Facharbeit über Leuchtdioden

Facharbeit über Leuchtdioden
von Christoph H.
Physik LK 2008/2010
Markgraf-Georg-Friedrich-Gymnasium Kulmbach
-123 -
1. Geschichte
2. Aufbau und Funktion
3. Bauformen
3.1 Standard LED
3.2 Superflux
3.3 SMD-LED
3.4 HP-LED
3.5 RGB-LED
3.6 COB-LED
4. Eigenschaften
4.1 Elektrische Eigenschaften
4.2 Farben
4.3 Klasseneinteilung
4.4 Vor- und Nachteile
5. Anwendung
5.1 Einsatzbereiche
5.2 Schaltungen
5.2.1 Direktbetrieb mit/ohne Widerstand
5.2.2 Betrieb mit Konstantstromquellen
5.2.3 „Direktbetrieb“ am Stromnetz
5.2.4 Beispiel für einen Versuchsaufbau mit einer HP-LED
6. Stand der Technik
6.1 Vergleich mit anderen (Licht-)Techniken
6.2 Ausblick auf die Zukunft
7. Quellen
7.1 Web-Quellen
7.2 Fachliteratur
7.3 Verwendete Software
8. Zeichenerklärung
-223 -
1. Geschichte
1907 war es Henry Joseph Round erstmals möglich, anorganische Stoffe durch eine
angelegte Spannung zum Leuchten zu bringen. Dieser sogenannte Round-Effekt wurde
schließlich von Oleg Lossew, einem russischen Physiker, in den Jahren 1927 bis 1942
genauer untersucht. Er versuchte, den Round-Effekt als Umkehrung des
photoelektrischen Effekts darzulegen.
Durch die Entwicklung der Transistorentechnik konnten ab der zweiten Hälfte des 20.
Jahrhunderts einige große Fortschritte in der Halbleiterforschung erzielt werden.
Außerdem wurde endlich eine Erklärung für die Lichtemission gefunden und die Versuche
mit Sulfidverbindungen wurden von weit erfolgreicheren Tests an
Halbleiterverbindungen der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems (darunter
Aluminium, Gallium, Phosphor, Antimon, Arsen und Indium) abgelöst.
Die Stoffe Galliumarsenid und Galliumphosphid waren aufgrund ihrer Lichtabstrahlung im
sichtbaren Wellenbereich dabei besonders wichtig für die spätere Entwicklung der
Leuchtdioden.
1962 stellte der Amerikaner Nick Holonyak die erste rote LED her und gilt damit als
Erfinder der lichtemittierenden Dioden. Die Effizienz der ersten LEDs liegt bei weniger
als 0,1 lm/W und erscheint im Vergleich zu heutigen Werten, die selbst bei
Maximalbestromung deutlich über 100 lm/W liegen, verschwindend gering.
Die Effizienzsteigerung ist nicht nur auf die Qualitätsverbesserung der Materialien, die
eine fehlerfreiere Halbleiterschicht mit sich bringt, zurückzuführen, sondern auch auf
die Anwendung von transparenten Substraten und einer verbesserten Lichtauskopplung.
In den 60er Jahren wurden zunächst rot-gelbe LEDs hergestellt, in den 70ern wurde das
Spektrum um grün und in den darauffolgenden Jahrzehnten um grün bis UV erweitert.
Seit 1993 gibt es effizientere UV-LEDs, die nicht mehr auf Siliziumkarbid, sondern auf
Galliumnitrid basieren. Inzwischen ist das Farbspektrum des sichtbaren Lichts bis auf
eine geringfügige Lücke im grün-gelb-Bereich, die jedoch durch Einsatz von RGB-Technik
(Vermischung von Lichtfarben durch Rot, Grün und Blau) behoben werden kann,
ausgefüllt.
