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Leuchtdiode

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Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode ist ein elektronisches Bauteil, das elektrischen Strom in Licht umwandelt. Die Abkürzung LED stammt vom englischen Ausdruck Light Emitting Diode. LEDs begegnen Dir in Anzeigen, Ampeln, Fahrradlampen, Bildschirmen, Fahrzeugen und in der Raumbeleuchtung.

Dieser aiMOOC richtet sich vor allem an Lernende der Klassen 7–9 in Physik, Technik und Elektronik. Du lernst, wie eine LED aufgebaut ist, warum ihre Polung wichtig ist, wozu ein Vorwiderstand dient und wie sich unterschiedliche Lichtfarben erklären lassen.

Was ist eine LED?

Eine LED ist eine besondere Diode. Wie andere Dioden lässt sie elektrischen Strom hauptsächlich in einer Richtung fließen. Fließt Strom in Durchlassrichtung durch den Halbleiter, kann Licht entstehen.

Das Schaltzeichen zeigt die Diode mit zwei kleinen Pfeilen nach außen. Diese Pfeile stehen für die ausgesendete Lichtstrahlung.

Eine LED besitzt zwei Anschlüsse:

Anode: positiver Anschluss
Kathode: negativer Anschluss

Bei vielen bedrahteten Standard-LEDs ist das längere Bein die Anode. Die abgeflachte Gehäuseseite markiert häufig die Kathode. Verlasse Dich bei unbekannten Bauteilen trotzdem besser auf das Datenblatt oder eine Messung.

Aufbau einer Leuchtdiode

Im Inneren einer klassischen LED befindet sich ein sehr kleiner Halbleiterkristall. Er liegt in einem Gehäuse, das ihn schützt und das Licht nach außen führt. Ein feiner Bonddraht verbindet den Kristall mit einem Anschluss.

Wichtig ist der sogenannte p-n-Übergang. Dort treffen zwei unterschiedlich dotierte Halbleiterbereiche aufeinander. Wenn die LED in Durchlassrichtung betrieben wird, bewegen sich Elektronen und sogenannte Löcher aufeinander zu. Bei ihrer Rekombination kann Energie als Licht abgegeben werden.

Dieser Vorgang heißt Elektrolumineszenz.

Warum leuchtet eine LED?

Die Farbe des ausgesendeten Lichts hängt vor allem vom verwendeten Halbleitermaterial und seiner Energielücke ab. Unterschiedliche Materialien können deshalb unterschiedliche Lichtfarben erzeugen.

Typische LEDs leuchten zum Beispiel:

rot
gelb
grün
blau
infrarot
ultraviolett

Eine einzelne LED erzeugt also nicht automatisch weißes Licht. Weißes LED-Licht kann zum Beispiel entstehen, indem blaues Licht mit einem Leuchtstoff teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird.

Durchlassrichtung und Sperrrichtung

Eine LED muss richtig gepolt werden.

Durchlassrichtung: Die Anode liegt auf höherem elektrischen Potential als die Kathode. Dann kann Strom fließen und die LED leuchten.

Sperrrichtung: Die Anschlüsse sind umgekehrt gepolt. Dann fließt normalerweise nur ein sehr kleiner Strom. LEDs vertragen in Sperrrichtung oft nur relativ kleine Spannungen. Deshalb sollte eine gewöhnliche LED nicht einfach beliebig verpolt betrieben werden.

Merke: Eine LED ist kein normales Lämpchen, das in beiden Stromrichtungen gleich funktioniert.

Die Durchlassspannung

Eine LED beginnt nicht bei jeder beliebig kleinen Spannung sichtbar zu leuchten. Im Betrieb stellt sich eine sogenannte Durchlassspannung ein. Sie hängt unter anderem von Material, Farbe, Strom und Temperatur ab.

