Licht aus Strom: Glühdraht und LED aus Altgeräten

Zwei Wege zum Licht: heißer Draht und Halbleiter

Elektrisches Licht entsteht auf zwei grundverschiedene Arten. Bei der Glühlampe heizt der Strom einen dünnen Draht so stark auf, dass er leuchtet – sie ist ein Temperaturstrahler, wie ein glühendes Stück Eisen in der Esse. Bei der Leuchtdiode, kurz LED, entsteht das Licht in einem Halbleiter, ohne dass dafür etwas glühen muss.

Der Unterschied entscheidet darüber, wie lange ein Energievorrat Licht gibt. Er entscheidet auch, wie du die Lampe anschließen musst. Eine Glühlampe ist gutmütig und verzeiht fast alles, eine LED braucht etwas Rechnung.

Wo der Strom herkommt, steht in anderen Artikeln der Reihe: Wie viel Energie eine Autobatterie hergibt und wie du sie schonst, erklärt „Die 12-Volt-Welt: Autobatterie und Kleinspannung“. Wie ein Fahrraddynamo Strom erzeugt, steht in „Motor als Generator: Strom aus dem Fahrraddynamo“. Hier geht es um das andere Ende der Leitung: die Lampe.

Die Glühlampe: ein Draht, der vor allem heizt

LEIFIphysik, das Physikportal des FWU Instituts für Film und Bild, beschreibt den Aufbau so: Die Glühwendel, meist ein gewickelter Wolframdraht, wird vom Strom auf 2.500 bis 3.000 °C erhitzt. Damit sie nicht verbrennt, sitzt sie in einem Glaskolben mit einem Gemisch aus Edelgas und Stickstoff. Käme Luftsauerstoff an den glühenden Draht, würde er in kurzer Zeit oxidieren – er brennt durch.

Der Haken ist der Wirkungsgrad. Nach LEIFIphysik werden nur etwa 5 Prozent der zugeführten elektrischen Leistung zu Licht, die restlichen 95 Prozent erwärmen die Umgebung. Die Lichtausbeute liegt je nach Bauart bei etwa 8 bis 20 Lumen pro Watt. Lumen ist die Einheit des Lichtstroms, also dessen, was du als Helligkeit wahrnimmst.

Dafür hat die Glühlampe Eigenschaften, die ohne Netz viel wert sind. Sie hat keine Polung und leuchtet an Gleich- wie an Wechselspannung. Und sie begrenzt ihren Strom zum Teil selbst: Beim Einschalten ist der Draht kalt und lässt viel Strom durch, mit der Hitze steigt sein Widerstand, und der Strom sinkt deutlich. Eine Glühlampe für 12 Volt – etwa aus einem Auto – brennt deshalb direkt an einer 12-Volt-Batterie, ohne weitere Bauteile.

LEIFIphysik zeigt noch etwas Nützliches: Schon eine leicht verringerte Betriebsspannung macht die Lampe nur etwas dunkler, verlängert ihre Lebensdauer aber stark.

Die LED: eine Diode, die leuchtet

Eine LED ist ein Halbleiterbauteil mit den elektrischen Eigenschaften einer Diode: Sie lässt Strom nur in einer Richtung durch, der sogenannten Durchlassrichtung. Falsch herum angeschlossen, bleibt sie dunkel. Richtig gepolt fließt zunächst ebenfalls fast kein Strom – bis die Spannung eine Schwelle überschreitet. Danach steigt der Strom sehr schnell an, wie LEIFIphysik in einer Aufgabe zur Kennlinie einer LED festhält.

Diese Schwellenspannung hängt von der Farbe ab. In einer Messreihe von LEIFIphysik beginnt eine rote LED ab etwa 1,6 Volt merklich Strom zu leiten, eine blaue erst um 3 Volt; bei 3,3 Volt flossen durch die blaue LED bereits 7 Milliampere. Je größer die Frequenz des Lichts, desto höher die Schwelle. Weiße LEDs sind nach LEIFIphysik meist blaue oder ultraviolette LEDs, deren Licht ein aufgetropfter Leuchtfarbstoff teilweise in Gelb umwandelt. Daraus folgt – eine eigene Folgerung –, dass weiße LEDs in der Spannung ähnlich hoch liegen wie blaue.

