Elektronische Bauelemente/ Aktiv/ LED

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Was ist eine LED[Bearbeiten]

Die Abkürzung LED stammt aus dem Englischen und steht für Light Emitting Diode (lichtausstrahlende Diode). Sie besteht aus einem Halbleiterkristall der beim Anlegen einer Spannung anfängt zu leuchten.
Heutige Dioden halten eine Rückwärtsspannung (Spannung bei vertauschten Polen) von 9V aus. Der Wirkungsgrad einer LED (25%) ist um ein vielfaches höher als der einer Glühlampe (2%), da nicht so viel Energie in Form von Wärme verloren geht.

Aufbau[Bearbeiten]

Aufbau einer Diode schematisch
Diode im Orginal
Bauteil Funktion
Einbettung/Linse Verstärkung des Lichts
Anschlüsse Stromversorgung des Bauteils
Bonddraht Verbindung des LED-Kristalls mit den Anschlüssen
LED-Kristall Lichterzeugung
Abflachung Kennzeichnung der Seite der Kathode



Schaltzeichen[Bearbeiten]

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen zeigt eine Diode mit Lichtabstrahlung, die Anschlüsse sind mit Beschriftung markiert.




Funktionsweise[Bearbeiten]

graphische Veranschaulichung

Eine LED leuchtet nur, wenn sie in Durchlassrichtung geschaltet ist. Die Elektronen wandern zur Rekombinationsschicht im p-n Übergang. Sie springen von der N-Seite auf die energetisch günstigere P-Seite (Hierfür ist Energie nötig). Auf der P-Seite laufen Rekombinationsvorgänge ab, bei denen Energie frei wird. Bei Siliziumdioden ist dieser Rekombinationsvorgang (fast) vollkommen strahlungslos, wohingegen bei GaAs-Dioden Photonen, also Licht, abgestrahlt werden. Die Bandstruktur (siehe Bändermodel) ist für das Verhalten am Energieübergang entscheidend. Die Größe der Energielücke, welche in der chemischen Zusammensetzung begründet ist, entscheidet über die abgestrahlte Farbe.

Hierbei gilt:

Arten und Bauformen[Bearbeiten]

Die Leistung einer Diode ist von ihrer Art und von der Gehäuseform abhängig. Verluste in Form von Wärme müssen möglichst schnell abgegeben werden. Kleine LEDs eignen sich deshalb nur für kleine Ströme.
Das folgende Bild zeigt einige unterschiedliche Bauformen mit denen man eine gute Wärme Ableitung erreicht. Verschiedene LEDs.jpg

Dioden werden aus verschieden Halbleitermaterialien hergestellt. Die Tabelle zeigt einige verschiedenfarbige LEDs mit ihren Materialien und der Typenbezeichnung statt CQ wird auch häufig der LD-Schlüßel verwendet .

Farbe der Diode Halbleitermaterial Mittlere Wellenlänge ∅ 5 mm ∅ 3 mm
infrarot IR GaAs 940 CQY 99 -
rot RD GaAsP0,40 640 CQY 40 CQY 85
Orange OG GaAsP0,65 620 CQX 38 CQY 85
Gelb YE GaAsP0,85 590 CQY 74 CQY 87
Grün GN GaP 575 CQY 72 CQY 86
Blau BU SiC 470 - -

Es gibt verschiedene Arten von LEDs

Hochleistungs-LED ca. 100lm hell
LED-Art maximal Strom
Low-Current LED 2 mA
5 mm-LED 20-35mA
Hochleistungsdioden 300 mA bis über 1000 mA


Antiparallelschaltung

Es gibt auch Leuchtdioden die in verschieden Farben leuchten können. Diese werden Antiparallel geschaltet. Um einen gewünschten Farbton zu erhalten werden auch mitunter 2 verschiedenfarbige LEDs zusammen geschaltet. Das führt dazu, dass sich die Farben des ausgestrahlten Lichtes addieren. (siehe Farben) Des weiteren werden LEDs zu sieben Segmenten (Zahlen beim Taschenrechner), Balkenanzeigen und LED-Matrixen zusammen geschaltet.


Eigenschaften[Bearbeiten]

Allgemein[Bearbeiten]

Leuchtdioden:

  • sind relativ monochrom (einfarbig - aber besitzen nicht nur eine Wellenlänge wie Laserlicht)
  • bleiben kalt
  • haben eine lange Lebensdauer[1] (zwischen 10 und 100 Jahre)
  • arbeiten praktisch trägheitsfrei (d.h. benötigen kaum Zeit zum Schalten)
  • haben kaum plötzliche Totalausfälle (verlieren eher langsam an Leuchtkraft)
  • sind Erschütterungsresistent
  • haben eine Modulationsfrequenz bis zu 100MHz

Schwellenwerte[Bearbeiten]

Farbe der Diode Schwellenwert
infrarot, rot ~1,5V
orange, gelb, grün ~2,0V
blau ~3,0V

