LED’s

Leuchtdioden (LEDs) sind aus der modernen Elektronik und Lichttechnik nicht mehr wegzudenken. Doch wie funktioniert ein Halbleiterbauelement, das Strom direkt in Licht umwandelt, und warum benötigt es zwingend einen Vorwiderstand?

1. Die Erfindung der LED

Die Geschichte der LED reicht weiter zurück, als viele vermuten. Bereits im Jahr 1907 entdeckte der englische Experimentator Henry Joseph Round bei Versuchen mit Siliziumkarbid (SiC) das Phänomen der Elektrolumineszenz: Als er Spannung anlegte, begann der Kristall schwach zu leuchten.

Der russische Physiker Oleg Lossow erforschte das Phänomen in den 1920er Jahren weiter. Der eigentliche Durchbruch für die praktische Nutzung gelang jedoch Nick Holonyak Jr. im Jahr 1962 bei General Electric: Er entwickelte die erste praktisch einsetzbare Leuchtdiode im sichtbaren Bereich (Rot).

In den 1990er Jahren gelang den japanischen Wissenschaftlern Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura die Entwicklung der hocheffizienten blauen LED auf Galliumnitrid-Basis. Dies war der Schlüssel zur Erzeugung von weißem LED-Licht – eine Leistung, für die sie 2014 den Physik-Nobelpreis erhielten.

2. Das Schaltsymbol

Das Schaltzeichen der LED basiert auf dem Symbol einer Standard-Diode. Ein Pfeil zeigt die Durchlassrichtung an (vom Anode- zum Kathodenanschluss). Die zwei zusätzlichen, nach außen weisenden Pfeile symbolisieren das emittierte Licht.

3. Aufbau und physikalischer Effekt

Eine LED ist im Kern ein p-n-Halbleiterübergang (PN-Junction). Sie besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten:

p-dotierte Schicht: Weist einen Überschuss an positiven Ladungsträgern (Defektelektronen / „Löcher“) auf.
n-dotierte Schicht: Weist einen Überschuss an negativen Ladungsträgern (freien Elektronen) auf.

Der Effekt der Elektrolumineszenz

Wird die LED in Durchlassrichtung betrieben (Anode an Plus, Kathode an Minus), werden Elektronen von der n-Seite und Löcher von der p-Seite in die Grenzschicht (Sperrschicht) gedrückt. Dort treffen sie aufeinander und verbinden sich – diesen Vorgang nennt man Rekombination.

Wie entsteht das Licht?
Beim Rekombinieren fällt ein Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau zurück. Die dabei frei werdende Energie wird als Lichtteilchen (Photon) abgestrahlt. Die Energiedifferenz der Bandlücke des Halbleiters bestimmt exakt die Wellenlänge (und damit die Farbe) des Lichts.

4. Arten von Leuchtdioden

Je nach Anwendungsfall gibt es verschiedene Bauformen und Spezialtypen:

Bedrahtete LEDs (THT): Klassische Bauformen (z. B. 3mm, 5mm) mit zwei Anschlussbeinchen, ideal für Prototypen und Statusanzeigen.
SMD-LEDs (Surface Mounted Device): Sehr kompakte Bauformen zur direkten Oberflächenmontage auf Platinen, z. B. in Displays oder LED-Streifen.
RGB-LEDs: Kombinieren drei separate Diodenschips (Rot, Grün, Blau) in einem Gehäuse. Durch Mischung der drei Grundfarben lassen sich beliebige Farben erzeugen.
Infrarot-LEDs (IR): Emittieren unsichtbares Licht (ca. 850–940 nm). Einsatz in Fernbedienungen, Lichtschranken oder Nachtsichtkameras.
Ultraviolette LEDs (UV): Emittieren kurzwelliges Licht zum Aushärten von Harzen, Entkeimen oder zur Echtheitsprüfung von Banknoten.
COB-LEDs (Chip on Board): Viele kleine LED-Chips werden direkt auf einem Träger montiert, um eine extrem homogene, große und leistungsstarke Lichtfläche zu bilden (z. B. in Flutlichtstrahlern).

5. Übersicht der Leuchtdiodenfarben

Die Farbe der LED hängt direkt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Je größer die Bandlücke des Materials, desto kürzer ist die Wellenlänge und desto höher ist die Durchlassspannung (U_F).

Farbe	Wellenlänge (λ)	Durchlassspannung (U_F)	Nom. Strom (I_F)	Halbleitermaterial
Ultraviolett (UV)	365 – 400 nm	3,1 – 4,4 V	20 mA	Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Blau	450 – 475 nm	2,9 – 3,6 V	20 mA	Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Grün (Rein)	520 – 535 nm	2,8 – 3,4 V	20 mA	Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Gelb-Grün	565 – 575 nm	2,0 – 2,4 V	20 mA	Galliumphosphid (GaP)
Gelb	585 – 595 nm	1,9 – 2,3 V	20 mA	Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Rot	620 – 660 nm	1,8 – 2,2 V	20 mA	Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
Infrarot (IR)	850 – 940 nm	1,2 – 1,7 V	20 mA – 100 mA	Galliumarsenid (GaAs)
Weiß *	Breitband	2,8 – 3,6 V	20 mA	InGaN + Phosphor-Konverter

* Hinweis zu weißen LEDs: Weißes Licht lässt sich nicht direkt durch ein Halbleitermaterial erzeugen. Weiße LEDs sind im Kern blaue LEDs, die mit einer dünnen Gelb-Phosphorschicht bedampft sind. Ein Teil des blauen Lichts regt die Phosphorschicht zum Gelbleuchten an – die Mischung ergibt für das menschliche Auge weißes Licht.

6. Warum wird zwingend ein Vorwiderstand benötigt?

Im Gegensatz zu einer Glühlampe ist eine LED kein ohmscher Verbraucher, sondern ein Halbleiter mit einer sogenannten exponentiellen Strom-Spannungs-Kennlinie.

Gefahr der Zerstörung (Thermal Runaway):
Sobald die Schwellenspannung (Durchlassspannung U_F) der LED erreicht ist, sinkt ihr innerer Widerstand drastisch. Eine winzige Erhöhung der Spannung führt zu einem exponentiellen Anstieg des Stroms. Ohne Begrenzung fließt sofort so viel Strom, dass der Halbleiter überhitzt und innerhalb von Millisekunden zerstört wird.

Der Vorwiderstand erfüllt dabei eine entscheidende Aufgabe:

Strombegrenzung: Er nimmt die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung (U_S) und der LED-Spannung (U_F) auf und begrenzt den Durchlassstrom genau auf den zulässigen Wert (I_F).
Stabilisierung: Er schützt die LED vor leichten Spannungsschwankungen in der Schaltung.

Nutze gerne unseren interaktiven LED-Vorwiderstands-Rechner direkt im Anschluss, um den exakten Widerstandswert, die passenden E-Reihen (E12/E24) und die benötigte Belastbarkeit für dein Projekt zu berechnen!