Diode, LED

Betrachten wir einmal die Kennlinie einer Diode. Um eine solche Kennlinie zu erstellen, verwenden wir folgende Schaltung:


Der Pfeil durch die Spannungsquelle stellt dar, dass sie regelbar ist. Man kann die Spannung also von 0V bis 12V regeln.
Der Kreis mit dem A ist ein Ampèremeter, der mit dem V ein Voltmeter. Wem die Benutzung nicht ganz klar ist, der sollte spätestens jetzt das Kapitel Messgeräte durchlesen :p
Es handelt sich primär um einen Spannungsteiler (R1 und R2), der die Testspannung für die in Durchlassrichtung angeschlossene Diode erzeugt. Das Voltmeter misst die Spannung, die an D1 anliegt, während das Ampèremeter den Strom durch die Diode misst. Aus den Werten lässt sich dann wieder eine Tabelle anlegen und eine Kennlinie zeichnen.

Diese Schaltung eignet sich nur schwer zum Nachbauen, da man erst einmal zwei Messgeräte braucht und dann auch noch eine stufenlos regelbare Spannungsquelle. Ich habe sie deshalb selbst auch nicht aufgebaut und somit ist die Kennlinie nur zweckmäßig gezeichnet, aber das reicht aus.


Mit steigender Spannung bleibt der Strom anfangs fast Null. Ab 0,6V ca. tut sich wirklich was und ab rund 0,7V fließt ein wirklich nennenswerter Strom. Danach steigt die Spannung kaum noch, aber der Strom.

Das bedeutet nun folgendes: bei 0,6V bis 0,7V liegt die so genannte Durchbruchspannung. Diese muss anliegen, damit sie richtig leitend wird. Da der Strom ab da an viel stärker ansteigt als die Spannung, muss der Strom klein gehalten werden. Denkt man sich die Leistungshyperbel (die Linie beim Widerstand, wann er durchbrennt) in das Koordinatenkreuz, so steigt der Strom schnell in den gefährlichen Bereich. Aus diesem Grund darf eine Diode nie direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen werden! Es muss immer ein Widerstand vorgeschaltet werden, Vorwiderstand genannt. Setzt man an 5V beispielsweise einen 100Ω davor, dann kann der Strom nicht über 50mA steigen, denn selbst ohne Diode würde er nicht mehr fließen.

Den Vorwiderstand für LEDs berechnet man folgendermaßen:
Durch die Spannung an der LED und die Gesamtspannung lässt sich die Spannung am Vorwiderstand berechnen. Nehmen wir als Beispiel eine Standard rote LED mit 1,8V. Diese wird an 5V angeschlossen. Das heißt für den Widerstand, dass an ihm 3,2V abfallen müssen.
Durch die LED fließen ungefähr 20mA, womit auch gleichzeitig der Strom für den Widerstand bestimmt ist. Nun noch das Ohmsche Gesetz anwenden:
R = U / I
R = 3,2V / 20mA
R = 160Ω

Passt perfekt, den gibt es sogar in der E24 Reihe.

Für normale Dioden kann man es ähnlich machen, es gibt aber noch eine andere Möglichkeit. Bei Dioden ist es aber nur selten erforderlich diesen zu berechnen, da sie meist anders eingesetzt werden.

Eine Diode könnte man schlicht als "Stromventil" bezeichnen, sie lässt Strom nur in eine Richtung durch. Sie ist daher ein Halbleiter.

Für die Diode gibt es verschiedene Schaltzeichen. Die erste Variante ist die hier übliche, die ich auch hier verwenden werde.


Der Buchstabe für die Diode ist das "D", in anderen Ländern manchmal auch "V".
Dieses Bauteil lässt wie schon gesagt den Strom nur in eine Richtung hindurch. Deshalb ist es bei einer Diode – anders als beim Widerstand – nicht egal, wie herum man diese einbaut. Die beiden Anschlüsse werden nicht Plus und Minus genannt, wie man sich anfangs denken mag, sondern "Anode" und "Kathode". Der Anschluss mit dem Strich (Pfeilspitze) ist die Kathode, der andere die Anode. Merken kann man sich das dadurch, dass der Strich an der Kathode mit den beiden schrägen Strichen wie ein K aussieht.


