Anschrift eMail
Home | HobbyElektronik | Elektroniklabor | Links | Impressum | AGB | Haftungsausschluß | Aktuell: 08.06.2011

Leuchtdioden

             
Allgemeine Beschreibung der LED
Die Leuchtdiode wird auch Light Emitting Diode = LED oder Lumineszenzdiode genannt.
Es handelt sich um eine Diode, die bei Stromfluß in Durchlaßrichtung Licht erzeugt.
LEDs gibt es in verschiedensten Bauformen und Farben. Üblich sind rot, grün und gelb;
mittlerweile sind sie auch in orange, blau, weiß und weiteren Farben erhältlich.
Die Farbe hängt von der chemischen Zusammensetzung des Halbleitermaterials ab.
Oft wird das Gehäuse zusätzlich in der entsprechenden Farbe eingefärbt.
 
Die Polarität einer LED erkennen
Die Kathode (Minuspol), befindet sich an einer LED dort, wo ...
... der kürzere Anschlußdraht ist
... sich eine Abflachung am Gehäuse befindet
... der größere Metallteil (Fahne) in der LED zu erkennen ist
Ist nichts zu erkennen, dann die LED in Reihe mit einem Widerstand 100 ... 470 Ohm an eine Gleichspannung von maximal 4,5 Volt anschließen und testen, wann sie leuchtet.
LED-Durchlaßspannungen
  rot ~ 1,6 - 2,0 Volt
gelb ~ 2,4 - 3,2 Volt
grün ~ 2,7 - 3,2 Volt
orange ~ 2,2 - 3,0 Volt
blau ~ 3,0 - 5,0 Volt
weiss ~ 3,4 - 5,0 Volt
Unterhalb der Durchlaßspannung geht die LED aus, oberhalb wird sie durch einen stark ansteigenden Strom zerstört.
Verschiedene LED-Typen Strom
Standard-LEDs 5-30 mA
Low-Current-LEDs benötigen wenig Strom 1-10 mA
Superhelle / ultrahelle LEDs haben eine hohe Lichtausbeute
Vorsicht! Ein direkter Blick in die LED kann Netzhautschäden verursachen!
10-50 mA
Duo-LEDs sind 2 LEDs in einem Gehäuse mit 2 oder 3 Anschlüssen
- sie können in unterschiedlichen Farben leuchten
2-30 mA
Blink-LEDs haben eine Blinkschaltung und einen Vorwiderstand integriert 5-20 mA
IR-LEDs strahlen unsichtbares IR-Licht aus 5-30 mA
UV-LEDs strahlen unsichtbares UV-Licht und einen restlichen Blauanteil aus 5-30 mA
Die Durchlaßspannung bezieht sich auf einen vom Hersteller angegebenen Durchlaßstrom (meistens 10 oder 20 mA), da sie sehr stark vom Strom und der Temperatur abhängig ist.
Die Lebensdauer einer LED beträgt 100.000 h (fast 12 Jahre) und sinkt extrem bei überhöhtem Betriebsstrom und Übertemperatur.
Seitenanfang

Der Betrieb mit einem richtig ausgelegten Vorwiderstand an einer Gleichspannung ist Voraussetzung für die lange Lebensdauer einer LED

Bei falscher Polung schützt auch ein richtig ausgelegter Vorwiderstand nicht unbedingt die LED vor dauerhafter Zerstörung;
auf richtige Polung achten

Reihenschaltung

Anschluß ohne Vorwiderstand führt meistens zur Zerstörung der LED

Anschluß mit falscher Polung führt sehr wahrscheinlich zur Zerstörung der LED

Anschluß an Wechselspannung führt wahrscheinlich zur Zerstörung der LED
LED-Betriebsspannung / -Betriebsstrom
Eine Spannungsangabe bei Leuchtdioden ist   nicht die Betriebsspannung, sondern die sogenannte Durchlaßspannung / Flußspannung / Vorwärtsspannung / Forward Voltage, eine Spannung, die in Durchlaßrichtung bei Stromfluß an einer leuchtenden LED zu messen ist.
Wenn die angeschlossene Spannung niedriger als die Durchlaßspannung ist, fließt kein Strom; die LED bleibt aus.
Liegt die angeschlossene Spannung über der Durchlaßspannung, erhöht sich der Strom sehr stark; die LED wird zerstört.
Der Anschluß einer LED an 12 Volt führt zur Zerstörung der LED, sofern die Spannungsquelle nicht zusammenbricht und nur noch ein für die LED "erträglicher" Strom fließt. Die Spannung an einer Auto-Batterie bricht ganz sicher nicht zusammen.
Bei Anschluß einer LED an 1,5 Volt wird die LED weder leuchten noch zerstört, da die Durchlaßspannung nicht erreicht wird.
 
