Aktuelles Modell·Halbleiterübergänge

Leuchtdiode

Wechseln Sie zwischen echten LED-Farben und sehen Sie, warum eigentlich der Strom und nicht die Spannung die Stellgröße ist — und warum eine LED ohne Vorwiderstand immer kurz vor dem Durchbrennen steht.
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Durchlassspannung0 V
LED-Strom0 mA
Lichtstärke0 %
Sperrschichttemperatur25 °C
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Übergangs-Vorspannungsexperiment

LED-I–V- und Helligkeitskennlinie

Sehen Sie, wie der Bahnwiderstand den Knick abrundet und wie die Helligkeit sättigt, während der Strom weiter steigt.

Aktueller ArbeitspunktWenden Sie Strom an, um die Kurven zu erzeugen
DurchlasskennlinieDurch den Bahnwiderstand abgeflachter Stromanstieg
00 µA0,711 mA1,322 mA233 mA2,644 mAWenden Sie Strom an, um die Kurven zu erzeugen
SperrkennlinieKleiner Leckstrom, dann ein Niederspannungsdurchbruch, den LEDs nicht überstehen sollen
-7-44 mA-5,3-33 mA-3,5-22 mA-1,8-11 mA00 µAWenden Sie Strom an, um die Kurven zu erzeugen
Lichtstärke über StromDie optische Ausgangsleistung sättigt mit steigendem Strom und sinkt, wenn der Übergang sich erwärmt
0 µA0%11 mA25%22 mA50%33 mA75%44 mA100%Wenden Sie Strom an, um die Kurven zu erzeugen

Was ist eine LED?

Die Bandlücke bestimmt die Farbe

Eine LED ist ein PN-Übergang, an dem der Durchlassstrom Elektronen und Löcher direkt am Übergang rekombinieren lässt, statt sie nur hindurchdiffundieren zu lassen. Jede Rekombination gibt ihre Energie als Photon ab, und die Energie des Photons — seine Farbe — legt die Bandlücke des Halbleiters fest, nicht ein Farbstoff oder Filter. Deshalb springt die Durchlassspannung je nach Materialfamilie, statt sich sanft mit der Wellenlänge zu verschieben: Rote, orangene und gelbe LEDs nutzen AlGaInP oder GaAsP mit einer Bandlücke von etwa 2 V, während Grün, Blau und phosphorkonvertiertes Weiß auf InGaN setzen, dessen breitere Lücke über 3 V verlangt, bevor überhaupt Strom fließt.

Warum jede LED einen Vorwiderstand braucht

Jenseits des Einschaltknicks steigt der Strom mit der Spannung so steil, dass ein Bruchteil eines Volts über schwaches Glimmen oder einen durchgebrannten Chip entscheiden kann. Eine Glühlampe begrenzt sich selbst, weil der Wendelwiderstand mit der Erwärmung steigt; ein Diodenübergang tut das Gegenteil, sodass nichts intern den Strom bremst. In der Praxis hält nur der Bahn- und Anschlusswiderstand im Gehäuse etwas dagegen, und das allein reicht nicht — deshalb speist jede reale Schaltung eine LED über einen Vorwiderstand oder einen echten Konstantstromtreiber, niemals direkt aus einer Spannungsquelle.

Das Datenblatt lesen

LED-Datenblätter geben die Durchlassspannung bei einem festgelegten Prüfstrom an statt eines Sättigungsstroms, dazu die Lichtstärke in Millicandela oder den Lichtstrom in Lumen, einen Abstrahlwinkel und einen maximalen Durchlassstrom, den der Chip ohne Ausfall verträgt. Treibt man den Strom weit über diesen Wert, hält die Lichtausbeute nicht Schritt — Efficiency Droop bedeutet, dass jedes zusätzliche Milliampere anteilig weniger Helligkeit bringt, und Wärme drückt die Ausbeute weiter herunter. Auch die zulässige Sperrspannung ist im Vergleich zu einer Gleichrichterdiode ungewöhnlich niedrig, da der LED-Übergang nie dafür ausgelegt wurde, ein hohes Sperrfeld zu blockieren.

Wo sie eingesetzt wird

LEDs dienen als Kontrollleuchten, als Segmente in Sieben-Segment- und Punktmatrixanzeigen und als Hintergrundbeleuchtung in fast jedem Display. Mit gelbem Phosphor beschichtete blaue LEDs erzeugen weißes Licht effizient genug, um Glüh- und Leuchtstofflampen in der allgemeinen Beleuchtung verdrängt zu haben, und Infrarot-LEDs treiben Fernbedienungen und Optokoppler an. Oberhalb einer Handvoll LEDs ersetzt meist ein eigener Konstantstromtreiber-IC den einzelnen Vorwiderstand und regelt die Helligkeit weit präziser und effizienter, als ein Widerstand es je könnte.

Häufig gestellte Fragen

Wie berechnet man den Vorwiderstand für eine LED?
Verwenden Sie R = (Uversorgung − Uf) / I. Für eine rote LED mit Uf ≈ 2 V an 5 V bei 20 mA ist R = 3 V / 0,02 A = 150 Ω, ein Normwert; liegt das Ergebnis zwischen zwei Werten, nehmen Sie den nächsthöheren. Der Widerstand setzt dann 3 V × 20 mA = 60 mW um. Probieren Sie es im Simulator, indem Sie den Vorwiderstand ändern.
Warum haben LEDs verschiedener Farben unterschiedliche Flussspannungen?
Die Farbe folgt aus der Bandlücke des Halbleiters: Jedes emittierte Photon trägt etwa die Bandlückenenergie, kürzere Wellenlängen brauchen größere Bandlücken und damit höhere Flussspannungen. Rote LEDs haben etwa 1,8 bis 2,2 V, blaue, grüne und weiße LEDs etwa 2,8 bis 3,4 V.
Kann man eine LED ohne Vorwiderstand anschließen?
Nicht direkt an eine Spannungsquelle. Der LED-Strom steigt exponentiell mit der Spannung, daher bewirkt eine kleine Änderung von Versorgungsspannung oder Temperatur eine große Stromänderung, die den Chip schnell überhitzt. Verwenden Sie einen Vorwiderstand oder eine Konstantstromquelle; der Simulator zeigt Strom und Sperrschichttemperatur ohne Vorwiderstand ansteigen.
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