LED

Schaltzeichen für LEDs

verschiedene Leuchtdioden

Eine Leuchtdiode (Kurzform LED für Light-Emitting Diode – Licht aussendende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement.

Wird durch die Diode ein Strom in Durchflussrichtung geschickt, strahlt sie Licht ab.

Aufbau

Makroaufnahme einer Leuchtdiode (Durchmesser 5 mm)

Das Bild rechts zeigt den Aufbau einer Standard-Leuchtdiode (Durchmesser 5 mm). Die Kathode (−), markiert durch eine Abflachung links am Gehäuse, trägt einen kegelförmigem Reflektor, in dem der Halbleiter sitzt. Der feine Bonddraht, rechts oberhalb des Trägers als horizontale Linie erkennbar, stellt den Kontakt zur Anode (+) her.

Bei neuen LEDs ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer, wodurch auch die Merkregel Kathode = kurz gilt. Da auf fertigen Platinen die Bauteilanschlüsse abgeschnitten werden sollte man dies allerdings nicht generell anwenden.

Hochleistungs-LED werden mit höheren Strömen betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrückt. Die Wärme kann entweder über die Stromzuleitungen abgeführt werden, oder der Strom wird über zwei Bonddrähte zugeführt und die Wärmeableitung über die Reflektorwanne ist davon getrennt.

Die industrielle Verarbeitung von bedrahteten LED ist aufwändig und teuer. LED werden z. B. auch in SMD-Gehäuseform hergestellt. Eine weitere Möglichkeit ist das direkte "bonden" des LED-Chips auf der Platine (Chip on board – COB).

Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (2 oder 3) Dioden in einem Gehäuse. Bei der Ausführung mit 2 Anschlüssen sind 2 LED in Gegenrichtung parallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine Wechselspannung regt beide Dioden an und erzeugt eine Überlagerungsfarbe. Bei 3 oder mehrbeinigen LEDs haben die verschiedenfarbigen Chips eine gemeinsame Kathode, aber einzelne Anoden. Bei gleichzeitiger Ansteuerung ergibt sich hier ebenfalls eine Mischfarbe.

Eigenschaften

Spektren einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb ist z. B. der Einsatz in Signalanlagen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern, besonders effektiv.

Als Lebensdauer der LED wird die Zeit, nach der die Lichtausbeute der LED auf die Hälfte des Anfangwertes abgefallen ist, bezeichnet. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber nicht plötzlich aus. Leuchtdioden sind unempfindlich gegen Erschütterungen. Sie haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Lebensdauer hängt von dem jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen 1000 Stunden bei 5 Watt-LED bis zu über 100000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LED. Hohe Temperaturen (z. B. durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LED drastisch.

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie. Im Betrieb muss der Strom durch ein weiteres Bauelement begrenzt werden, im einfachsten Fall durch einen Widerstand oder durch einen Konstantstromregler. Die Stromaufnahme beträgt 2 mA bis ca. 700 mA bei einer Spannung von 2 V bis 4 V.

Weiße LED

LEDs im sichtbaren Spektrum

Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz:

• Drei Leuchtdioden der Farben Rot, Grün und Blau (RGB) werden zusammengeschaltet und erzeugen weißes Licht (Einsatz: Displays, Effektbeleuchtung). Das kann mit separaten LED oder mit drei LED-Chips innerhalb eines Gehäuses geschehen. Auch mit nur zwei LED in den Farben Blau und Gelb kann weißes Licht gemischt werden.

LED im blau bis ultraviolettem Spektrum

Der LED-Chip wird mit Fluoreszenzfarbstoff bedeckt. Ähnlich wie bei einer Leuchtstofflampe wird kurzwelliges, energiereiches Licht in langwelliges, energieärmeres Licht umgewandelt. Bei geeigneter Wahl der Komponenten ergibt die additive Farbmischung weiß.

• Entweder wird ein Teil des Lichtes blauer LED durch einen Farbstoff in gelbes Licht umgewandelt und die Mischung ergibt weiß oder
• die Leuchtdiode strahlt im UV-Bereich. Das sichtbare weiße Licht wird ausschließlich durch Anregung von geeigneten Fluoreszenzfarbstoffen (RGB) erzeugt. Solche LED haben gute Farbwiedergabeeigenschaften (Ra 90).

Einsatzbereiche

LED-Leuchtmittel

Nachdem die LED lange Zeit aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Lichtfarben hauptsächlich als Indikationslampen, in Siebensegment- und Punktmatrixanzeigen eingesetzt wurden, erschliesst sich die LED nun weite Einsatzbereiche z.B. auch in der Beleuchtungstechnik.

Speziell im Modellbau sind LEDs inzwischen das Leuchtmittel der wahl, da sie kleiner sind als Birnchen, weniger Strom verbrauchen und eine höhere Lebensdauer haben.

Einige Einsatzbereiche im Modellbaubereich sind:

• Hausbeleuchtung, Laternen, Lichtwerbung
• Fahrzeugbeleuchtungen aller Art
• Lichterketten (z.B. Weihnachtsmarkt, Gartenparty)
• Figurenbeleuchtung wie Handkelle, Schweissgerät, Handy-Display o.ä.

Tipps zum Betrieb

LED werden mit Konstantstrom betrieben. Dazu gibt es in der Modellbau-Wiki eine einfache Schaltung für eine Konstantstromquelle.

LED brauchen immer den passenden Vorwiderstand. Die folgende Tabelle zeigt einige Beispielberechnungen.

Versorgungsgerät	LED-Spezifikation	Berechnung	Widerstand	Farbkodierung
Roco Multimaus mit 18V DC	LED rot 2,1 V, 20 mA		820 Ohm	grau rot braun gold
Roco Multimaus mit 18V DC	SMD weiss 3,15V, 20mA		820 Ohm	grau rot braun gold
Lima Handregler mit 12V DC	LED grün mit 3,7V, 20mA		820 Ohm	grau rot braun gold

Online Rechner gibts viele, z.B. http://www.leds.de/Widerstandsrechner/

Weblinks

• LED-Informationen
• Introduction to Light Emitting Diodes (englisch)
• Light Emitting Diodes (englisch)
• www.wissenschaft.de: Punktsieg für LEDs Die Lichtquellen sind mehr als nur sparsam und könnten in Zukunft intelligente Beleuchtungslösungen ermöglichen
• LED-Museum (englisch)
• Heise-Meldung über Maserati-Prototypen mit LED-Beleuchtung
• Widerstand für LEDs berechnen

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel LED aus der freien Enzyklopädie Wikipedia, teilweise können Textpassagen übernommen worden sein. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Bitte fügt detaillierte Infos zu den Vorbildern entsprechend in der Wikipedia hinzu, so dass wir uns hier auf die Modellbauaspekte konzentrieren können.