Surface Mount LEDs (SMD LEDs) funktionieren, indem ein elektrischer Strom durch einen Halbleiterchip geleitet wird, der durch Elektrolumineszenz Licht aussendet. Diese kompakten LEDs werden direkt auf Leiterplatten gelötet, mit typischen Betriebsspannungen zwischen $2\text{V und }3.5\text{V}$ und Strömen um $20\text{mA}$. Der Chip ist in einem Kunststoffgehäuse mit einer Phosphorbeschichtung (für weiße LEDs) eingeschlossen und reflektiert Licht effizient, wobei er eine Helligkeit von bis zu $100\text{ Lumen pro Watt}$ bietet. Ihre geringe Größe (z.B. $3.5\text{mm} \times 2.8\text{mm}$ für eine $5050\text{ SMD}$) und geringe Wärmeabgabe machen sie ideal für moderne Elektronik.
Grundlegender LED-Aufbau
Eine typische SMD-LED misst zwischen $1.6\text{mm} \times 0.8\text{mm}$ (Größe 0603) und $5.0\text{mm} \times 5.0\text{mm}$ (Größe 5050), wobei die Helligkeit je nach Modell zwischen $3\text{ und }150\text{ Lumen}$ liegt. Im Inneren wandelt ein Halbleiterchip (meist aus Galliumnitrid oder ähnlichen Materialien) Elektrizität mit einer Effizienz von $80\text{ bis }200\text{ Lumen pro Watt}$ in Licht um, was weit besser ist als bei alten Glühlampen.
Der Kern einer SMD-LED besteht aus drei Hauptteilen:
Der Die ist die eigentliche lichtemittierende Komponente, typischerweise $0.2\text{mm bis }1.0\text{mm}$ breit, montiert auf einer reflektierenden Keramik- oder Metallbasis. Wenn Strom durch ihn fließt, springen Elektronen über eine Lücke und setzen Energie als Licht frei – ein Prozess, der als Elektrolumineszenz bezeichnet wird. Bei weißen LEDs wandelt eine gelbe Phosphorschicht einen Teil des blauen Lichts in wärmere Töne um und erreicht eine Farbtemperatur zwischen $2700\text{K}$ (Warmweiß) und $6500\text{K}$ (Kaltweiß).
Einige SMD-LEDs haben einen $120\text{-Grad-Betrachtungswinkel}$, was sie für eine breite Beleuchtung geeignet macht, während andere Licht in einem engeren $30\text{-Grad-Strahl}$ für Spotbeleuchtung bündeln. Die Wärmeableitung ist entscheidend – schlechtes Wärmemanagement kann die $50,000\text{-Stunden-Lebensdauer}$ einer LED halbieren. Deshalb verwenden Hochleistungs-SMD-LEDs oft Kupfer- oder Aluminiumsubstrate, um die Wärme vom Die wegzuleiten.
Ein wesentlicher Vorteil von SMD-LEDs ist ihre niedrige Betriebsspannung – die meisten arbeiten zwischen $2.8\text{V und }3.4\text{V}$ bei Strömen von $20\text{mA bis }350\text{mA}$. Das macht sie energieeffizient und verbraucht 60–80% weniger Strom als ältere Beleuchtungstechnologien. Ihre geringe Größe ermöglicht auch Layouts mit hoher Dichte; eine einzelne Leiterplatte kann Hunderte von LEDs pro Quadratzoll aufnehmen, was ultradünne Displays und helle, gleichmäßige Hintergrundbeleuchtungen ermöglicht.
| Komponente | Material/Größe | Hauptfunktion |
|---|---|---|
| Halbleiter-Die | Galliumnitrid ($0.2-1.0\text{mm}$) | Wandelt Elektrizität in Licht um |
| Phosphorbeschichtung | YAG:Ce (für weiße LEDs) | Passt die Farbtemperatur an |
| Einkapselung | Epoxid/Silikon | Schützt den Die, steuert die Lichtstreuung |
| Substrat | Keramik/Aluminium | Leitet Wärme ab, verbessert die Langlebigkeit |
Im Gegensatz zu älteren LEDs sind SMD-Versionen nicht auf sperrige Kunststoffkuppeln angewiesen. Stattdessen ermöglicht ihr flaches Design das direkte Löten auf PCBs, wodurch die Montagekosten um 15–30% im Vergleich zu Through-Hole-LEDs gesenkt werden. Einige fortschrittliche Modelle integrieren sogar mehrere Dies (RGB oder Weiß) in einem einzigen Gehäuse und ermöglichen so Vollfarbdisplays ohne zusätzliche Verkabelung.