Als grobe Orientierung gelten bei vielen Standard-LEDs:

Rot: etwa 1,6 bis 2,2 V
Gelb und Grün: häufig etwa 1,9 bis 2,5 V
Blau und Weiß: häufig etwa 2,7 bis 3,5 V

Diese Werte sind nur Richtwerte. Für eine konkrete LED ist das Datenblatt entscheidend.

Warum braucht eine LED einen Vorwiderstand?

Eine LED darf meist nicht direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Schon eine kleine Spannungsänderung kann einen deutlich größeren Strom verursachen. Ein zu hoher Strom erwärmt und beschädigt die LED.

Deshalb wird bei einfachen Schaltungen häufig ein Vorwiderstand in Reihe zur LED geschaltet.

Der Widerstand begrenzt den Strom.

Für eine einfache Gleichstromschaltung kannst Du den Vorwiderstand näherungsweise mit dem Ohmschen Gesetz bestimmen:

R = (UQuelle − ULED) / I

Dabei bedeutet:

R: Widerstand in Ohm
UQuelle: Spannung der Spannungsquelle
ULED: Durchlassspannung der LED
I: gewünschter LED-Strom in Ampere

Beispiel:

Eine rote LED mit 2 V Durchlassspannung soll an 5 V betrieben werden. Der gewünschte Strom beträgt 10 mA = 0,01 A.

R = (5 V − 2 V) / 0,01 A = 300 Ω

In der Praxis wählt man einen passenden Normwert und achtet zusätzlich auf die zulässige Leistung des Widerstands.

RGB-LED

Eine RGB-LED enthält rote, grüne und blaue Leuchtbereiche in einem Gehäuse.

Durch unterschiedliche Helligkeiten der drei Grundfarben lassen sich viele Farbtöne mischen. In digitalen Schaltungen wird die Helligkeit häufig mit Pulsweitenmodulation gesteuert.

RGB-LEDs findest Du zum Beispiel in Lichtleisten, Anzeigen und dekorativer Beleuchtung.

Weiße LEDs

Weiße LEDs sind besonders wichtig für Beleuchtungszwecke. Häufig wird dazu eine blaue LED mit einem Leuchtstoff kombiniert. Ein Teil des blauen Lichts wird in andere Wellenlängen umgewandelt. Zusammen nimmt das menschliche Auge die Mischung als weiß wahr.

Die Entwicklung effizienter blauer LEDs war ein entscheidender Schritt für moderne weiße LED-Lampen. Für diese Entwicklung erhielten Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura 2014 den Nobelpreis für Physik.

Vorteile und Grenzen von LEDs

LEDs haben viele technische Vorteile. Sie können klein gebaut werden, schnell schalten, farbiges Licht direkt erzeugen und eine hohe Lebensdauer erreichen. Gute LED-Beleuchtung kann außerdem sehr energieeffizient sein.

Trotzdem sind LEDs nicht verlustfrei. Ein Teil der elektrischen Energie wird in Wärme umgewandelt. Besonders leistungsstarke LEDs benötigen deshalb eine gute Wärmeableitung.

Auch die gesamte Lampe besteht nicht nur aus der LED selbst. Netzteil, Elektronik, Kühlung und Optik beeinflussen Wirkungsgrad und Lebensdauer.

Typische Anwendungen

LEDs werden heute in vielen Bereichen eingesetzt:

Anzeige: Statusleuchten an Geräten
Beleuchtung: Raum-, Straßen- und Fahrzeugbeleuchtung
Ampel: farbige Signallichter
Display: Hintergrundbeleuchtung und LED-Anzeigen
Fernbedienung: Infrarot-LEDs zur Signalübertragung
Sensorik: LEDs als Lichtquellen in optischen Messsystemen

Sicher experimentieren

Für Schulversuche reichen ungefährliche Kleinspannungen aus. Verwende LEDs mit geeignetem Vorwiderstand und kontrolliere die Polung.

Bei sehr hellen LEDs solltest Du nicht aus kurzer Entfernung direkt in das Licht schauen. Leistungs-LEDs können außerdem heiß werden.

