LED – Leuchtdioden

LED – Leuchtdioden
Quelle: http://www.elektronik-kompendium.de
Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um. Sie
funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung Licht
A
K erzeugen. Die Kurzbezeichnung LED ist die Abkürzung für "Light
Emitting Diode", was auf Deutsch "Licht emittierende Diode"
bedeutet.
Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben, Größen und Bauformen. Deshalb werden sie als
Signal- und Lichtgeber für unterschiedliche Anwendungen verwendet.
Die Leuchtdiode schaltet sehr schnell vom leuchtenden in den nichtleuchtenden Zustand. Der
Lichtstrahl kann bis in den MHz-Bereich getaktet werden. Allerdings ist das für das menschliche
Auge nur als Leuchtbrei sichtbar.
Die Lebensdauer beträgt sagenhafte 106 Stunden. Im Vergleich zu normalen Lampen ist das super.
Die gebräuchlichsten Bauformen haben einen 5 mm oder 3 mm großen Durchmesser. Es gibt dann
noch Jumbo-LEDs und Mini-LEDs bis hin zu SMD-Größe.
Polung
Wie jede andere Diode ist auch die LED polungsabhängig. Die
eine Anschlussseite ist die Anode, die andere Seite die Kathode.
Wenn man in die Leuchtdiode hineinschaut, dann ist die dickere
Seite die Kathode. Äußerlich erkennt man die Kathode am
kürzeren Anschluss oder an der abgeflachten Seite des
Gehäuserandes an der Unterseite.
Vorsicht bei Falschpolung! Leuchtdioden vertragen nur eine
sehr geringe Sperrspannung. Sie können schon mit kleinen
Spannungen von 5 bis 6 V zerstört werden.
Farben und Halbleitermaterial
Die klassischen Farben sind rot, grün, gelb und orange. Es gibt aber auch noch blau und weiß. Je
nach Farbe besteht der Halbleiterkristall einer Leuchtdiode aus unterschiedlichen Materialien. Die
Farbe des Lichts bzw. die Wellenlänge des Lichts wird vom Halbleiterkristall und von der
Dotierung bestimmt. Der Kristall besteht aus einer n- und einer p-Schicht. Von daher unterscheidet
er sich kaum von einer normalen Halbleiterdiode.
LEDs unterscheiden sich nicht nur in ihrer Farbe, sondern auch in ihren elektrischen Eigenschaften.
Teilweise kann man die Farben nicht untereinander tauschen. Die Durchlassspannung ist
unterschiedlich und stark vom Halbleitermaterial abhängig.
Besonders rote Leuchtdioden (λ = 0,66 µm) haben einen guten Wirkungsgrad. Den höchsten
Wirkungsgrad haben Infrarot-Leuchtdioden (λ = 0,9 bis 0,94 µm).
Die LED ist je nach Farbe aus unterschiedlichen Mischkristallen aufgebaut:






Galliumarsenid (GaAs)
Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
Galliumphosphid (GaP)
Aluminium-Indium-Gallium-Phosphat (AlInGaP) für Rot, Rot-Orange, Amber
Indium-Gallium-Nitrogen (InGaN) für Grün, Cyan, Blau, Weiß
GalliumNitrid (GaN) für Blau
Peter Schnögl
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Weiße Leuchtdioden
Es gibt zwei verschiedene Arten, um mit LEDs weißes Licht zu erzeugen.
Farben mischen
Die eine Möglichkeit ist, rote, grüne und blaue LEDs zu mischen. Daraus entsteht ein weißes Licht
mit einstellbarem Farbraum. In dieser Form werden drei Leuchtdioden in einem gemeinsamen
Gehäuse vereinigt. Man erkennt diese Gehäuse an den sechs Anschlüssen, die sternförmig am LEDChip angebracht sind. Die Farbtemperatur, ja sogar die Farbe lässt sich sehr fein einstellen.
Die Erzeugung von weißem Licht mit Leuchtdioden mit verschiedenen Farben ist das teuerste
Verfahren.