Farben[Bearbeiten]

Allgemein[Bearbeiten]

Die Farben entstehen durch eine spezielle Auswahl der Elemente und deren Dotierung.

z.B.:

  • Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge
  • Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, Glasfaserkabel|LWL bis 1000 nm
  • Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
  • Galliumphosphid (GaP) – grün
  • Siliciumcarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
  • Zinkselenid ZnSe - blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte
  • Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau und grün
  • Kupferplumbid (CuPb) - Emitter im nahen Infrarot (NIR)

Quelle der Liste http://de.wikipedia.org/wiki/LED#Farben_und_Technologie aus der Version 12:27, 8. Nov. 2007 Peter200 (Diskussion | Beiträge) K (36.708 Bytes)

Weiß[Bearbeiten]

Eine weiße LED kann auf zwei verschieden Weisen hergestellt werden.

  • 1. Durch Kombination verschiedenfarbiger LEDs und optischen Komponenten. Diese Methode bietet sich an, wenn man die weiße LED zur Hintergrundausleuchtung von farbigen Flüssigkristallbildschirmen nehmen will, damit man in allen Bereichen brillante Farben hat.
  • 2. Durch Aufdampfen/-tragen eines Leuchtstoffes (meist Phosphorverbindung oder Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) auf eine UV- oder blaue LED. Der Nachteil dieser Methode ist ein sehr breitbandiges Licht, welches Rot teilweise verschluckt. Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist für die Qualität entscheidend.

Pastell-Töne[Bearbeiten]

Hier wird meist eine SMD-LED verwendet. Im Grunde genommen funktioniert die Erzeugung von Rosa wie die Erzeugung von weißen LEDs. Eine Leuchtstoffschicht wird auf eine UV-, blaue oder Grüne LED aufgetragen nur das diese Schicht nicht gelb sondern z.B. Rosa ist.
Für hellblau wird die gelbe schicht nur dünner aufgetragen, damit mehr von den blauen Lichtwellen passieren kann.

Vorwiderstand[Bearbeiten]

Der Vorwiderstand ist wichtig um die empfindliche LED zuschützen. Er wird mit der Formel:

Eine andere Möglichkeit die LED zuschützen ist der Einsatz einer Konstantstromquelle

Kennlinien[Bearbeiten]

Leuchtdioden besitzen eine exponentielle Strom-Spannungs-Kennline

Ledwhitecharcurp.png


Schaltungen[Bearbeiten]

Reihenschaltung[Bearbeiten]

Reihenschaltung

Bei der Reihenschaltung addieren sich Vorwärts[2]- und Rückwärtsspannungen.
Dieses ist bei der Berechnung des Vorwiderstandes zu bedenken, da sonst die LEDs nur schwach oder gar nicht leuchten.

Parallelschaltung[Bearbeiten]

Parallelschaltung

Bei Parallelschaltung von LEDs ist zu beachten dass die Vorwiderstände direkt vor den einzelnen Dioden angeschlossen werden. Die Höhe der einzelnen Ströme ist wiederum abhängig von der Größe der Vorwiderstände. Die Spannung ist an jedem Strang gleich groß.

Anwendung[Bearbeiten]

Leuchtdioden werden z.B. verwendet als/in:

  • Indikationslampen (früher wegen schlechter Leistung fast ausschließlich)
  • Kontrolllampen
  • Leucht- und Laufschriften
  • Displays (Handys, Fernseher, Taschenrechner)
  • Leuchtmittel (vergleichbar mit Glühbirnen und Leuchtstoffröhren)
  • Fernbedienungen
  • Datenübertragung
  • Ampeln
  • Autoblinkanlage (Scheinwerfer sind in Entwicklung)
  • Sensoren
  • Weihnachstbaumbeleuchtung

Stand der Technik[Bearbeiten]

Im Moment (Nov.2007) ist es möglich 40-110lm/W herzustellen. Dies entspricht der Leuchtkraft von Leuchtstoffröhren. Der Wirkungsgrad beträgt 25%. Im Moment arbeitet man an der Verbesserung der Effizienz und an einer Erhöhung der Leistung. Es wird angepeilt Autoscheinwerfer im Jahr 2009 mit Hochleistungs LEDs auszustatten, welche auch vollkommen neue Designmöglichkeiten bietet, da die Licht-Wartung wegfällt.

Interessante Links[Bearbeiten]

http://www.led-info.de/grundlagen.html

Quellen[Bearbeiten]

Internet[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Meschelke, Günther: Einführung in die Analog- und Digitaltechnik. 4.Auflage, Stam Verlg, 1995, Köln; S. 113ff. ISBN 3-8237-0505-9

Reverenzen[Bearbeiten]

  1. Als Lebensdauer wird bezeichnet wenn die Lichtausbeute bei gleicher zugeführten Spannung nur noch die Hälfte des Anfangswertes beträgt
  2. wird auch als Flußspannung bezeichnet