Ratgeber
Sie sind klein, preiswert, werden milliardenfach produziert und sind in den meisten Fällen unverzichtbar: direkt auf der Platine montierte Leuchtdioden. Sie dienen sowohl als optische Signalgeber oder – mit erheblich größerer Leistung – als unmittelbare Lichtquelle, beispielsweise als LED-Lampen.
In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen Typen, Bauformen und Funktionen von SMD-LED-Bauelementen vor und geben Tipps für die Beschaffung.
SMD-LEDs gehören zu den kleinsten Lichtquellen in der LED-Technik. Die Abkürzung SMD steht für Surface Mounted Device, also für ein auf der Platinenoberfläche montiertes Bauteil. Statt über Drahtverbindungen werden diese speziellen Leuchtdioden mit ihren Anschlussflächen überwiegend direkt auf die Platine gelötet. Das Gehäuse dient dabei häufig als Kühlelement.
Es gibt Varianten mit diffuser oder wasserklarer Linse, mit langen Anschlussdrähten sowie SMD-LED-Module mit mehreren LEDs. Die Leuchtdioden dieser Module basieren im Allgemeinen auf unterschiedlichen Leuchtstoffen und können wahlweise weißes oder farbiges Licht emittieren.
SMD-LEDs werden in der Regel von Maschinen wie präzisen Bestückungs- und Lötrobotern montiert und sind im Vergleich zu normalen LEDs mit radialen Anschlussdrähten schwieriger von Hand zu löten.
Wie jede Diode sind auch SMD-Typen P-N-Sperrschichtdioden. In Durchlassrichtung betrieben, emittieren sie allerdings Licht anstelle der von einer normalen Diode erzeugten Wärme.
Ist der P-N-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt, verbinden sich einige der P-Löcher mit den Elektronen des N-Bereichs und einige der Elektronen aus dem N-Bereich mit den Löchern aus dem P-Bereich. Jede Rekombination strahlt Licht beziehungsweise Photonen ab.
LEDs besitzen generell eine Polarität und funktionieren daher nicht, wenn sie an umgekehrter Spannung angeschlossen sind.
1 Platine
2 Kühlkörper
3 Phosphorschicht
4 Optik
5 LED-Chip
6 Bond Draht
Die Platine (1) ist die Grundplatte, auf welche die Bestandteile der Leuchtdiode (4/5) direkt aufgelötet sind. Der LED-Chip (5) dient zur Steuerung des Leuchtverhaltens. Die Optik (4), ein Kristall, bildet die Außenhülle der Lampe, darin sind manchmal Brechungswinkel zur Vergrößerung des Lichtkegels und Farbtönungen integriert.
Damit die Miniatur-LED nicht überhitzt und dadurch funktionalen Schaden davonträgt, sorgt ein passiver Kühlkörper (2) für die Ableitung von Wärme, die im Leuchtbetrieb entsteht. Zusätzlich führt ein Bond-Draht (6) am LED-Chip die Wärme ab, die durchfließender Strom verursacht und die sich sonst in der Diode ansammeln würde.
Tipp: Überhitzungsgefahr ist der größte Feind aller elektronischen Miniatur-Bauteile, so auch der Mini-Dioden im SMD-Format. Die Lämpchen sollten daher nie neben wärmeführenden Bauteilen platziert werden.
Es gibt viele verschiedene Arten von SMD-LEDs, zahlreiche Bauformen sind durch eine Reihe von Nummern identifizierbar, die ihre Größe und die zugehörige Helligkeitsstufe definieren. Die LED-Identifikationsnummer entspricht in der Regel der Größe des SMD-Chips selbst, ausgedrückt in Zehntelmillimetern. So ist zum Beispiel der Typ 5730 einer SMD-LED 5,7 Millimeter lang und 3,0 Millimeter breit.
Zu den Haupttypen zählt die 3528er-Ausführung, sie ist das am häufigsten eingesetzte SMD-LED-Bauelement. Sie kam als eine der ersten SMD-Leuchtdioden auf den Markt, bietet aber selbst in der weißen Ausführung nur eine Helligkeit von kaum mehr als 3.000 Millicandela. Farbige LEDs liegen sogar noch unter 500 Millicandela.
Zum Verständnis: Eine normale Haushaltskerze verfügt über eine Lichtstärke von 1.000 Millicandela beziehungsweise einem Candela. Warmweiße 5050-SMD-LEDs zum Beispiel können dagegen mit einer Helligkeit von bis zu 7.000 Millicandela aufwarten. Diese Modelle gehören zu den ersten Chips mit höherer Leistung und eignen sich sehr gut für allgemeine Beleuchtungszwecke oder als Signallampen für helle Umgebungen.