Farben filtern
Die zweite Möglichkeit sind UV-Leuchtdioden oder blaue LEDs mit dem Halbleitermatierial
Indiumgalliumnitried (InGaN), deren Gehäuse mit verschiedenen Leuchtstoffen überzogen ist. Bei
einer blauen LED wäre das eine gelbe Phosphorschicht. Diese Schicht wirkt als Filter für die blauen
Photonen, die als gelbes Licht emittieren. Das blaue und gelbe Licht vermischen sich zu einem
weißen Licht. Man bezeichnet diese LEDs als weiße Dioden.
Andere Hochleistungs-LEDs bestehen aus Aluminiumgalliumindiumphosphit (AlGaInP). Sie
leuchten mit einer Wellenlänge von 610 oder 615 nm. Ihre Farbe ist eher orange-gelb. Sie ist
wärmer als die von blauen LEDs.
Die Farbtemperatur wird bei der Herstellung festgelegt. Nachträglich lässt sich nichts mehr ändern.
Diese Pseudo-White-LEDs gibt es mit warmem, neutralem und kaltem Weißlicht mit
Farbtemperaturen zwischen 2.500 und 10.000 Kelvin.
Funktionsweise
Die Leuchtdiode besteht aus einem n-leitenden Grundhalbleiter.
Darauf ist eine sehr dünne p-leitende Halbleiterschicht mit
großer Löcherdichte aufgebracht. Wie bei der normalen Diode
wird die Grenzschicht mit freien Ladungsträgern überschwemmt.
Die Elektronen rekombinieren mit den Löchern. Dabei geben die
Elektronen ihre Energie in Form eines Lichtblitzes frei. Da die pSchicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen. Schon bei
kleinen Stromstärken ist eine Lichtabstrahlung wahrnehmbar.
Die Lichtstärke wächst proportional mit der Stromstärke.
Da von dem Halbleiterkristall nur eine geringe Lichtstrahlung
ausgeht, ist das Metall unter dem Kristall halbkugelförmig.
Dadurch wird das Licht gestreut. Durch das linsenförmige
Gehäuse wird das Licht gebündelt. So können Leuchtdioden schon mit wenigen Milliampere Strom
sehr hell leuchten.
Standard-Typen
Standard-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 5 mm. Sie sind die häufigsten verwendeten
Leuchtdioden in elektronischen Schaltungen. Sie erreichen bei ca. 10 bis 15 mA ihre normale
Leuchtkraft. Bei 20 mA sind sie am hellsten. Der Unterschied zu 15 mA ist aber nur minimal. Meist
ist ein Strom von 10 mA schon ausreichend, um sie ausreichend zum Leuchten zu bringen.
Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die Durchflussspannung UF. Die genaue
Durchflussspannung UF und Durchflussstrom IF gibt nur das Datenblatt der Leuchtdiode Auskunft.
Vorsicht, je nach Hersteller kann es hier Unterschiede geben.
Peter Schnögl
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Standardtypen (IF/ILED = 10 mA)
Farbe
Halbleiter
UF/ULED
rot
GaAsP
1,6 V
rot
GaP
2,1 V
orange
GaAsP
1,8 V
grün
GaP
2,1 V
gelb
GaP
2,2 V
blau
GaN
2,9 V
Vorwiderstand für LED berechnen
Im folgenden Text wird der Begriff Vorwiderstand definiert und seine Funktion anhand einer
Beispielschaltung beschrieben und berechnet. Grundsätzlich kann ein Vorwiderstand auch in einer
komplexeren Schaltung vorkommen.
Spannungsverteilung
In der Elektronik kommt es häufig vor, dass man mit einer festen
Betriebsspannung an Schaltungen arbeitet. Zum Beispiel mit 5 oder 12 V.
Allerdings sind viele Bauteile für diese Spannung nicht geeignet. Ein
klassisches Beispiel sind Leuchtdioden (LED). Sie arbeiten im Regelfall
und je nach Typ mit 1,6 bis 2,5 V. Das ist deutlich weniger als 12 V. Eine
Leuchtdiode ohne Vorwiderstand an 12 V wird zerstört. Aus diesem Grund
ist man gezwungen mit Widerständen Spannungen und Ströme einzustellen.