Wie Strom Licht erzeugt
Im Gegensatz zu altmodischen Glühlampen, die 90% ihrer Energie als Wärme verschwenden, wandeln LEDs bis zu 50% der elektrischen Energie in sichtbares Licht um, was sie weitaus effizienter macht. Dies geschieht in einem winzigen Halbleiterchip, der typischerweise aus Materialien wie Galliumnitrid ($\text{GaN}$) oder Indiumgalliumnitrid ($\text{InGaN}$) besteht, wo Elektronen und „Löcher“ (fehlende Elektronen) kollidieren, um Photonen freizusetzen – die grundlegenden Lichtteilchen.
Wenn Sie eine Spannung zwischen $2\text{V und }3.5\text{V}$ an eine LED anlegen, springen Elektronen von der negativen Seite (n-leitender Halbleiter) zur positiven Seite (p-leitender Halbleiter). Die Energielücke zwischen diesen Schichten bestimmt die Farbe des Lichts. Zum Beispiel erzeugt ein $2.1\text{V}$-Abfall typischerweise rotes Licht, während $3.2\text{V}$ blau ergeben. Weiße LEDs tricksen ein wenig – sie beginnen mit blauem Licht (um die $450\text{nm}$ Wellenlänge) und leiten es durch eine gelbe Phosphorbeschichtung, wodurch die beiden gemischt werden, um Weiß zu erzeugen. Die genaue Zusammensetzung des Phosphors passt die Farbtemperatur an, die von $2700\text{K}$ (Warmweiß) bis $6500\text{K}$ (Tageslicht) reicht.
Premium-LEDs auf $\text{GaN}$-Basis können $200\text{ Lumen pro Watt}$ erreichen, während billigere möglicherweise nur $80\text{ lm}/\text{W}$ schaffen. Wärme ist hier der Feind – für jeden $10^\circ\text{C}$-Anstieg der Sperrschichttemperatur sinkt die Helligkeit der LED um 2–5% und die Lebensdauer schrumpft um 15–20%. Deshalb verwenden Hochleistungs-LEDs Materialien wie Saphir- oder Siliziumkarbidsubstrate, die Wärme $3\text{x}$ besser leiten als Standard-Epoxidharz.
Die Stromsteuerung ist entscheidend. Bei zu wenig Strom (unter $10\text{mA}$) bleibt die LED dunkel; bei zu viel (über $350\text{mA}$ für kleine SMDs) brennt sie schnell durch. Die meisten LEDs arbeiten optimal bei $20-150\text{mA}$, wobei die Durchlassspannung je nach Farbe variiert:
- Rot/Orange/Gelb: $1.8-2.2\text{V}$
- Grün/Blau/Weiß: $2.8-3.4\text{V}$
Durch das Ein- und Ausschalten des Stroms Tausende Male pro Sekunde (z.B. $1\text{kHz-Frequenz}$) erscheint die LED bei einem 30%igen Tastverhältnis dunkler, behält aber denselben Farbton bei. Dies vermeidet die Farbverschiebung, die durch analoges Dimmen verursacht wird, bei dem eine Reduzierung des Stroms blaue LEDs leicht violett färben kann.
Interessanterweise entkommen nicht alle Photonen der LED. Aufgrund interner Reflexionen werden 20–30% des Lichts im Chip eingeschlossen. High-End-LEDs bekämpfen dies mit Mikrolinsenanordnungen oder texturierten Oberflächen, die die Lichtextraktion um 15–40% steigern. Andere verwenden Flip-Chip-Designs, bei denen die lichtemittierende Schicht näher am Substrat sitzt, wodurch Verluste durch Bonddrähte reduziert werden.
Das Ergebnis? Eine Technologie, die die Beleuchtung revolutioniert hat. Eine einzelne $3\text{W}$-SMD-LED kann eine $40\text{W}$-Glühlampe ersetzen, hält $25\text{x}$ länger ($50,000\text{ vs. }2,000\text{ Stunden}$) und verbraucht 85% weniger Energie. Als Nächstes werden wir SMD-LEDs mit ihren sperrigeren Vorgängern vergleichen – und warum die kleinen, flachen Quadrate gewonnen haben.