-323 -
Entwicklung der Effizienz der LED
[1]
2. Aufbau und Funktion
Eine normale bedrahtete LED besteht zunächst aus einer Anode, die meist durch ein
längeres Beinchen und eine Abflachung des Kragens am Gehäuse gekennzeichnet ist, und
einer Kathode. Die Kathode weist eine Reflektorwanne
auf, in dem sich der lichtemittierende Halbleiterkristall
befindet. Sie wird außerdem zur Wärmeableitung
während des Betriebs genutzt. Der Bonddraht, meist aus
dünnem Gold, stellt den Kontakt zwischen Plus- und
Minuspol her. Das Gehäuse fungiert als Schutz, übernimmt
aber auch eine Linsenwirkung.
Aufbau einer Standard-LED [2]
Das Herzstück einer LED entspricht im Aufbau einer
herkömmlichen pn-Halbleiterdiode, wobei natürlich
andere Halbleitermaterialien – größtenteils III-V-Verbindungen mit Galliumanteil verwendet werden.
Die Grundlage für die Herstellung eines Halbleiters ist das Dotieren. Bei diesem Vorgang
wird das Kristallgitter absichtlich „verunreinigt“, indem höher- oder minderwertige
Fremdatome in das Material eingefügt werden.
Am Beispiel von Silizium wird nun die n- und die p-Dotierung unterschieden:
Fügt man in das Kristallgitter des vierwertigen Stoffes einen fünfwertigen Stoff, zum
Beispiel Arsen, ein, ist der Stoff aufgrund des frei beweglichen Elektrons des Arsens ndotiert (Fremdatom als Elektronen-Akzeptor / negative Dotierung des Materials).
-423 -
Bei der p-Dotierung (Fremdatom als Elektronen-Donator / positive Dotierung des
Materials) wird das Silizium mit einem dreiwertigen Stoff wie Bor verunreinigt, das heißt
einzelne Silizium-Atome werden durch Bor-Atome ersetzt. Da Bor ein Valenzelektron
weniger als Silizium besitzt, wird diese Stelle zur „Lücke“. Diese freie Lücke wird bei
Stromfluss von nachrückenden Elektronen durchflossen.
Da die Löcher mit dem Stromfluss gefüllt werden, „wandern“ die Defektelektronen also
entgegengesetzt zur Stromrichtung, also in technischer Stromrichtung.
Beim Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung fließen die Elektronen durch die
Rekombinationsschicht (auch Verarmungszone genannt) am p-n-Übergang (Übergang
zwischen positiv und negativ dotiertem Material), was zur Folge hat, dass Photonen
ausgestrahlt werden. Bei der Rekombination geht ein Elektron vom Leitungsband, das
die n-dotierte Seite darstellt (größtmögliche Energie), ins Valenzband, das auf der pdotierten Seite herrscht (nächstkleinere Energie), über. Dabei überschreiten die
Elektronen die Grenzschicht und rekombinieren mit den Löchern, die durch das Dotieren
des Materials herbeigerufen wurden. Diese Betrachtungsweise beruht auf dem
Energiebändermodell, das die energetischen Zustände in einem idealen Einkristall
beschreibt.
Man unterscheidet hierbei abhängig vom verwendeten Material einen direkten
(sofortiger Wechsel von Leitungs- nach Valenzband) und indirekten Übergang. Letzterer
besteht darin, dass der Elektronenimpuls, der bei der Rekombination entsteht, an das
Kristallgitter weitergegeben und somit eine Schwingung verursacht wird. Es entstehen
Phononen, die für Lichtemission ungeeignet sind und deren Energie in Wärme
umgewandelt wird.
3. Bauformen
3.1 Standard LED
Standard-LEDs sind in verschiedenen Größen (Durchmesser des Gehäuses)
erhältlich. Besonders weit verbreitet sind 3mm-, 5mm-, 8mm- und 10-mmLEDs, aber auch Zwischengrößen wie 1,8mm, 4,8mm oder
Sonderbauformen mit eckiger oder ovaler Linse werden hergestellt. Eine
Übergangsform stellen 0,5W-Power-LEDs dar,die im Wesentlichen
-523 -
5mm-LED [3]
Standard-LEDs mit besonders hoher Lichtleistung sind.
