2.10 Schaltungen mit LED-Leuchtmitteln - elektro.net

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2.10 Schaltungen mit LED-Leuchtmitteln
2.10
Schaltungen mit LED-Leuchtmitteln
2.10.1
Prinzip der LED
Die LED (Light Emitting Diode) ist ein elektronisches Bauelement, das einen
PN-Übergang enthält (Bild 2.34). Bei diesem stößt ein P-Leiter (Halbleiter
mit positiven Ladungsträgern) an einen N-Leiter (Halbleiter mit negativen
Ladungsträgern). Die negativen Ladungsträger sind Elektronen, die positiven
Ladungsträger sind Löcher (fehlende Elektronen im Kristall aus Atomen).
Ohne angelegte Spannung wandern die Elektronen des N-Leiters in den PLeiter und füllen dort die Löcher auf. Es entsteht eine Isolierschicht, die man
Sperrschicht nennt.
Legt man eine Spannung so an das Bauelement, dass am P-Leiter der Pluspol liegt und am N-Leiter der Minuspol, dann wird die Sperrschicht abgebaut, weil dauernd neue Elektronen in den N-Leiter nachgeliefert werden,
die dann am P-Leiter die vom Pluspol neu erzeugten Löcher füllen. Der PNÜbergang ist jetzt für den elektrischen Strom durchlässig. Man sagt, er sei in
Vorwärtsrichtung geschaltet. Wird der P-Leiter an den Minuspol angeschlossen und der N-Leiter an den Pluspol, dann sperrt der PN-Übergang. Man
spricht dann von Rückwärtsrichtung.
Anodenkontakt
Strahlung
Sperrschicht
Oxid
P
GaAsP
N
GaAs
N+
Katodenkontakt
GaAsP Gallium-Arsen-Phosphid
(als Beispiel für ein Halbleitermaterial)
Bild 2.34
Aufbau einer LED
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2 Übliche Schaltungen der Elektroinstallation
Manche Halbleitermaterialien, z. B. GaAsP (Gallium-Arsen-Phosphid),
senden Licht aus, wenn beim Stromfluss im PN-Übergang ein Elektron in ein
Loch fällt. Dieser Vorgang wird für die Lichterzeugung mittels LED genutzt.
Zur Lichterzeugung müssen die LEDs deshalb in Vorwärtsrichtung geschaltet sein.
LEDs sind Halbleiterdioden, die in Vorwärtsrichtung betrieben werden.
2.10.2
Prinzipschaltungen und Daten der LEDLeuchtmittel
Der Strom in Vorwärtsrichtung darf nicht zu groß werden, weil sonst die LED
zerstört wird. Deshalb schaltet man zur Strombegrenzung einen Widerstand
in Reihe hinzu. Darüber hinaus hält die LED nur wenig Spannung in Rückwärtsrichtung aus. Deshalb wird eine Halbleiterdiode, die keine LED ist, als
Sperrdiode dazugeschaltet. Diese hält die Spannung in Rückwärtsrichtung
aus und schützt die LED (Bild 2.35).
LEDs müssen durch zusätzliche Bauelemente geschützt werden.
Zum Schutz vor zu hoher Rückwärtsspannung lässt sich auch eine zweite
LED in Gegenparallelschaltung einsetzen. Je nach Polung ist dann eine der
beiden LEDs in Vorwärtsrichtung geschaltet und überbrückt die andere LED,
sodass an ihr keine Spannung in Rückwärtsrichtung auftreten kann. Bei dieser Schaltung ist der Betrieb an Wechselspannung möglich, die beiden LEDs
emittieren dann abwechselnd Licht.
Die Vorwärtsspannung einer LED beträgt ≈ 3 V (Tabelle 2.6). Je nach Typ
liefert sie weißes Licht oder farbiges Licht. Ihre Lichtausbeute (Abschnitt
12.3) ist größer als die von kleinen Glühlampen, aber geringer als die von
Gasentladungslampen.
Strombegrenzung
a)
Bild 2.35
Sperrdiode
L oder
+
N oder
–
LED
b)
Schutz der LED mit Reihenwiderstand durch a) Sperrdiode oder
durch b) Gegenparallelschaltung einer zweiten LED
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2.10 Schaltungen mit LED-Leuchtmitteln
Tabelle 2.6
Kenndaten von Leistungs-LEDs
Farbe
UF für IF = 20 mA
Leistung
Lichtausbeute
in lm/W
Weiß
3,3 V
7
Blau
3,5 V
3
Grün
3,3 V
Rot
3,2 V
80 mW
11
11
IF Vorwärtsstrom, UF Vorwärtsspannung
Die Vorteile einer LED gegenüber anderen Lampen sind
■ die hohe Lebensdauer von etwa 50 000 Stunden,
■ die höhere Lichtausbeute als bei kleinen Glühlampen,
■ das Fehlen von ionisierenden Strahlen auf Grund der niedrigen
Spannung und
■ keine Probleme bei der Entsorgung, da LEDs kein Quecksilber
enthalten.
2.10.3
LED-Leuchtmittel
Einzelne LEDs werden nur bei Signallampen verwendet. Für die übrigen
Zwecke verbindet man mehrere LEDs miteinander. So bestehen LED-Streifenmodule aus einer Reihenschaltung von z. B. 6 oder 12 LEDs, die auf einer
streifenförmigen Platine angeordnet sind. Die Betriebsgleichspannung beträgt 6 V, 8 V, 12 V oder 24 V. Die Speisung erfolgt durch eine Konstantstromquelle, die auf der Platine angeordnet sein kann. Derartige Streifenmodule werden zur Beleuchtung entlang von Kanten eingesetzt.
Bei einem LED-Modul zum Anschluss an AC 230 V sind z. B. 10 LEDs auf
einer Kreisfläche angeordnet (Bild 2.36). Im Sockel ist ein Netzteil untergebracht, welches aus den AC 230 V die erforderliche Betriebsgleichspannung
Bild 2.36
LED-Leuchtmittel für AC 230 V