Der Strom fließt nach der technischen Stromrichtung (dort fließt er von Plus nach Minus) in Pfeilrichtung der Diode, also von Anode nach Kathode. Diese Richtung nennt man auch "Durchlassrichtung". Die Richtung von Kathode nach Anode wird dementsprechend "Sperrrichtung" genannt.

Es gibt natürlich nicht nur eine Diode, es gibt tausende verschiedene Dioden.
Die oben angesprochene Diode ist aus Silizium, wie nahezu alles in der heutigen Halbleitertechnik. Neben den Silizium Dioden gibt es auch noch Germanium Dioden. Bei diesen steigt die Kurve etwas eher, dafür aber flacher an. Die Durchbruchspannung liegt bei ungefähr 0,4V.

Weitere Unterschiede sind:
maximale dauerhafte Spannung in Sperrrichtung,
maximale kurzzeitige Spannung,
maximaler kurzzeitiger Strom,
Schaltzeit (wie schnell die Diode leitend wird),
Durchbruchspannung (auch da gibt es Unterschiede),
Kennlinienform,
und sicherlich noch weitere Kritieren. Wie man sieht, nicht gerade wenig, aber das muss uns erst einmal gar nicht groß interessieren.

Zwei typische Silizium Dioden sind die 1N4148 und die 1N4007.


Die Kathode ist immer mit einem Strich markiert.

Die 1N4148 ist eher für Signale gedacht, da sie schnell schaltet, aber nicht so viel verträgt.

Die 1N4007 hingegen kann etwas mehr Spannung und Strom vertragen.

Genauere Informationen kann man Datenblättern entnehmen (engl. Datasheet).

Es gibt auch noch viele weitere Diodentypen, aber das reicht erst mal, denke ich.

Eine defekte Diode lässt meistens in beide Richtungen Strom durch. Das Überprüfen einer Diode mit einem Ohmmeter ist nicht so leicht, da der angezeigte Widerstand von der Messspannung abhängt. Am besten einmal mit einer funktionierenden Diode testen, was das Messgerät anzeigen muss.
Hat die Diode einen Kurzschluss in beiden Richtungen, sollte aber jedes Messgerät das auch anzeigen. Damit zeigt dieser Test aber nur an, ob eine Diode 100%ig defekt ist, aber nicht, ob sie auch 100%ig ok ist.

Eine LED ist ebenfalls eine Diode, weist ähnliche Eigenschaften auf, nur leuchtet sie zusätzlich noch. Ihr Schaltzeichen sieht deswegen nur geringfügig anders aus.


Eine bedrahtete LED sieht so aus:


Auf den LEDs ist kein Strich zur Markierung der Kathode, sondern eine Kerbe an der Seite. Bei neuen LEDs ist das Beinchen an der Kathode etwas kürzer, aber das hilft natürlich bei einer gebrauchten nicht. Wenn man in die Diode hineinsehen kann, kann man auch mit dem Aussehen die Anschlüsse bestimmen. An der Anode ist ein kleiner "Kelch" zu sehen, wie hier bei der transparenten LED schwach zu sehen.

Auch bei der LED muss die Kathode zum Minuspol und die Anode zum Pluspol zeigen, damit sie leuchtet. Ein Vorwiderstand ist ebenfalls nötig. Es geht oft auch ohne, aber das ist absolut nicht ratsam. Die Durchbruchspannung ist im Gegensatz zur normalen Diode viel höher.

LEDs unterscheiden sich vorallem in den Farben. Rote und grüne LEDs benötigen ungefähr 1,8 bis 2,2V und 20mA. Da sich gelb und orange aus rot und grün zusammensetzt, sind die Eigenschaften für gelbe LEDs gleich denen der roten und grünen LEDs.
Blaue LEDs kommen damit nicht aus, da sind mindestens 3,5V erforderlich, allerdings gibt es hier große Unterschiede, je nach LED.
Weiß setzt sich aus allen drei Farben rot, grün und blau zusammen, deshalb benötigen sie die gleiche Spannung wie blaue LEDs.

Die Helligkeit von LEDs wird in mcd angegeben. Diese ist nicht veränderbar. Durch Verändern der Spannung ändert sich zwar ein wenig die Helligkeit, aber das klappt nur bedingt.

Genaue Informationen über die LED, die gekauft werden will, findet man ebenfalls in Datenblättern, die in guten Shops auch zur LED bereit gestellt werden.