Wie aus der Reihenschaltung von Widerständen bekannt, teilt sich die
Gesamtspannung Uges an den Widerständen im Verhältnis ihrer Werte auf.
Wie in einer Reihenschaltung von Widerständen wird aus einem
Widerstand und einer Leuchtdiode eine Reihenschaltung gebildet. Der
Widerstand wird der Leuchtdiode vorgeschaltet. Selbstverständlich kann
der Widerstand auch der Leuchtdiode nachgeschaltet werden. Unabhängig,
ob davor oder dahinter, der Widerstand bekommt die Bezeichnung
Vorwiderstand. Seine Aufgabe ist es die Differenzspannung von
Leuchtdiode und Betriebsspannung von der Leuchtdiode fernzuhalten und gleichzeitig den Strom
zu begrenzen.
Wie in einer Reihenschaltung teilt sich die Betriebsspannung an Vorwiderstand und Leuchtdiode
auf.
Üblicherweise verwendet man Vorwiderstände nur bei kleinen Strömen im mA-Bereich, weil die
Verluste am Vorwiderstand sehr hoch sind. Bei hohen Leistungen verwendet man zur
Spannungherabsetzung Dioden oder Transformatoren.
Peter Schnögl
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Berechnung des Vorwiderstands
Der Vorwiderstand berechnet sich aus der folgenden Formel:
Bekannt ist der Strom der Schaltung. Es fehlt die Spannung UR, die am zu berechnenden
Vorwiderstand abfällt. Diese Spannung bildet sich aus der Betriebsspannung abzüglich der
Spannung an der Leuchtdiode. Die Rechnung sieht folgendermaßen aus:
Da es den errechneten Widerstandswert mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht gibt oder schwer zu
beschaffen ist, nimmt man den nächst größeren Widerstandswert aus einer Widerstandsreihe.
Verlustleistung PV
Durch die abfallende Spannung und den Stromfluss durch den Vorwiderstand entsteht Wärme. Je
höher die Spannung und der Strom, desto größer die Wärmeentwicklung. Da Spannung und Strom
in Wärme, also auch in Leistung umgesetzt werden, muss die maximale Leistungsaufnahme des
Vorwiderstands berücksichtigt werden. Bei einer zu großen Leistung brennt der Vorwiderstand
durch. Die maximale Leistung wird auch Ptot genannt, also die Leistung bei der der Widerstand
stirbt bzw. zerstört wird.
Die momentane Leistung PV des Vorwiderstands wird aus Spannung am Vorwiderstand und dem
durchfließenden Strom berechnet. Zu beachten ist, dass mit dem tatsächlichen Strom gerechnet
werden muss. Also der Strom, der tatsächlich durch den Vorwiderstand fließt.
Ist der tatsächliche Strom bekannt, dann kann zusammen mit der abfallenden Spannung UV die
Leistungsaufnahme PV des Vorwiderstands berechnet werden.
Statt den Umweg über die Berechnung des Stroms, kann die Verlustleistung auch über die
Spannung des Vorwiderstands und den Vorwiderstand berechnet werden. Was mit der Spannung
funktioniert, das kann auch mit dem Strom berechnen.
Bitte beachten: Wird Strom oder Spannung verdoppelt, so vervierfacht sich die Verlustleistung.
Deshalb ist man in der Elektronik bemüht mit möglichst geringen Spannungen und Strömen zu
arbeiten, um eine möglichst geringe Verlustleistung zu erreichen.
Peter Schnögl
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Beispiele für die Schaltung von LEDs
R1 = 150
R2 = 680
R3= 820
Peter Schnögl
(braun – grün – braun)
(blau – grau – braun)
(grau – rot – braun)
Diese Beispielschaltungen sind für Spannungen
von 6V und 12V ausgelegt.
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