3.2 Superflux
Eine effizientere und kleinere Variante der Standard-LEDs sind die
Superflux-LEDs. Bei ihr kommen nicht nur zwei, sondern vier Beinchen
zum Einsatz, um eine bessere Kühlung zu gewährleisten. Sie ist mit einem
oder vier Chips erhältlich. Außerdem werden RGB-Versionen angeboten.
Nichia Superflux
1-Chip [4]
3.3 SMD-LED
SMD-LEDs bauen auf einer Platine auf, um den
Aufwand bei der Produktion und Verarbeitung
möglichst gering zu halten. Zudem ermöglicht
diese Bauweise eine gute Wärmeableitung. Sie
fallen durch ihre flache und kleine Form auf.
Eine Luxeon Rebel nimmt zum Beispiel nur
Luxeon Rebel II
(gelb) [5]
Samsung Ultrabright SMD
2-Chip [6]
einen kleinen Bruchteil der Fläche ein, die ein
1-Cent-Stück beansprucht.
Da die Leistungsfähigkeit moderner LEDs immer weiter zunimmt, gibt es inzwischen auch
High-Power-SMD-LEDs wie die schon genannte Luxeon Rebel oder die Cree XP-Serie.
3.4 High-Power-LED
High-Power-LEDs zeichnen sich, wie ihr Name schon sagt, durch ihre sehr hohe Leistung
aus. Bei dieser Form wird oft Glas als Linsenmaterial verwendet, um die
Hitzebeständigkeit zu gewährleisten. Jedoch setzt zum Beispiel der Hersteller Seoul
Semiconductors auch bei HP-LEDs auf spezielle Linsen auf Silikonbasis, da diese bei Hitze
durch ihre Elastizität optimalen Halt auf dem Gehäuse gewährleisten. Glaslinsen
tendieren öfters als Silikonlinsen zum plötzlichen Herausfallen.
Um die Verarbeitung für Bastler einfach zu halten, gibt es High-Power- und SMD-LEDs oft
auf größeren Platinen (z.B. Star-Platinen).
Bei der mittlerweile schon lange überholten Luxeon I-, III- und V-Serie gab es noch die
Option eines sogenannten Side-Emitters. Hierbei wurde die Linse so angepasst, dass die
Lichtverteilung der einer Glühbirne ähnelt.
-623 -
Luxeon I Side-Emitter auf StarPlatine [7]
Cree MC-E (warm-weiß) [8]
Cree XR-E Q2 Emitter [9]
3.5 RGB-LED
Soll eine LED mehrere Farben darstellen können, werden mehrere Chips mit
unterschiedlichem Farbspektrum in einem Gehäuse verbaut. Durch unabhängige
Anschlüsse kann die Farbe gewählt oder gemischt werden (Prinzip von RGB-LEDs).
Cree MC-E RGBW [10]
3.6 COB-LED
Sollen viele Chips auf einer einzigen Platine Platz finden, werden sie miteinander
verbunden („gebondet“) und in Silikon vergossen. Diese Vorgehensweise nennt man
„chip on board“-Technik, die entsprechenden LEDs COB-LEDs. Alternativ kann zur
Erhöhung des Lichtstroms auch die Fläche eines Chips vergrößert werden.
