Eine LED ist eine Diode
LED heisst light emitting diode — lichtaussendende Diode. Zwei Eigenschaften folgen daraus, und beide sind wichtig.
Erstens: Sie ist gepolt. Strom fliesst nur in einer Richtung. Der Anschluss, in den der Strom hineinfliesst, heisst Anode (Plusseite), der andere Kathode (Minusseite). Falsch herum eingebaut bleibt die LED einfach dunkel — kaputt geht sie dabei in üblichen Schaltungen nicht.
Am Bauteil erkennst du die Kathode an zwei Merkmalen: Sie hat das kürzere Beinchen, und das Gehäuse ist an ihrer Seite abgeflacht.
Zweitens: Sie hält sich nicht an das ohmsche Gesetz. Und das ist der Punkt, um den es in diesem Modul geht.
Die Kennlinie
Aufgetragen ist der Strom durch eine rote LED über der Spannung an ihr. Der Verlauf hat nichts mit einer Geraden zu tun:
- Bis etwa 1.6 V fliesst praktisch nichts. Die LED leuchtet nicht, sie sperrt.
- Dann kommt ein Knick, und die Kurve geht fast senkrecht nach oben.
- Bei 2.0 V fliessen 10 mA. Bei 2.1 V — nur ein Zehntel Volt mehr — sind es schon 22 mA.
Diese Spannung am Knick heisst Durchlassspannung oder Flussspannung, geschrieben U(F) (von forward). Sie ist eine Eigenschaft des Halbleitermaterials und hängt vor allem von der Farbe ab:
| Farbe | U(F) typisch |
|---|---|
| Rot | 1.8 … 2.2 V |
| Gelb, Grün | 2.0 … 2.4 V |
| Blau, Weiss | 2.8 … 3.4 V |
Eine LED „hält" diese Spannung annähernd fest, fast unabhängig davon, wie viel Strom fliesst. Das ist der Grund, warum man mit ihr keinen Strom einstellen kann.
Blaue und weisse LEDs an 3.3 V
Rechne kurz nach: Eine weisse LED mit U(F) = 3.2 V an einem 3.3-V-Pin lässt nur 0.1 V für den Vorwiderstand übrig.
Das ist zu wenig, um irgendetwas verlässlich zu begrenzen — und weil U(F) von Exemplar zu Exemplar und mit der Temperatur schwankt, wird die Helligkeit unberechenbar. Bei blauen und weissen LEDs am ESP32 nimmst du deshalb entweder die 5-V-Schiene (nicht den Pin!) mit einem Transistor als Schalter, oder gleich eine rote oder grüne LED.
Was ohne Vorwiderstand passiert
Hier hängt die LED direkt am GPIO-Pin. Geh die Kennlinie noch einmal durch, dann siehst du, warum das schiefgeht:
Der Pin will 3.3 V ausgeben. Die LED will bei 2.0 V bleiben. Diese beiden Forderungen sind unvereinbar — und nichts im Kreis kann vermitteln, weil kein Widerstand da ist, über dem die übrigen 1.3 V abfallen könnten.
Was tatsächlich passiert: Der Strom steigt, bis der Innenwiderstand des Ausgangstreibers ihn begrenzt. Das sind je nach Chip einige Dutzend Ohm — also ein Strom weit über den erlaubten 40 mA.
Zwei Dinge nehmen dabei Schaden: die LED und der Ausgangstreiber im Chip. Und der zweite Punkt ist der tückische — der Pin stirbt selten sofort. Er wird schwächer, wird bei Erwärmung unzuverlässig, und fällt Wochen später aus, wenn niemand mehr an die LED denkt.
Die Merkregel
Zu jeder LED gehört ein Bauteil, das den Strom begrenzt — ausnahmslos.
Dass es „auch ohne kurz funktioniert hat", ist kein Gegenbeweis. Es heisst nur, dass der Schaden noch nicht sichtbar ist.
(Fertige LED-Module und LED-Streifen haben den Widerstand oft schon eingebaut. Wenn du auf der Platine einen kleinen Widerstand neben der LED siehst, ist er da. Im Zweifel: Datenblatt lesen oder messen.)
Kurze Selbstkontrolle
Zählt nicht — nur zum Prüfen, ob es angekommen ist.
1.Was bedeutet die Durchlassspannung U(F) einer LED?
2.Eine LED wird direkt an einen 3.3-V-GPIO gehängt. Was begrenzt den Strom?