Eine LED braucht zum Leuchten einen Betriebstrom von wenigen Milli-Ampere.
Es ist dafür Sorge zu tragen, daß dieser Betriebsstrom nicht zu hoch wird. Dies wird durch eine Konstantstrom-Quelle (zu kompliziert und zu teuer) oder durch einen Widerstand erreicht. Die Berechnung des Widerstandes ist nicht schwer:
Da ist die Spannungsquelle z.B. 12 Volt und die Durchlaßspannung der LED z.B. 3,0 Volt.
Wenn 12 Volt da sind, aber nur 3 Volt sein dürfen, sind 9 Volt zu viel; diese 9 Volt müssen an dem Vorwiderstand "vernichtet" werden.
Laut Ohm'schen Gesetz berechnet sich ein Widerstand aus:
Spannung [Volt] geteilt durch Strom [Ampere]
Die Spannung ist 9 Volt, soll ein LED-Strom von 10 mA (= 0,010 A) fließen, dann ist die Berechnung: 9 Volt / 0,010 Ampere = 900 Ohm.
900 Ohm wird nicht verfügbar sein. Es geht auch mit 820 Ohm oder 1000 Ohm = 1 kOhm; der Strom ist dann 11 mA bzw. 9 mA, was an der Helligkeit nicht viel ändert.
 
Sollen 2 Leuchtdioden an 12 Volt angeschlossen werden, dann nicht 2 LEDs mit je 1 Vorwiderstand anschließen, sondern die LEDs in Reihe über einen Vorwiderstand an der Spannungsquelle betreiben (siehe Abbildung "Reihenschaltung").
12 Volt sind da, 2 mal Durchlaßspannung = 6 Volt dürfen nur sein, 6 Volt müssen "weg".
Die Berechnung für 10 mA LED-Strom: 6 Volt / 0,010 Ampere = 600 Ohm.
Statt 600 Ohm können 560 Ohm oder 680 Ohm eingesetzt werden.
 
3 LEDs: 12 Volt sind da, 3 * Durchlaßspannung = 9 Volt dürfen sein, 3 Volt "vernichten".
Berechnung: 3 Volt / 0,010 A = 300 Ohm. Es gibt 270 Ohm oder 330 Ohm.
 
4 LEDs: 12 Volt sind da, 4 * Durchlaßspannung = 12 Volt dürfen sein, 0 Volt "weg" ????
Ausgehend von 12 Volt, die auch 12,5 bis 13,8 Volt werden können, mindestens einen Widerstand von 100 bis 220 Ohm verwenden. Sollten die 4 LEDs nicht leuchten, dann wird mit den 12 Volt aus der Spannungsquelle die Durchlaßspannung der 4 LEDs nicht erreicht; es können dann nur maximal 3 LEDs dieses Typs in Reihe betrieben werden.
LED mit 30 mA an 24 Volt: 21 Volt müssen "vernichtet" werden, ergibt bei 30 mA einen Widerstand von 21 Volt / 0,030 A = 700 Ohm. Standard sind 680 Ohm.
Es sollte immer nachgerechnet werden, ob die Leistung am Vorwiderstand nicht zu hoch wird, da die "Vernichtung" von Spannung zu einer Erwärmung führt. Die Leistung berechnet sich aus: Spannung [Volt] mal Strom [Ampere].
21 Volt mal 0,030 A ergibt eine Leistung von 0,63 Watt; ein 1/4-Watt-Widerstand wird verbrennen, der 0,6 Watt Metallschicht- Widerstand wird heiß. Es muß ein Widerstand mit entsprechender Leistung plus Reserve, in diesem Fall mindestens 1 Watt, eingesetzt und die entstehende Wärmemenge abgeführt werden, damit kein gefährlicher Hitzestau entsteht.
Seitenanfang
Das Diagramm zeigt den großen Einfluß der Durchlaßspannung auf den Durchlaßstrom
 Typische Herstellerangaben zu einer LED:
  • Emissionsfarbe z.B. rot, gelb, grün, blau, ...
  • Gehäusefarbe z.B. rot diffus, gelb klar, weiß klar, transparent, ...
  • Lichtstärke bei einem Durchlaßstrom IF = 10 mA in mcd (Milli-Candela)
  • Betriebstemperatur Top – 55 … + 100 °C
  • Lagertemperatur Tstg – 55 … + 100 °C
  • Sperrschichttemperatur Tj + 100 °C
  • Durchlaßstrom IF 40 mA
  • Stoßstrom (t < 10 ms, D = 0.005) IFM 500 mA
  • Sperrspannung VR 5 V
  • Verlustleistung Ptot 100 mW
  • Wärmewiderstand Rth JA 400 K/W
  • Wellenlänge des emittierten Lichtes bei IF = 20 mA (typ.) lpeak 557 nm
  • Dominantwellenlänge bei IF = 20 mA (typ.) ldom 560 nm
  • Spektrale Bandbreite bei 50 %Irel max bei IF = 20 mA (typ.) Dl 22 nm
  • Abstrahlwinkel bei 50 % IV (Vollwinkel) 2phi 70 Grad
  • Durchlaßspannung bei IF = 10 mA (typ.) VF 2.0 V
  • Durchlaßspannung bei IF = 10 mA (max.) VF 2.6 V
  • Sperrstrom bei VR = 5 V (typ.) IR 0.01 uA
  • Sperrstrom bei VR = 5 V (max.) IR 0.01 uA
  • Kapazität (typ.) C0 15 pF
Wellenlänge der Farben
Infrarot 780 nm - 1 mm Unsichtbar
Rot 625-780 nm Sichtbar
Orange 590-625 nm
Gelb 565-590 nm
Grün 520-565 nm
Türkis 500-520 nm
Blau 450-500 nm
Lila 430-450 nm
Violett 380-430 nm
UV-A 315-380 nm Unsichtbar
UV-B 280-315 nm
 