7W-COB-Modul (48 Chips) [11]
-723 -
Daten einiger weißer LEDs (kaltweiß, höchster erhältlicher Flux Bin):
Name
Bauform
If,max
Uf,typ
Pmax
Φv,max
AChip
(mA)
(V)
(W)
(lm)
(mm²)
Nichia 5mm-LED
Standard
30
4
0,12
15,5 cd
-
Nichia Superflux
Superflux
60
3,1
0,2
25
-
Superflux
60
3,3
0,2
10
-
Luxeon I
HP
350
3,42
1,2
45
1
Luxeon K2 TFFC
HP
1500
3,85
5,8
300
1
HP-SMD
700
3,4
2,4
180
1
Seoul P4
HP
1000
4,0
4,0
240
1
Cree XR-E
HP
1000
3,7
3,7
240
1
Cree XP-G
HP-SMD
1000
3,4
3,4
375
2
Cree MC-E
HP (Quad-DIE)
2800
3,5
9,8
752
4
HP
9000
3,6
32,4
2250
9
HP (Quad-DIE)
6300
13,6
85,7
6000
36
1-Chip
Nichia Superflux
4-Chip
Luxeon Rebel
Luminus Phlatlight
SST-90-W
Luminus Phlatlight
CSM-360-W
4. Eigenschaften
4.1 Elektrische Eigenschaften
Wie schon erwähnt, haben Leuchtdioden nur eine Durchlassrichtung (von + nach -). Die
Stromaufnahme steigt mit zunehmender Spannung in dieser Richtung exponentiell an;
der Lichtstrom nimmt fast linear mit steigender Leistung zu.
Die Vorwärtsspannungen von farbigen LEDs nehmen mit sinkender Wellenlänge, also von
rot über blau bis zum UV-Bereich, zu. Eine rote LED leuchtet hierbei im Durchschnitt
schon ab 1,6V, die blaue erst bei 2,5V und eine UV-LED erst bei etwa 3,1V .
-823 -
U-I-Diagramm einer Seoul P4 [12]
Die Effizienz (gemessen in Lumen pro Watt) bleibt nicht konstant, sondern nimmt mit
steigender Leistung leicht ab (die Effizienz lässt sich im P-Φrel-Diagramm qualitativ als
Steigung ablesen).
I-Φv-Diagramm einer Seoul P4 [13]
Die Spannung stellt sich bei einem Betrieb an einem festen Strom von selbst ein. Wegen
der großen Leistungsdifferenz, die sich schon bei einer geringen Spannungsschwankung
ergibt, regelt man die Leistung einer Leuchtdiode nicht über die Spannung, sondern über
die Stromstärke mit sogenannten Konstantstromquellen.
-923 -
Je größer die Chiptemperatur wird, desto geringer wird die Strahlungsleistung einer
Leuchtdiode.
4.2 Farbe und Farbspektrum
Farbige LEDs geben im Gegensatz zu
anderen Leuchtmitteln (z.B.
Energiesparlampen) nahezu
monochromatisches Licht ab. Ihr
ausgesandtes Licht besteht zwar aus
vielen verschiedenen Wellenlängen,
jedoch gibt es ein klares Maximum,
also die dominierende Wellenlänge.
Weiße LEDs sind im Grunde blaue
LEDs, die mit einem Leuchtstoff, der
ihre Leuchtfarbe verändert, behandelt
wurden. Durch diesen Eingriff lässt
sich auch die derzeit höhere Effizienz
Farbspektrum einer Cree XP-E (oben: Kalt-, Neutral- und
Warmweiß; unten: Blau, Grün, Bernstein, Rot-Orange und
Rot) [14]
von blauen LEDs erklären (Verluste
durch „Umwandlung“ des blauen
Lichts). Des Weiteren lässt sich weißes
Licht auch durch eine UV-LED, die mit verschiedenen Leuchtstoffen beschichtet wird,
erzeugen, jedoch ist diese Methode, wenn es um Wirtschaftlichkeit gehen soll, der
ersteren unterlegen.
