Leuchtdiode - LED
Schlagwörter: LED Leuchtdiode Kennlinie Funktion
Leuchtdioden (LED – light emitting diode) begegnen uns heute überall. Während noch vor einigen Jahren, den LEDs die Bereiche im Anzeigen und Effekt-Bereich vorbehalten waren, werden LEDs heute auch für Strahler und Projektionen eingesetzt.
Welche Vorteile bietet eine LED?
LEDs sind klein, leicht und gegen Stöße und Erschütterungen weitgehen unempfindlich. Der große Vorteil der LED liegt aber in der Umwandlung der Energie. Klassische Glühlampen haben einen Wirkungsgrad von ca. 5%. Damit sind sie in erster Linie eigentlich Heizungen. LEDs können einen Wirkungsgrad von ca. 40% erreichen. Darüber hinaus sind LEDs in den letzten Jahren deutlich günstiger geworden, so dass sie die klassische Glühlampe zunehmend verdrängen.
LEDs gibt es nicht nur in den Grundfarben rot, gelb und blau. Sie werden inzwischen in nahezu allen Farben angeboten, auch in „Farben“ außerhalb des sichtbaren Spektrums. So gibt es auch LEDs, die Licht im ultravioletten und im infraroten Bereich aussenden. Letzteres kann man z.B. bei der Fernbedienung des TV-Gerätes beobachten. Da unser Auge kein Licht im infraroten Bereich wahrnehmen kann, können wir uns eines Hilfsmittels, einem Smartphone, bedienen.
Versuch: (funktioniert nicht mit iPhone)
Schalte die Kamerafunktion deines Smartphone ein und richte sie auf die Fernbedienung. Betätige jetzt die Fernbedienung (Lautstärke oder an/aus oder Senderwahl oder …)
Das Foto wurde mit einem iPhone aufgenommen und zeigt, wie eine Fernbedienung mit einem Samsung-Galaxy S10 beobachtet wird. Das Samsung Smartphone ist im infrarot Bereich sensibel und „übersetzt“ das infrarot-Signal in den sichtbaren Bereich. Das iPhone (mit dem hier fotografiert wurde) nimmt diese „Übersetzung“ nicht vor.
Energiesparlampen stellten vorübergehend die Brücke zwischen Glühlampe und LED dar. Ihr Wirkungsgrad liegt bei ca. 20% und damit zwischen der LED und der Glühlampe. Ökologisch sind die Energiesparlampen aber nicht unbedenklich, da sie mit Quecksilberdampf gefüllt sind. Quecksilbergase sind sehr gefährlich, da sie unser Nervensystem angreifen. Wenn eine Energiesparlampe zerbricht, dann sollte man den Raum für längere Zeit verlassen und sehr gut lüften. Bei der Entsorgung alter Energiesparlampen sind diese als Sondermüll zu behandeln.
Wie setze ich eine LED ein?
Eine LED ist stark vereinfacht beschrieben, „ein Diode die leuchtet“. Wie bei einer Diode, hat auch die LED eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung.
Die Durchlassspannung, ab der die LED leuchtet, hängt von der Dotierung der LED ab. Diese ist entscheidend für die Farbe, in der die LED leuchtet. Im sichtbaren Bereich liegen diese Durchlassspannungen zwischen 1,6 V für rot und 3,1 V für violett.
Kennlinien verschiedener LEDs
Welche Funktion erfüllt der Widerstand in der Schaltung?
Wie der Kennlinie zu entnehmen ist, steigt oberhalb der Durchbruchspannung der Stromfluss stark an. Der Widerstand der leitenden LED geht gegen Null. Damit steigt die Stromstärke. Oberhalb einer maximalen Stromstärke Imax wird die LED beschädigt oder sogar zerstört. Diese Maximalstromstärke ist von der LED abhängig und liegt häufig bei Werten zwischen 20 mA und 50 mA. Wie die Kennlinien ♦05 zeigen, leuchten die LEDs aber auch schon bei deutlich kleineren Strömen.
Um eine LED sachgerecht zu betreiben, muss sie mit einem Vorwiderstand betrieben werden.
Beispiel - Vorwiderstand:
Eine LED soll mit einer Spannung von 12 V betrieben werden. Die maximale Stromstärke der LED betrage 20 mA.
Vereinfachte Rechnung
{\large {{R}_{vor}}\,=\,\frac{{{U}_{LED}}}{{{I}_{\max }}}\,=\,\frac{12\,V}{0,02\,A}\,=\,600\,\Omega }
Damit der Strom an der LED auf maximal 20mA begrenzt wird, muss ein Vorwiderstand von 600 Ω verbaut werden. Der tatsächliche Strom wird aber kleiner als 20 mA sein, da auch die Durchbruchspannung der LED berücksichtigt werden muss. Wenn es aber nur um das Leuchten der LED geht, dann bietet diese Berechnung eine solide Grundlage.
