass das emittierte Licht einfarbig wirkt.

Spektralverteilung
Spektrale Strahlungsverteilung verschiedener LEDs

Der Aufbau einer LED ist relativ schnell zu verstehen:
Im wesentlichen besteht die LED, wie auf dem Bild rechts zu sehen, aus dem eigentlichen LED-Chip, einem Reflektor, einem Golddraht als Kontaktierung und einer Kunststofflinse, in die alles eingefasst ist. Der LED-Chip ist in die Reflektorwanne eingeklebt und der Golddraht als Anodenkontakt oben aufgelötet.

Schematischer Aufbau eines LED-Halbleiterkristalls

Schematischer Aufbau einer LED

Hier eine kleine Zusammenstellung verschiedener LED-Typen und deren Eigenschaften wie verwendetes Halbleitermaterieal, Farbe, Wellenlänge und Flussstrom.

Typ	Farbe	Halbleitermaterial	Wellenlänge	Nennstrom	Flussspannung
Standard	Tiefrot	GaP	700 nm	20 mA	2,0 V
Standard	Rot	GaAsP	655 nm	20 mA	1,7 V
Standard	Orange	GaAsP/GaP	610 nm	20 mA	2,0 V
Standard	Gelb	GaAsP/GaP	585 nm	20 mA	2,1 V
Standard	Grün	GaP	555 nm	20 mA	2,2 V
Superhell	Hyper-Rot	GaAlAs	660 nm	20 mA	1,85 V
Superhell	Gelb	AlInGaP	595 nm	20 mA	1,8 V
Superhell	Grün	GaP	565 nm	20 mA	2,2 V
Superhell	Blau	GaN	430 nm	20 mA	3,5 V
Ultrahell	Grün	GaInN	525 nm	20 mA	3,3 V
Ultrahell	Blau	GaInN	475 nm	20 mA	3,5 V
Ultrahell	Weiß	GaInP		20 mA	3,5V

Der Grund, weshalb für weiße LEDs kein Spektralwert eingetragen ist, ist folgender:
Reinweißes Licht besitzt alle Spektralfarben des sichtbaren Bereiches (Lichtfarben). Um ein weißes Licht zu erhalten, muss man also mindestens die 3 Hauptfarben des Lichtes - Rot, Grün und Blau - zusammensetzen. Ein einzelner Halbleiterkristall kann diese aber nicht erzeugen und daher bedient man sich des sogenannten Lumineszenz-Konverters. Dieser absorbiert Strahlung und gibt sie in einem anderen Wellenlängenbereich wieder ab.

Für eine weiße LED wird eine Blaue LED (GaInN-LED) mit Phosphor überzogen. Der Phosphor absorbiert bei der sogenannten Phosphor-Down-Conversation einen Teil der im blauen Spektralbereich liegenden Strahlung und wandelt diese in eine breitbandige Strahlung, die fast über den gesamten roten, gelben und grünen Spektralbereich reicht um. Hauptsächlich ist die Strahlung jedoch auf den gelben Wellenlängenbereich konzentriert. Die Kombination von blau und gelb erscheint insgesamt als weiß. Dieses Prinzip ist sehr ähnlich dem der Leuchtstofflampen.

Die Flussspannung bezeichnet die Spannung, bei der die optimale Lichtausbeute erreicht wird, ohne den Halbleiter zu schädigen. Eine LED ist relativ empfindlich, da die maximale Sperrspannung von 5V bei einer verpolten LED schnell zu einem Defekt führen kann (die Sperrspannung bezeichnet die maximale Spannung, die eine LED bei Verpolung verkraftet). Zu dem kommt die sehr steile Strom-Spannungs-Kennlinie, die die LED von der Diode "geerbt" hat. Im Klartext bedeutet das, dass der Strom nach Erreichen der Durchlassspannung (die LED schaltet durch und lässt Stromfluss zu) der Stromfluss im Verhältnis zur Spannung rapide ansteigt. Die untenstehende Grafik verdeutlicht dies. Die x-Achse stellt die Spannung dar, die y-Achse steht für den Stromfluss.

Die Strom-Spannungskuve verschiedener LEDs bzw der Si-Diode

Damit ist klar:
Eine LED kann nicht ohne stromflussbegrenzende Maßnahmen betrieben werden. Diese Strombegrenzung erfolgt mittels eines Widerstandes.

Berechnung des Vorwiderstandes einer LED:

Ein Widerstand begrenzt die Anzahl der Elektronen, die innerhalb eines Zeitraumes die Leitung passieren können. Die restlichen Elektronen werden abgebremst bzw. in der Praxis als Wärme freigesetzt. An einem Widerstand fällt eine gewisse Spannung im Verhältnis zum Strom ab. Die abfallende Spannung kann mit der wichtigsten Formel in der Elektronik berechnet werden:

U = R x I

U steht für die Spannung, angegeben in Volt (V), R steht für den Widerstand, angegeben in Ohm (?), I steht für den Strom, angegeben in Ampere (A).

Das bedeutet, wenn an einem bekannten Widerstand eine bekannte Spannung anliegt, kann der Stromfluss berechnet werden: I = U/R

Ebenso kann bei bekannter Spannung und bekanntem Strom der Widerstand des betreffenden Bauteils oder der Leitung berechnet werden: R = U/I

Nimmt man die Formel R = U/I und überlegt, dass eine bekannte Spannung abfallen soll, dann entsteht folgende Formel für die Berechnung des LED-Vorwiderstandes:

Hier eine Beispielrechnung für eine Blaue LED, die an 12V betrieben werden soll:
(12V - 3,5V) / 0,02A = 425 Ohm

Zerlegen wir die Rechnung einmal, um uns anzusehen, was da eigentlich gerechnet wird:

12V - 3,5V. Hier wird berechnet, welche Spannung am Widerstand abfallen soll. Nämlich die Differenz zwischen der zur Verfügung stehenden Spannung und der Flussspannung (Betriebsspannung) der LED.

/0,02A. Nun wird die Differenz der beiden Spannungen durch den entsprechenden Strom, der durch die LED fließen darf, geteilt. Da ein Bruchstrich bzw. "geteilt durch" nichts anderes bedeutet, als dass Zähler und Nenner in ein Verhältnis zueinander gesetzt werden, kann man auch davon reden, dass hier die Spannung in ein Verhältnis zum Strom gesetzt wird. Das Ergebnis ist in unserem Fall der zu verwendende Vorwiderstand.

Spannungen und Ströme für LEDs können der oben stehenden Tabelle entnommen werden oder besser aus dem Datenblatt der LED. Es gibt auch LEDs mit 30mA Arbeitsstrom oder sogenannte Low-Current LEDs, die mit 1,2V und wenigen mA betrieben werden.

Wichtig: LEDs müssen immer mit Vorwiderstand betrieben werden! Auch wenn es den Anschein hat, dass 6 rote Standard-LEDs an 12V ohne Vorwiderstand betrieben werden können, dem ist nicht so. Zwar mag sich die Spannung halbwegs gleichmäßig verteilen, so dass jede LED an 2V betrieben wird, der Strom durch die LEDs wird aber nicht begrenzt! Und wie wir oben gelernt haben, ist die Kennlinie so steil, dass eine LED ohne Vorwiderstand durch ihren geringen Eigenwiderstand einen sehr hohen Strom fließen lässt und nach kurzer Zeit durchbrennen wird.

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