Für erste Experimente eignen sich:

Steckbrett
LED
Vorwiderstand
Batteriefach oder geregelte Kleinspannungsquelle
Verbindungskabel

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wofür steht die Abkürzung LED? (Light Emitting Diode) (!Low Energy Display) (!Light Electric Device) (!Linear Electronic Diode)

Wie heißt der positive Anschluss einer LED? (Anode) (!Kathode) (!Emitter) (!Kollektor)

Was zeigen die beiden Pfeile am LED-Schaltzeichen? (Die Abgabe von Licht) (!Den Stromfluss in zwei Richtungen) (!Die Erwärmung des Bauteils) (!Den Anschluss eines Widerstands)

Warum wird bei einer einfachen LED-Schaltung häufig ein Vorwiderstand verwendet? (Er begrenzt den Strom) (!Er ändert die Lichtfarbe) (!Er erzeugt die Betriebsspannung) (!Er kehrt die Polung um)

Was geschieht bei einer korrekt betriebenen LED am p-n-Übergang? (Elektrische Energie kann in Licht umgewandelt werden) (!Elektrische Energie wird vollständig gespeichert) (!Die LED wird zu einem mechanischen Schalter) (!Die Kathode erzeugt Magnetfelder ohne Strom)

Welche drei Grundfarben enthält eine typische RGB-LED? (Rot Grün Blau) (!Rot Gelb Weiß) (!Blau Schwarz Grün) (!Orange Violett Weiß)

Welche Aussage zur Durchlassspannung ist richtig? (Sie hängt unter anderem vom Halbleitermaterial ab) (!Sie ist bei jeder LED exakt gleich) (!Sie ist immer genau 12 Volt) (!Sie hängt nur von der Gehäusefarbe ab)

Was kann bei zu großem LED-Strom passieren? (Die LED kann beschädigt werden) (!Die LED wird automatisch zum Widerstand) (!Die Lichtfarbe wird immer weiß) (!Die LED lädt sich dauerhaft elektrisch auf)

Wie entsteht bei vielen weißen LEDs weißes Licht? (Blaues LED-Licht wird teilweise durch einen Leuchtstoff umgewandelt) (!Eine rote LED wird besonders stark erhitzt) (!Eine LED wird abwechselnd vorwärts und rückwärts gepolt) (!Das Gehäuse wird vollständig verspiegelt)

Welche Größe wird in der Formel R gleich U durch I berechnet? (Widerstand) (!Leistung) (!Ladung) (!Frequenz)

Memory

Anode	positiver Anschluss
Kathode	negativer Anschluss
Vorwiderstand	Strombegrenzung
Elektrolumineszenz	Lichterzeugung im Halbleiter
RGB-LED	Rot Grün Blau
Durchlassspannung	Spannung im leitenden Betrieb

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Anode	positiver LED-Anschluss
Kathode	negativer LED-Anschluss
Vorwiderstand	begrenzt den Strom
RGB-LED	kombiniert drei Grundfarben
Elektrolumineszenz	Lichtentstehung im Halbleiter

Kreuzworträtsel

Anode	Wie heißt der positive Anschluss einer LED?
Kathode	Wie heißt der negative Anschluss einer LED?
Diode	Zu welcher Bauteilart gehört die LED?
Widerstand	Welches Bauteil begrenzt in einfachen LED-Schaltungen den Strom?
Halbleiter	Aus welcher Materialklasse besteht der lichtaktive Bereich einer LED?
Lumineszenz	Wie heißt die Lichtemission ohne hohe Glühtemperatur als Grundprinzip?

LearningApps

Lückentext

Eine Leuchtdiode wird meist mit der Abkürzung

bezeichnet. Der positive Anschluss heißt

. Der negative Anschluss heißt

. Eine LED lässt Strom hauptsächlich in einer

fließen. Das Licht entsteht im

. Ein vorgeschalteter elektrischer Widerstand begrenzt den

. Die Spannung an einer leitenden LED wird als

bezeichnet. Bei einer RGB-LED werden die Lichtfarben Rot, Grün und

kombiniert. Viele weiße LEDs verwenden zusätzlich einen

. Leistungsstarke LEDs benötigen eine gute Abfuhr von

.