Moderne SMD-LEDs wie die Typen 5630 und 5730 bieten eine warm- oder kaltweiße Helligkeit von bis zu 12.000 Millicandela bei geringem Stromverbrauch. Sie eignen sich daher für den Einsatz in Bereichen, in denen eine hohe Lichtausbeute erforderlich ist.
Die SMD-LEDs 2835 und 3014 schließlich besitzen die längste Lebensdauer und bieten Helligkeiten bis zu 4.500 Millicandela. Dieser Typ wird recht häufig in LED-Streifen sowohl für Beleuchtungs- als auch für reine Dekorationszwecke verwendet. Die hellsten SMD-LEDs erreichen Lichtstärken von 36.000 Millicandela und mehr.
SMD-LEDs werden überwiegend in SMD-Bestückungsautomaten mit integrierter Reflow-Lötstation verarbeitet. Die einzelnen Teile sind dafür auf langen Gurten oder auch Tapes mit einigen Tausend Exemplaren in festgelegten Abständen aufgebracht.
Die Bauteile werden der Maschine nach und nach in hoher Geschwindigkeit zugeführt. Für Produktentwicklungen, den Prototypenbau oder für Kleinserien sind solche Roboter natürlich überdimensioniert. Im Handel stehen deshalb – neben einzelnen SMD-Bauteilen als sogenannte Tape Cuts – auch Bulk-Verpackungen zur Verfügung. Eine gängige Größenordnung sind hier 100 SMD-LEDs, die sich einzeln von kurzen Gurtstücken abnehmen lassen.
Neben der Verpackungsart spielen natürlich auch die technischen Daten eine wichtige Rolle. Erleichtert wird die Auswahl, wenn die Identifikationsnummer der LED bekannt ist.
Ansonsten gelten die typischen Kriterien für LEDs wie Baugröße, Stromaufnahme. Spannungsversorgung, Farbe, Lichtstärke und Abstrahlwinkel.
Gibt es auch mehrfarbige SMD-LEDs?
Ja, in diesen SMD-LEDs sind drei oder vier Leuchtstoff-Elemente in einem Gehäuse vereint. Dreifarbige Typen emittieren die additiven Grundfarben Rot, Grün und Blau, damit lassen sich durch differenzierte Helligkeiten der einzelnen Elemente theoretisch sämtliche sichtbaren Lichtfarben erzeugen. Vierfarbige SMDs enthalten zusätzlich noch eine weiße oder sogar eine UV-Lichtquelle. Letztere sorgt für eine Strahlung, die nahezu dem normalen Tageslicht bei freiem Himmel entspricht.
Welche Rolle spielt der Abstrahlwinkel?
Bezeichnet wird damit die trichterartige Ausbreitung des Lichts, die auch in die Berechnung der Lichtstärke berücksichtigt wird. In der Praxis heißt das: Je enger der Winkel, desto höher ist die Lichtstärke. Die weitaus meisten SMDs besitzen einen Abstrahlwinkel von 120 Grad, es gibt aber auch Typen mit 15 Grad und 170 Grad. Enge Winkel entstehen üblicherweise durch die Form der über dem Leuchtstoff platzierten Linse.
Was ist bei der Stromversorgung einer SMD-LED zu beachten?
Wie alle Dioden reagieren auch LEDs für die SMD-Montage ausgesprochen negativ auf zu hohe Spannungen. Für den Betrieb eignet sich daher am besten eine Konstantstromquelle mit exakt der zum LED-Modell passenden Spannungsversorgung. Lässt sich diese nicht realisieren, ist ein Vorschaltwiderstand notwendig.
Wenn eine rote oder gelbe LED durch eine blaue LED ersetzt werden soll, ist dann auch der Vorschaltwiderstand zu ersetzen?
Ja, sonst wird die blaue LED nicht sehr hell leuchten. Blaue, grüne und weiße LEDs benötigen etwa 3,2 Volt Spannung, rote und gelbe LEDs etwa 2,0 Volt. Es ist zunächst hilfreich, mit einem Multimeter die auf der Platine zur Verfügung stehende Spannung zu prüfen und dann den entsprechenden Widerstand zu wählen.
Stehen beispielsweise auf der Platine 5 Volt zur Verfügung, wurde die bisher montierte rote oder gelbe LED mit ihren 20 Milliampere Stromaufnahme über einen 150-Ohm-Widerstand versorgt. Die blaue LED benötigt aber 3,2 Volt, das heißt, der Vorschaltwiderstand sollte nur bei etwa 90 Ohm liegen.