Weil der Strom oberhalb der Schwelle so steil ansteigt, kannst du eine LED nicht einfach an eine Batterie hängen. Schon wenig zu viel Spannung treibt einen Strom, den das kleine Bauteil nicht verkraftet. Zwischen Quelle und LED gehört deshalb immer etwas, das den Strom begrenzt – im einfachsten Fall ein Widerstand.

Den Strom begrenzen: der Vorwiderstand

Der Vorwiderstand wird in Reihe mit der LED geschaltet. An der LED fällt ihre Durchlassspannung ab, am Widerstand der Rest. Mit dem ohmschen Gesetz ergibt sich daraus die Formel: R = (U – U_LED) ÷ I. Dabei ist U die Spannung der Quelle, U_LED die Spannung an der LED und I der Strom, den du erlauben willst. LEIFIphysik rechnet in einer Übungsaufgabe mit 20 Milliampere als Obergrenze für eine unbekannte LED; wer auf Nummer sicher gehen will, vernachlässigt die LED-Spannung ganz und teilt nur U durch I.

Ein eigenes Rechenbeispiel, keine Herstellerangabe: Eine weiße LED an einer 12-Volt-Batterie, angenommen 3,3 Volt an der LED und 20 Milliampere. Dann gilt R = (12 – 3,3) ÷ 0,02 = 435 Ohm. Nimm den nächstgrößeren Widerstand, den du hast – ein größerer Wert bedeutet weniger Strom und etwas weniger Licht, nie mehr Gefahr. Im Widerstand werden dabei 8,7 Volt × 0,02 Ampere, also rund 0,17 Watt, zu Wärme; er muss dafür ausgelegt sein.

Das Beispiel zeigt auch eine Schwäche: Von 0,24 Watt aus der Batterie gehen knapp drei Viertel im Widerstand verloren. Sparsamer ist es, mehrere LEDs in Reihe zu schalten, sodass ein größerer Teil der Spannung an den LEDs abfällt. Dann aber wird der Strom empfindlicher gegenüber Schwankungen der Batteriespannung, wie die Tabelle zeigt. Deshalb die wichtigste Regel: Rechne mit der höchsten Spannung, die an deiner Quelle vorkommt. Eine Bleibatterie liegt beim Laden deutlich über 12 Volt; die Werte stehen im Artikel über die 12-Volt-Welt.

LED an Autobatterie und Dynamo

An einer 12-Volt-Batterie ist die LED mit Vorwiderstand die sparsamste Lichtquelle, die du selbst zusammensetzen kannst. Leitungen und Sicherung gehören dabei genauso dazu wie bei jedem anderen Verbraucher: Eine Bleibatterie liefert bei einem Kurzschluss einen enormen Strom. Wie du die Plusleitung absicherst und warum Werkzeug nie auf den Polen liegen darf, steht in „Die 12-Volt-Welt“.

Am Fahrraddynamo ist es schwieriger. Er liefert Wechselspannung, deren Höhe mit der Drehzahl steigt – das erklärt der Artikel zum Fahrraddynamo. Eine LED lässt nur eine Richtung durch und würde nur in jeder zweiten Halbwelle leuchten; die schwankende Spannung macht die Strombegrenzung schwierig. Für eine Glühlampe ist das gleichgültig, sie leuchtet in beiden Richtungen. Für LEDs am Dynamo sind fertige Fahrradscheinwerfer die richtige Wahl, denn sie enthalten Gleichrichtung und Strombegrenzung bereits. Das ist eine Folgerung aus dem Diodenverhalten, keine Bauanleitung.