Im Farbspektrum weißer LEDs findet man natürlich einen erheblich größeren
Wellenbereich wieder, der vom Leuchtstoff herrühren muss. Je kälter die Lichtfarbe,
desto mehr blaues und weniger rotes Licht wird emittiert. Die Farbtemperatur wird
bevorzugterweise in Kelvin angegeben und richtet sich nach dem Planckschen
Strahlungsgesetz (kurz: Je höher die Temperatur eines erhitzten Körpers, desto kürzer
die Wellenlänge, die er am intensivsten ausstrahlt). Anschaulich lässt sich dies an einer
Glühwendel zeigen: Je heißer sie durch das Erhöhen der Spannung wird, desto „weißer“
leuchtet sie. In anderen Worten heißt das, dass die Intensität der kürzeren Wellenlängen
(also Blau) weiter zunimmt und das Licht, das bei einer niedrigen Temperatur
-1023 -
ursprünglich noch rot war, weiß wird und der langwellige Lichtanteil immer weiter
zurückgeht. Deswegen spricht man bei Farbtemperaturen oberhalb von 5000K auch von
bläulichem oder auch kaltweißem Licht.
Die Grenzen für Warm-, Neutral- und Kaltweiß sind verschwommen; eine ungefähre
Abtrennung kann man auf der obigen Grafik sehen. Von 2600K – 3700K redet man von
Warmweiß, ab 3700K – 5000K von Neutralweiß und darüber von Kaltweiß.
4.3 Klasseneinteilung („Binning“)
Beim Herstellungsprozess ergeben sich naturgemäß Schwankungen in der Qualität der
Produkte. Deswegen geben die Hersteller ihren LEDs jeweils einen bestimmten „Bin“,
der sich oft aus dem „Flux Bin“ (Helligkeitsklasse), dem „Tint“ (Leuchtfarbe) sowie der
dominierenden Wellenlänge (DWL) und dem „Voltage Bin“ (Einteilung nach
Vorwärtsstrom) zusammensetzt. Bei weißen LEDs wird wegen ihrer spektralen
Zusammensetzung der Bereich ihrer Farbtemperatur angegeben, die mit dem
Vorwärtsstrom leicht variiert. Es ist dabei jedem Hersteller selbst überlassen, weitere
Angaben zu machen. Heutzutage werden die LEDs maschinell getestet und verpackt.
Früher, als noch von Hand gemessen wurde, entstand der Begriff „Binning“: Je nach
Klasse legte man die fertigen Produkte in unterschiedliche Behälter (engl.: bin). Die
Klassen sind dabei so gewählt, dass man mit bloßem Auge keinen Helligkeits- oder
Farbunterschied zwischen LEDs gleichen Bins mehr feststellen kann.
An einem Beispiel wird nun kurz die Bedeutung eines Bin-Codes von Cree erläutert:
„MCE4WT-A2-WG-M0“ steht für:
-Cree MC-E
-4 Chips
-Leuchtfarbe Weiß
-Gehäusebeschreibung (A = alle Anodenanschlüsse auf der gleichen Seite)
-Optische Eigenschaften (2 = Abstrahlwinkel 110°)
-Genauere Angabe der Leuchtfarbe (WG = Farbregion zwischen 5700 und 6350
Kelvin)
-Helligkeitsklasse (M0 = zwischen 430 und 490lm bei 350mA Vorwärtsstrom)
-1123 -
4.4 Vor- und Nachteile
Farbige LEDs sind durch ihr fast monochromatisches Licht und die damit verbundene
hohe Effizienz ideal für eine Vielzahl von Anwendungen. Im Automobilsektor
übernehmen LEDs zum Beispiel mehr und mehr die Funktion der Glühbirne in Blinkern
und Bremsleuchten. Insbesondere bei letzteren wird die Sicherheit für nachfolgende
Fahrzeuge bei hohen Geschwindigkeiten um einen gewissen Faktor erhöht, da der
Hinterherfahrende früher die Möglichkeit hat, um zu reagieren.
