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Eine LED oder Leuchtdiode ist ein modernes Leuchtmittel und gilt als Zukunftsgarant im Bereich der Beleuchtungstechnik. Sie funktioniert wie ein Halbleiter und verfügt über eine einzige Durchlassrichtung für den Strom. Mit einer Diode können Infrarotstrahlen, Ultraviolettstrahlung und Licht erzeugt werden ... 

   

   

Was sind LEDs?

Eine LED oder Leuchtdiode ist ein modernes Leuchtmittel und gilt als Zukunftsgarant im Bereich der Beleuchtungstechnik. Sie funktioniert wie ein Halbleiter und verfügt über eine einzige Durchlassrichtung für den Strom. Mit einer Diode können Infrarotstrahlen, Ultraviolettstrahlung und Licht erzeugt werden. Die normale Leuchtdiode wird mit 20 mA betrieben. Hochleistungs-LEDs benötigen eine größere Stromquelle und müssen zeitgleich eine erhöhte Wärmeableitung gewährleisten. Eine zu hohe Betriebstemperatur führt zu einer Verschlechterung der Leuchtkraft und verkürzt die Lebensdauer enorm. Hochleistungs-Leuchtdioden werden häufig für die Montage auf Kühlkörpern verwendet.

Bauweise

Die Drähte einer Diode werden als Kathode und Anode bezeichnet. Die Kathode gehört zum Minuspol der Diode und ist der kürzere der beiden Drähte. Demnach ist die Anode positiv und der längere Draht. Selten kommt es vor, dass die Bauweise der Drähte umgekehrt ist. Bedrahtete LEDs gehören zu den ersten vermarkteten Leuchtdioden. Meist besitzen sie einen leistungsschwachen Chip, weshalb sie oft zur Signalanzeige eingesetzt werden. Mehrere zusammengeschaltete bedrahtete Leuchtdioden werden in LED-Spots und anderen Leuchtmitteln verwendet, da immer bessere Halbleiter die Leistung der Chips begünstigen. Der Vorteil bedrahteter LEDs ist, dass eine geringe Wärmeabgabe besteht und das Verlöten sehr einfach ist. 

Ein LED hat unterschiedliche Linsenformen. Einige Varianten sind Flachkantlinsen, gewölbte, dreieckige, ovale Linsen und die Glockenformlinse. Jede Linse hat einen anderen Strahlungswinkel und Lichtausbeute. Zusätzlich kann zwischen getrübten und klaren Linsen gewählt werden. Standardisierte LED Linsen haben einen Durchmesser von 5 mm.

Eigenschaften

Leuchtdioden strahlen ein Licht aus, das nahezu monochromatisch ist. Deshalb eignen sich LEDs im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln besonders gut als Signallampen. Monochromatisches Licht beschreibt ein einfarbiges sichtbares Licht. Im Elektronikbereich bezeichnet es eine elektromagnetische Strahlung auf einer spezifischen Wellenlänge oder Frequenz.

Das Licht ist proportional zur Betriebstemperatur. Steigt die Temperatur, steigt die Lichtstärke an. Um eine klare Leuchtstärke zu bestimmen, ist eine Konstantstromquelle die beste Lösung. Standard-LEDs können einen Strom der Stärke zwischen 2 mA und 20 mA problemlos aufnehmen. In vielen Fällen genügt eine Leistung von 10 mA, um die Diode hell aufleuchten zu lassen. Eine Low-Current-LED hat die Eigenschaft, ab 2 mA zu leuchten. Die Leuchtkraft entspricht nicht derselben bei einem Betrieb von 20 mA. 

Hochleistungs-LEDs arbeiten bis 18 Ampere. Aufgrund des Halbleitermaterials und der Serienwiderstände können Spannungsabfälle bei LEDs beobachtet werden. Die Flussspannung UF hängt ebenfalls vom Material ab. Die Bezeichnung IF steht für den Durchflussstrom einer LED. Richtwerte für den Spannungsabfall sind:

Infrarot-LED: 1,2 – 1,8 V

Rote LED: 1,6 – 2,2 V

Gelbe, grüne LED: 1,9 – 2,5 V

Blaue, weiße LED: 2,7 – 3,5 V

UV-LED: 3,1 – 4,5 V

Leuchtdioden sind polungsabhängig und besitzen deshalb eine höchste zulässige Sperrspannung von 5 Volt. Eine höhere Sperrspannung kann bereits zum Ausfall der Leuchtdiode führen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Öffnungswinkel einer LED. Der Öffnungswinkel bestimmt die austretende Strahlungsleistung aus der Linse. Anders als andere Leuchtmittel kann aufgrund des Öffnungswinkels nur eine Teilfläche beleuchten werden. Straw-Hat-LEDs bezeichnen Leuchtdioden mit einer Linse für größere Öffnungswinkel.