Ein Punkt für beide Quellen: Schließe nie eine LED ohne Strombegrenzung an, auch nicht „nur kurz zum Testen“. Welches Beinchen am Plus hängt, erkennst du am sichersten im Altgerät selbst – markiere es, bevor du die LED ausbaust.

LEDs aus Altgeräten: nur aus Kleinspannungsgeräten

Gute Spender sind alle Geräte, die schon vorher an Batterien liefen: LED-Taschenlampen und Stirnlampen, Lichterketten mit Batteriefach, Fahrradlampen, Leuchten für den Campingbereich. Oft lohnt es sich, nicht die einzelne LED auszulöten, sondern die ganze Platine samt Widerstand zu übernehmen und nur die Spannung anzupassen. Wie man solche Teile systematisch sammelt und sortiert, beschreibt der Artikel „Bergen und wiederverwenden“.

Tabu sind alle Lampen und Leuchten für das 230-Volt-Netz. Eine LED arbeitet mit wenigen Volt Gleichspannung; eine LED-Lampe für die normale Fassung muss deshalb Elektronik enthalten, die aus der Netzspannung passenden Strom macht. Diese Folgerung aus dem Diodenverhalten reicht als Grund, sie geschlossen zu lassen. Noch deutlicher ist es bei Kompaktleuchtstofflampen, den früheren „Energiesparlampen“: Sie haben nach dem Umweltbundesamt ein eingebautes Vorschaltgerät und enthalten Quecksilber.

Zerbricht eine solche Lampe doch, rät das Umweltbundesamt: sofort lüften, alle Personen und Haustiere verlassen den Raum für etwa 15 Minuten, Heizung und Klimaanlage aus. Zum Aufräumen keinen Besen, Handfeger oder Staubsauger, weil er das Quecksilber wieder aufwirbelt; Splitter mit Karton oder steifem Papier zusammenschieben, dabei Gummihandschuhe tragen. Die Reste kommen in ein luftdicht verschließbares Gefäß, etwa ein Einmachglas, und zur Sammelstelle, nicht in den Hausmüll. Besonders empfindlich gegenüber Quecksilber sind nach dem Umweltbundesamt Kinder und Schwangere.

Was eine Wattstunde an Licht bringt

Ein Vergleich macht den Unterschied greifbar. Nach dem Umweltbundesamt gibt eine herkömmliche 60-Watt-Standardglühlampe rund 710 Lumen ab – das sind rechnerisch knapp 12 Lumen pro Watt. LEIFIphysik nennt als Beispiel eine weiße LED-Lampe, die den gleichen Lichtstrom wie eine 65-Watt-Glühlampe liefert und dabei nur 10,5 Watt aufnimmt. Eigene Rechnung: Für dieselbe Helligkeit braucht die LED etwa ein Sechstel der Energie.

Übertragen auf eine Batterie heißt das: Dieselbe Ladung gibt mit LEDs ungefähr sechsmal so lange Licht wie mit Glühlampen gleicher Helligkeit. Ein eigenes Beispiel mit den Zahlen aus „Die 12-Volt-Welt“: Aus 420 Wattstunden bis zur Halbgrenze einer Starterbatterie leuchtet eine angenommene 21-Watt-Glühlampe rechnerisch 20 Stunden, eine LED-Leuchte mit 5 Watt 84 Stunden. Die Glühlampe bleibt trotzdem nützlich – als robuste Reserve, am Dynamo und dort, wo ihre Wärme willkommen ist.

Und die Flamme? Kerzen und Öllampen brauchen gar keinen Strom, bringen aber offenes Feuer in die Wohnung. Warum der Deutsche Feuerwehrverband Kerzen als Ersatz für elektrisches Licht für ungeeignet hält und wie du sie trotzdem sicher nutzt, steht in „Licht und Strom für Notfälle“. Was bei einem Brand in der Wohnung zu tun ist, erklärt der Artikel „Brand in der Wohnung“.