SMD vs. traditionelle LEDs
Helligkeit & Effizienz
- Traditionelle LEDs (z.B. $5\text{mm}$ rund):
- Leistung: $2-5\text{ Lumen bei }20\text{mA}$
- Betrachtungswinkel: $30-60^\circ$
- Effizienz: $80-100\text{ lm}/\text{W}$
- SMD-LEDs (z.B. $5050\text{ Größe}$):
- Leistung: $15-20\text{ Lumen bei }20\text{mA}$ ($3-4\text{x}$ heller)
- Betrachtungswinkel: $120^\circ$ (breitere Abdeckung)
- Effizienz: Bis zu $200\text{ lm}/\text{W}$ ($2\text{x}$ effizienter)
Größe & Designflexibilität
- Traditionelle LEDs:
- Sperrig ($5\text{mm}$ Durchmesser $\times 8\text{mm}$ Höhe)
- Erfordert $\ge 10\text{mm}$ Abstand auf PCBs
- Beispiel: Eine Smartphone-Hintergrundbeleuchtung benötigte $30$ Durchsteck-LEDs
- SMD-LEDs:
- Kompakt (z.B. $3.5\text{mm} \times 2.8\text{mm}$)
- 60–80% kleinerer PCB-Platzbedarf
- Dieselbe Smartphone-Hintergrundbeleuchtung verwendet jetzt nur $10\text{ SMDs}$
Thermische Leistung & Lebensdauer
- Traditionelle LEDs:
- Epoxid-Gehäuse speichern Wärme $\to 100^\circ\text{C}$ bei $50\text{mA}$
- Lebensdauer sinkt um 50% im realen Einsatz
- Bewertet mit $50,000\text{ Stunden}$ (aber oft $25,000\text{ Stunden}$ in der Praxis)
- SMD-LEDs:
- Direkte Die-zu-Metall-Verbindung $\to 20-30^\circ\text{C}$ kühler
- Hochleistungsvarianten bewältigen $700\text{mA}$ kontinuierlich
- Behalten $50,000+$ Stunden bei, selbst bei hohen Strömen
Kosten & Fertigung
- Stückkosten:
- Traditionell: $0.02-0.05$
- SMD: $0.03-0.08$ (etwas höher)
- Montageeinsparungen:
- Traditionell: Manuelles/Wellenlöten ($0.10-0.15$ pro LED)
- SMD: Automatisches Bestücken und Platzieren ($0.01-0.03$ pro LED)
- Spart $800-1,200$ pro $10,000$ Einheiten
- Bruchraten:
- Traditionell: 15–20% (Beschädigung der Anschlüsse während der Handhabung)
- SMD: Nahe 0% (flach, keine zerbrechlichen Anschlüsse)
Farbkonsistenz & Zuverlässigkeit
- Traditionelle LEDs:
- $20-30\text{nm}$ Wellenlängenschwankung (sichtbare Farbunterschiede)
- Schlechte Farbabstimmung (erfüllt selten medizinische/$CRI \gt 95$-Anforderungen)
- SMD-LEDs:
- $5-10\text{nm}$ Toleranz (automatisierte Phosphorbeschichtung)
- 90% innerhalb der $3\text{-Step MacAdam-Ellipse}$ (präzise Farbgleichmäßigkeit)
Haltbarkeit (thermische und Vibrationsbeständigkeit)
- Traditionelle LEDs:
- 12–15% Ausfallrate nach $1,000\text{ thermischen Zyklen}$ ($-40^\circ\text{C}$ bis $+85^\circ\text{C}$)
- Versagen bei $20\text{G}$ Vibration (Ermüdung der Anschlüsse)
- SMD-LEDs:
- $\lt 3\%$ Ausfallrate unter denselben Bedingungen
- Widersteht $50\text{G}$ Vibration für $100+$ Stunden
Einsparungen in der Praxis
- Beispiel Straßenlaterne:
- SMDs sparen $500\text{ kWh}/\text{Jahr}$ pro Leuchte (gegenüber traditionellen)
- 20–30% höhere Anschaffungskosten amortisieren sich in $\lt 18\text{ Monaten}$
- Indikator-Verwendung:
- SMD-Lebensdauer: $3-5\text{ Jahre}$
- Traditionelle Lebensdauer: $1-2\text{ Jahre}$ (bei $50\text{mA}$ kontinuierlich)
Warum SMD dominiert (90% der modernen Beleuchtung)
✔ Kleiner, heller, effizienter
✔ Längere Lebensdauer & besseres Wärmemanagement
✔ Niedrigere Montagekosten & höhere Zuverlässigkeit
✔ Überlegene Farbkonsistenz
✔ Nachgewiesener ROI im gewerblichen/industriellen Einsatz
—
Gängige Größen und Spezifikationen
Die Namenskonvention ist einfach:
- $2835\text{ LED}$ = $2.8\text{mm} \times 3.5\text{mm}$
- $5050\text{ LED}$ = $5.0\text{mm} \times 5.0\text{mm}$
Aber die Abmessungen allein definieren nicht die Leistung.