Wenn der Vorwiderstand genau berechnet werden soll, dann müssen wir berücksichtigen, dass sich LED und Vorwiderstand in einer Reihenschaltung befinden.
{ \large{{R}_{vor}}=\frac{U-{{U}_{LED}}}{{{I}_{\max }}} }
Wenn wir eine rote LED betreiben, dann liegt die Durchburchspannung bei ca. 1,7 V. Bei einer blauen LED liegt die Durchbruchspannung bei ca. 2,7 V und bei einer weißen LED bei ca. 3,0 V.
Damit unterscheinen sich auch die Vorwiderstände.
{ \large \displaystyle \begin{array}{l}\left[ rot \right]:\,\,\,\,\,\,{{R}_{vor}}=\frac{U-{{U}_{LED}}(rot)}{{{I}_{\max }}}=\frac{12\,V-1,7\,V}{20\,mA\,}=515\,\Omega \\\\\left[ blau \right]:\,\,\,\,{{R}_{vor}}=\frac{U-{{U}_{LED}}(blau)}{{{I}_{\max }}}=\frac{12\,V-2,7\,V}{20\,mA}=465\,\Omega \\\\\left[ weiss \right]:\,{{R}_{vor}}=\frac{U-{{U}_{LED}}(weiss)}{{{I}_{\max }}}=\frac{12\,V-3,0\,V}{20\,mA}=450\,\Omega \end{array} }
Die berechneten Vorwiderstände liegen in Größenordnungen von 450 Ω bis 520 Ω.
Der Vorwiderstand sollte je nach Farbe der LED eine Größe von 450 Ω bis 520 Ω haben. Aber auch mit einem Widerstand von 1000 Ω kann die LED noch betrieben werden, da sie bereits ab ca. 5 mA eine angemessene Leuchtstärke zeigt. ♦08
Beide Bilder wurden an der gleichen Schaltung mit den gleichen Parametern aufgenommen. In allen LED-Steckern ist ein Vorwiderstand von 300 Ω vorgeschaltet.
Aufbau einer LED
Die nebenstehende Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau einer LED. Diese besteht im Wesentlichen aus …
Wie funktioniert eine LED?
Eine LED wird in Durchlassrichtung betrieben. Dabei liegt der Minuspol der Quelle an der n-dotierten Schicht. Ohne eine äußere Spannung baut sich, wie bei der Diode, zwischen der n-dotierter und der p-dotierter Schicht eine Sperrschicht auf.
Wenn eine äußere Spannung (U>UDuchbruch) in Durchlassrichtung angelegt wird, dann gelangen Elektronen vom Leitungsband in das Valenzband. Dabei rekombinieren Elektronen mit Löchern. Die dabei frei werdende Energie wird in Form von Licht abgegeben.
Die Lichtfarbe der LED ist von der Energiedifferenz ΔE (s. Abbildung) abhängig. Diese Energiedifferenz und damit die Lichtfarbe, kann durch die Verwendung geeigneter Materialien bestimmt werden.
Funktion der LED – Ergänzungen für die Sek 2
Wenn die p-dotierte und die n-dotierte Schicht zusammengebracht werden, dann „verbiegen“ sich die Bänder (s. Abbildung), da ein Stufenübergang energetisch nicht möglich ist.
Durch das Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung verschieben sich die Bänder so, dass ein Übergang der freien Elektronen vom Leitungsband ins Valenzband möglich wird.
Innerhalb der Grenzschicht entsteht durch Einbringen geeigneter Materialien eine aktive Zone. In dieser aktiven Zone ist der energetische Abstand zwischen beiden Bändern geringer. Hier rekombinieren Elektronen und Löcher.
Vorteile der aktiven Zone:
- ΔE ist schärfer festzulegen (hohe Farbtreue)
- kleiner Raumbereich für die Rekombination, damit höhere Lichtausbeute.
Die Dicke der aktiven Zone liegt bei handelsüblichen LEDs bei ca. 1 µm.
Die Durchbruchspannung UDurchbr ist damit ein Maß für die Energie bzw. Frequenz des emittierten Lichtes.
Es gilt: E = h·f
Materialien
- In Abhängigkeit von der gewünschten Farbe, werden in den LEDs unterschiedliche Materialien verwendet.
- Galliumarsenid (GaAs)
- Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
- Galliumphosphid (GaP)
- Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP)
- Indium-Gallium-Nitrogen (InGaN)
- GalliumNitrid (GaN)
Die Zahlenwerte sind u.a den folgenden Seiten entnommen:
Wenn die Durchbruchspannung einer LED im Zusammenhang mit der Frequenz des emittierten Lichtes steht, können wir den damit auch eine h-Bestimmung durchführen?