Elektrische Elemente/ LED

Was ist eine LED

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

Aufbau einer Diode schematisch

Diode im Original

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

Schaltzeichen

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

Funktionsweise

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:

$\lambda (W_{D})={\frac {h\cdot c}{W_{D}}}\,\qquad \qquad \mathrm {mit} \quad W_{D}=E''-E'$

Arten und Bauformen

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.

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

Allgemein

Leuchtdioden:

• sind relativ monochrom (einfarbig - aber besitzen nicht nur eine Wellenlänge wie Laserlicht)
• bleiben kalt
• haben eine lange Lebensdauer (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

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

Farben

Allgemein

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

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

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

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

${\frac {U_{0}-U_{D}}{I}}=R\,$

Eine andere Möglichkeit die LED zuschützen ist der Einsatz einer Konstantstromquelle

Kennlinien

Leuchtdioden besitzen eine exponentielle Strom-Spannungs-Kennline

Schaltungen

Reihenschaltung

Reihenschaltung

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

Parallelschaltung

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

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

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

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

Quellen

Internet

• http://de.wikipedia.org/wiki/LED
  
• http://de.wikibooks.org/wiki/Arbeiten_mit_LEDs

Literatur

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