Kleine LEDs (Anzeigen & Hintergrundbeleuchtung)
- $0402\text{ LEDs}$ ($0.4\text{mm} \times 0.2\text{mm}$)
- Strom: $10-15\text{mA}$
- Leistung: $2-3\text{ Lumen}$
- Verwendung: Statusanzeigen für Smartphones ($< 1\text{mm}^2$ Platz)
- $1608\text{ LEDs}$ ($1.6\text{mm} \times 0.8\text{mm}$)
- Strom: $20\text{mA}$
- Leistung: $5-8\text{ Lumen}$
- Verwendung: Hintergrundbeleuchtung für Smartwatches
Mittlere LEDs (Allgemeinbeleuchtung)
- $2835\text{ & }5050\text{ LEDs}$
- Leistung: $20-50\text{ Lumen}$
- Strom: $60-150\text{mA}$
- Betrachtungswinkel: $120^\circ$
- Hochleistungsvarianten: $300-700\text{mA}$ (erfordert Kühlung)
Farb- & Spannungsvariationen
- Warmweiß ($2700-3000\text{K}$): $5-10\%$ geringere Leistung als Kaltweiß ($5000-6500\text{K}$) aufgrund von Phosphorverlusten.
- RGB $5050\text{ LEDs}$:
- Enthält 3 Dies (Rot: $620-625\text{nm}$, Grün: $520-525\text{nm}$, Blau: $465-470\text{nm}$)
- Einzelleistung: $7-10\text{ Lumen pro Farbe}$
- Kombiniertes weißes Licht: $500-800\text{mcd}$
- Durchlassspannungsunterschiede:
- $2835\text{ Warmweiß}$: $2.8-3.2\text{V}$
- $3528\text{ Blau}$: $3.0-3.4\text{V}$
- Reihen- vs. Parallelschaltungsaspekte:
- $10 \times 3\text{V-LEDs}$ in Reihe $\to 30\text{V-Treiber}$ erforderlich
- Parallelschaltungen $\to$ Präzise Stromregelung erforderlich
Thermische & Effizienzfaktoren
- $5630\text{ Gehäuse}$ ($5.6\text{mm} \times 3.0\text{mm}$)
- Läuft $15-20^\circ\text{C}$ kühler als $3528$ bei $150\text{mA}$
- $10-15\%$ längere Lebensdauer aufgrund besserer Wärmeableitung
- Helligkeits-Bins sind wichtig:
- Top-Bin $3014\text{ LED}$ ($3.0\text{mm} \times 1.4\text{mm}$): $12\text{ Lumen bei }30\text{mA}$
- Standard-Bin: $9\text{ Lumen bei }30\text{mA}$ ($25\%$ Unterschied)
- Wirkt sich darauf aus, wie viele LEDs eine Leuchte benötigt
Lebensdauer & Leistung in der Praxis
- Bewertet mit $50,000\text{ Stunden}$ (bei $25^\circ\text{C}$ mit ordnungsgemäßer Stromregelung)
- In der Praxis ($85^\circ\text{C}$ Umgebung): $\sim 30,000\text{ Stunden}$
- $7030\text{ Gehäuse}$ ($7.0\text{mm} \times 3.0\text{mm}$) – Keramiksubstrate behalten 90% Leistung nach $60,000\text{ Stunden}$ bei, selbst bei $105^\circ\text{C}$
Micro-LEDs (Displays der nächsten Generation)
- Größe: $< 0.1\text{mm}^2$
- Strom: $1-5\text{mA}$
- Helligkeit: $5,000-10,000\text{ Nits}$ (im Freien lesbar)
- Dichte: $500+\text{ LEDs}/\text{cm}^2$ (ermöglicht $4\text{K}$ auf Smartphone-Bildschirmen)
- Kosten: 30–50% höher als Standard-SMD-Montage
Wichtigste Erkenntnisse
- Größe beeinflusst die thermische Leistung & Helligkeit
- Spannungs- & Stromanforderungen variieren je nach Farbe & Gehäuse
- Hochleistungs-LEDs benötigen Kühlung
- Bin-Klassen beeinflussen die tatsächliche Lichtleistung
- Die Lebensdauer sinkt in Umgebungen mit hohen Temperaturen
- Micro-LEDs ermöglichen ultrahochauflösende Displays, kosten aber mehr
—
Typische Schaltungsanschlüsse
Der Unterschied zwischen korrekter und falscher Ansteuerung kann $50,000\text{ Stunden}$ gegenüber $5,000\text{ Stunden}$ Betriebslebensdauer bedeuten.