Magenta Mischfarbe
Braun Mischfarbe
 
Farbtemeperatur (°K)
Die Farbtemperatur einer Lichtquelle gibt an, bei welcher Temperatur ein Planckscher (schwarzer) Strahler ein vergleichbares Lichtspektrum abstrahlt.
Die Einheit ist K (Kelvin), wobei 0 K = -273 °C sind.
Leichte Erwärmungen erzeugen Strahlungen im Infrarotbereich und sind deshalb mit bloßem Auge nicht erkennbar.
Bei weiterer Erhitzung kann der Strahler die Farben rot, gelb, weiß und sogar blau annehmen.
Wenn bei einer weißen LED eine Farbtemperatur von 10.000°K angegeben ist, müßte der Plancksche Strahler auf 10.000°K erhitzt werden, um diese "Farbe" auszustrahlen.
Die Kelvin-Angabe ist überwiegend bei weißen LEDs zu finden.
Weiß ist keine Farbe, sondern die Reflektion aller Licht-Spektralfarben.
Bei LEDs ist es die Abgabe aller Spektralfarben durch Mischung mehrerer Farben oder teilweise Umwandlung von blauem in gelbes Licht.
 
Lichtstärke (cd / mcd)
mcd steht für Milli-Candela und gibt die Helligkeit eines leuchtenden Objekts an.
1 cd bzw. 1.000 mcd entspricht der Helligkeit einer Kerze (englisch Candel).
Eine 100 Watt Glühbirne liefert ca. 1.000.000 mcd bzw. 1.000 cd. Um mit Leuchtdioden diese Helligkeit zu erreichen, sind etwa 100 weiße LEDs mit hohem Helligkeitswert erforderlich.
Puls-Weiten-Modulation / PWM-Schaltungen zur Helligkeits-Regelung von LED's
mit Timer 555
 
mit NAND-Gatter 4093
 
mit Transistoren
LED-Lauflicht für Batteriebetrieb
z.B. in einem Flaschen-Untersetzer oder als laufende rote Ziffern zum Jubiläum in einem grünen Kleeblatt (Küchenbrettchen).

Lauflichtschaltung mit den CMOS-Bausteinen 4093 und 4017:
  • Bei dieser Schaltung sind alle LED's an; es geht der Reihe nach immer nur ein Strang aus.
  • Es können 2...10 Stränge mit je 4..8..12.. roten LED's eingesetzt werden.
    Bei andersfarbigen LED's verringert sich die Anzahl entsprechend der LED-Durchlaßspannungen und Versorgungsspannung.
  • Die Laufgeschwindigkeit ist einstellbar (Trimm-Potentiometer P1).
  • Bei Spannungsschwankungen haben die LED's durch einen konstanten Strom (BF 245) immer gleiche Helligkeit.
  • Die FET's (BF 245) können durch Widerstände ersetzt werden, allerdings auf Kosten einer konstanten Helligkeit.
  • Es erfolgt nach einiger Zeit eine automatische Abschaltung aller LED's (Entladezeit von Elko C1).
  • Im abgeschalteten Zustand beträgt die Stromaufnahme wenige Mikro-Ampere.
  • Die Versorgungsspannung kann zwischen 9 und 15 Volt Gleichspannung betragen.
    Bei Spannungen unterhalb 9 Volt verringert sich die Anzahl LED's pro Strang, bei Spannungen über 9 Volt kann die Anzahl LED's pro Strang entsprechend erhöht werden.
  • Eine 9 Volt Block-Batterie hat mit dieser Schaltung eine sehr lange Lebensdauer.
Weitere Infos:
 
         
Seitenanfang