Offene Aufgaben

Leicht

LED-Suche: Finde zu Hause oder in der Schule fünf Geräte mit LEDs und beschreibe jeweils die Funktion der LED.
Schaltzeichen: Zeichne das Schaltzeichen einer LED und beschrifte Anode, Kathode und Lichtpfeile.
Polung: Erkläre mit eigenen Worten, warum eine LED nicht beliebig herum angeschlossen werden sollte.
Farben: Fotografiere oder skizziere LEDs in mindestens drei unterschiedlichen Farben und notiere mögliche Anwendungen.

Standard

LED-Schaltung: Baue unter Aufsicht eine einfache Schaltung aus Kleinspannungsquelle, Vorwiderstand und LED auf und dokumentiere sie.
Vorwiderstand: Berechne einen passenden Vorwiderstand für eine LED mit 2 V Durchlassspannung an 6 V bei 10 mA.
Messung: Miss bei einer sicheren Kleinspannung die Spannung über LED und Widerstand und vergleiche die Summe mit der Quellenspannung.
RGB-Farbmischung: Erstelle ein Plakat oder digitales Schaubild, das erklärt, wie eine RGB-LED verschiedene Farben erzeugt.

Schwer

Kennlinie: Untersuche experimentell oder mit einer Simulation die Strom-Spannungs-Kennlinie einer LED und erläutere den nichtlinearen Verlauf.
Effizienzvergleich: Vergleiche LED-Lampen und ältere Leuchtmittel nach Leistungsaufnahme, Lichtstrom, Lebensdauer und Wärmeentwicklung.
PWM-Steuerung: Recherchiere, wie Pulsweitenmodulation zur Helligkeitssteuerung einer LED eingesetzt wird, und erkläre das Prinzip mit einer Skizze.
LED-Projekt: Entwickle eine kleine Ampel-, Warn- oder Signalleuchte mit mindestens drei LEDs und dokumentiere Planung, Schaltung, Berechnung und Test.

Lernkontrolle

Fehleranalyse: Eine LED wird ohne Vorwiderstand direkt an eine deutlich höhere Spannung angeschlossen. Erkläre, warum das problematisch ist und wie die Schaltung verbessert werden kann.
Transferaufgabe: Eine rote und eine blaue LED sollen an derselben Spannungsquelle betrieben werden. Begründe, warum ihre Vorwiderstände unterschiedlich gewählt werden könnten.
Schaltungsanalyse: Erkläre, wie sich die Spannungen an LED und Vorwiderstand in einer Reihenschaltung auf die Quellenspannung beziehen.
Anwendungsauswahl: Entscheide, ob für eine Statusanzeige, eine Raumbeleuchtung oder eine Fernbedienung dieselbe LED-Art sinnvoll wäre, und begründe Deine Auswahl.
Technikbewertung: Beurteile die Aussage „LEDs verbrauchen keine Energie als Wärme“. Nutze physikalische Argumente.
Alltagsbezug: Erkläre, warum die Entwicklung effizienter blauer LEDs für weiße LED-Lampen besonders wichtig war.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen können, dass Du:

den Aufbau und das Schaltzeichen einer LED erklären kannst,
Anode und Kathode unterscheiden kannst,
Durchlass- und Sperrrichtung beschreiben kannst,
die Aufgabe eines Vorwiderstands verstehst,
einen einfachen Vorwiderstand mit dem Ohmschen Gesetz berechnen kannst,
typische Durchlassspannungen als ungefähre, farbabhängige Größen einordnen kannst,
die Entstehung von Licht im Halbleiter vereinfacht erklären kannst,
RGB-LEDs und weiße LEDs unterscheiden kannst,
Vorteile und technische Grenzen von LEDs beurteilen kannst,
eine einfache LED-Schaltung sicher planen und dokumentieren kannst.