Für eine $3\text{V-Weiß-LED}$ bei $20\text{mA}$ an einer $5\text{V}$-Versorgung benötigen Sie einen $(5\text{V} – 3\text{V}) / 0.02\text{A} = 100\text{ Ohm}$-Widerstand, der $0.04\text{W}$ ableitet. Dies funktioniert für Indikatoren mit niedrigem Strom, wird aber bei höherer Leistung ineffizient – eine $150\text{mA-LED}$ verschwendet $0.45\text{W}$ als Wärme, was die Effizienz unter 70% senkt. Deshalb ersetzen Konstantstromtreiber Widerstände bei Lasten über $100\text{mA}$.
Schaltregler lösen Effizienzprobleme. Ein Abwärtswandler, der zehn $3\text{V-LEDs}$ in Reihe mit $24\text{V}$ ansteuert, erreicht 90–95% Effizienz, indem er nur die benötigten $30\text{V}$ liefert. Diese halten 1–3% Stromabweichung trotz Eingabeschwankungen ($20\text{V bis }30\text{V}$) aufrecht, was für Automobil- oder batteriebetriebene Anwendungen entscheidend ist. Die Mean Well LDD-Serie ($350\text{mA-Treiber}$, $1.50-2.00$) amortisiert sich in $6-12\text{ Monaten}$ durch Energieeinsparungen im Vergleich zu Widerstandsschaltungen.
Sogar LEDs aus derselben Charge zeigen 5–10% Durchlassspannungsschwankungen. Das Parallelschalten von fünf $3\text{V-LEDs}$ an $3.3\text{V}$ ohne Widerstände führt zu einer Stromüberlastung – eine LED zieht möglicherweise $120\text{mA}$, während andere $80\text{mA}$ erhalten, was zu ungleichmäßiger Helligkeit und beschleunigtem Verschleiß führt. Lösungen:
- Einzelne Widerstände (z.B. $22\text{ Ohm}$ für $20\text{mA-LEDs}$)
- Mehrkanal-Treiber (z.B. TI TLC5916), die jeden Zweig unabhängig regeln.
Das Pulsen einer $500\text{mA-LED}$ bei $1\text{kHz}$ ($30\%$ Tastverhältnis) erreicht einen durchschnittlichen Strom von $150\text{mA}$ ohne Farbverschiebung. High-End-Treiber wie der AL8805 unterstützen $25\text{kHz-PWM}$, wodurch Flimmern eliminiert und gleichzeitig 0–100% Dimmung ermöglicht wird. Der Kompromiss? PWM-Schaltungen erhöhen die Stückliste um $0.30-0.50$, ermöglichen aber Funktionen wie sanfte Sonnenaufgangseffekte in Smart Lighting.
Eine $3\text{W-LED}$ ($700\text{mA}$ bei $3.4\text{V}$) erzeugt $2.4\text{W}$ Wärme, was $1\text{ Quadratzoll}$ von $2\text{oz}$ Kupfer pro Watt für passive Kühlung erfordert. Bei unzureichender Kühlung steigt die Sperrschichttemperatur von $25^\circ\text{C}$ auf $85^\circ\text{C}$, wodurch die Durchlassspannung um $0.1\text{V}$ sinkt – was den Strom um 15–20% erhöht und die Widerstandsberechnungen verzerrt. Thermische Foldback-Schaltungen mildern dies, indem sie den Strom reduzieren, wenn die Kühlung fehlschlägt.
Ein $5\text{-Meter-12\text{V}}$-Streifen mit $50\text{ LEDs}$ leidet unter Spannungsabfall – die erste LED erhält $12.0\text{V}$, die letzte $10.4\text{V}$, wodurch ein $20\%$-Helligkeitsgradient entsteht. Lösungen:
- Höhere Spannung ($24\text{V oder }48\text{V}$)
- Stromeinspeisung alle $5\text{ Meter}$ ($18\text{AWG-Kabel}$), um den Spannungsabfall unter 5% zu halten.