Die Lebensdauer einer LED wird anhand des Lichtstroms bestimmt. Im Lebenszyklus nimmt die Lichtstärke stetig ab. Ein plötzlicher Ausfall kann in der Regel ausgeschlossen werden. Höhere Temperaturen verkürzen die Lebensdauer einer Diode.

Warum wird ein Vorwiderstand benötigt?

Das Anschließen einer Leuchtdiode an eine direkte Spannung ist zu vermeiden, da sie empfindlich auf zu hohen Durchflussstrom reagiert. Das Halbleitermaterial macht einen Vorwiderstand unverzichtbar. Der natürliche Widerstand eines Halbleiters sinkt bei Stromzufuhr gegen Null. Ohne einen Vorwiderstand würde die LED immer mehr Strom aufnehmen und als Resultat heißer werden. Zusätzlich verstärkt ein Temperaturanstieg die Eigenschaft des Halbleiters, bei Wärme noch mehr Strom zu leiten. Ein Kreislauf tritt ein, der nach geringer Leuchtzeit zur endgültigen Zerstörung der LED führt.

Der Vorwiderstand schwächt den Durchlaufstrom ab und ermöglicht somit einen reibungslosen Betrieb. In seltenen Fällen kann auf einen Vorwiderstand verzichtet werden. Spannungsquellen mit hochohmigen Innenwiderständen wirken wie ein Vorwiderstand für die Leuchtdiode. Jeder Vorwiderstand, der den Strom auf einen Wert von höchstens 20 mA begrenzt, eignet sich für den Einsatz mit einer Leuchtdiode.

Wofür werden LEDs verwendet?

In den frühen Entwicklungsjahren wurden Leuchtdioden oft in Infrarotsteuerungen und Lichtschranken eingesetzt. Seit der Markteinführung finden sie vermehrt Einsatz in Raumbeleuchtungen, Straßenbeleuchtungen, Taschenlampen, LED-Scheinwerfern, Blitzleuchten bei Smartphones und Kameras oder in LED-Strips. LED-Streifen werden für eine indirekte und nicht sichtbare Beleuchtung eingesetzt. Hochleistungs-LEDs finden zunehmend Anwendung in Verkehrsampeln und Fahrzeugleuchten. 

Welche Kaufkriterien erleichtern eine Auswahl der richtigen LED?

  1. Linsenform
    Die Linsenform ist für den Lichtaustrittswinkel zuständig. Je nachdem, welche Art der Beleuchtung benötigt wird, können ovale, dreieckige und gewölbte Linsen gewählt werden. Abgeflachte Flachkantlinsen sind ebenfalls verfügbar.

  2. Lichtstärke
    Die Lichtstärke wird in „mcd“ angegeben. Die Bezeichnung dient als physikalischer Indikator für die Helligkeit der LED. Einfacher: „mcd“ ist die Einheit, die bestimmt, wie gut das menschliche Auge das Licht aufnimmt. 1000 mcd entsprechen etwa der Helligkeit einer Kerze. Als Richtwert gilt

        • Kerzenlicht = 150 Watt = 15 Lumen
        • 1W-Leuchtdiode = 1W = 90 Lumen

  3. Abstrahlwinkel
    Der Durchmesser des Lichtkegels wird durch den Abstrahlwinkel beeinflusst. Je größer der Abstrahlwinkel, desto größer ist der Durchmesser des Lichtkegels. Für Wohnräume eignen sich Abstrahlwinkel von 120°. Für Flure oder ähnliche Wege reicht ein Abstrahlwinkel von 90°. Die Auswahl des richtigen Abstrahlwinkels hängt von Einsatzort und Anwendung ab.

4. Die Farbtemperatur
Die Farbtemperatur für Leuchtmittel wird in Kelvin angegeben. Für eine korrekte Auswahl der benötigten Lichtquelle sind Angaben zur Farbtemperatur unerlässlich. Lichtfarben nach DIN 5035 sind:

• Warmweiß:In Kelvin: unter 3300 K
• Neutralweiß:in Kelvin: 3300 – 5000 K
• Tageslichtweiß (Kaltweiß):in Kelvin: 5000 K

Fazit

Bedrahtete LEDs eignen sich besonders für den Einsatz als Signalgeber oder für die Beleuchtung einzelner Bereiche, zum Beispiel im Fahrzeugcockpit. Der Abstrahlwinkel in Kombination mit der Linsenform bestimmt die Grundleuchtreichweite einer LED. Häufig werden für Räumlichkeiten Abstrahlwinkel von 90° oder 120° eingesetzt. Kleine Abstrahlwinkel eignen sich für Signalleuchten, sollten aber nicht kleiner als 45° ausfallen. Der Vorwiderstand erhöht die Lebensdauer und kontrolliert die Stromzufuhr. Als Obergrenze darf der Widerstand nicht mehr als 20 mA an Strom durchlassen.

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