Weiße LEDs besitzen jedoch den oftmals entscheidenden Nachteil ihres niedrigen
Farbwiedergabeindex (engl.: Color Rendering Index, kurz CRI). Gute Glühbirnen
erreichen hierbei den Idealwert von 100, der aussagt, dass alle Farben der angestrahlten
Objekte einwandfrei erkannt werden können. Kaltweiße LEDs besitzen meistens einen
CRI von 70-80; der derzeitige Rekordhalter unter den High-Power-LEDs, die Seoul P4,
bringt es in warmweißer Ausführung immerhin auf einen Wert von 93. Die Verbesserung
der Lichtqualität hat, wie so oft, jedoch negative Auswirkungen auf die Lichtquantität,
das heißt den Lichtstrom und die Effizienz. Anders als kaltweiße Ausführungen schaffen
warm- und neutralweiße HP-LEDs abhängig vom Bin bei 350mA etwa 70-90lm (kaltweiß:
bis zu 140lm).
Ein weiterer, oftmals wenig Beachtung findender Nachteil von (unverbauten)
Leuchtdioden ist ihre Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischer Entladung, auch
Funkenentladung genannt. Sind die Dioden in einem Gehäuse (Beispiel Taschenlampe)
verbaut, bedinden sie sich in einem Faradayschen Käfig und sind gegenüber
Funkenentladung „immun“.
Ein sehr wichtiger Punkt ist die Ansprechzeit von LEDs: Sie ist hier allen anderen
Leuchtmitteln überlegen. Sobald ein Strom anliegt, beginnt sie so gut wie sofort (<2ms)
zu leuchten und tut dies dann mit voller Leistung. Eine lange „Aufwärmphase“ wie beim
Extrembeispiel, den Gasentladungslampen, ist nicht existent. Deshalb lassen sich LEDs
per Pulsweitenmodulation (pulsendes Stromsignal; der Stromfluss wird durch die
Frequenz geregelt) einwandfrei dimmen. Die LED wird also extrem schnell an- und
wieder ausgeschalten.
Hinzu kommt noch die hohe Erschütterungsfestigkeit von LEDs. Ist eine LED korrekt
verbaut worden, hält sie Krafteinwirkungen, wie sie beim versehentlichen
Herunterfallen entstehen, meistens ohne weiteres aus. Die meisten anderen bekannten
Leuchtmittel würden beim Aufprall zerstört oder schwer beschädigt werden.
-1223 -
Die hohe Lebensdauer der LED ist ebenfalls ein herausragender Vorteil. Die meisten
Produkte sind dabei so ausgelegt, dass sie auch bei maximaler Leistung noch mindestens
30000h durchhalten können, auch wenn dann nur noch 70% der Anfangsleistung zur
Verfügung stehen. Vereinzelt geben die Hersteller auch die Chance dafür an, dass eine
LED nach einer bestimmten Zeit noch funktionsfähig ist. Die Lebensdauer ist immer
abhängig von den Betriebsbedingungen, also Umgebungs- und Chiptemperatur und
natürlich dem Vorwärtsstrom.
5. Anwendung
5.1 Einsatzbereiche
Als Signallampe werden LEDs schon seit langer Zeit verwendet, zum Beispiel in
Anzeigeelementen in Flugzeugcockpits, aber auch im Auto. Auf elektronischen Bauteilen
findet man oftmals Status-LEDs, die den Betriebszustand anzeigen. Auf dem Gebiet der
Unterhaltungselektronik braucht man LEDs als Hintergrundbeleuchtung für Displays oder
im Fall von Großbildschirmen als Display selbst, wobei hier ein „Pixel“ aus einer RGBEinheit besteht, um so alle gewünschten Farben darstellen zu können. Ebenfalls wichtig
für den Unterhaltungssektor sind Infrarot-LEDs, die sehr oft in Fernbedienungen zum
Einsatz kommen.
Im Verkehr werden LEDs heutzutage in Ampeln, aber auch in veränderbaren
Verkehrsschildern (Autobahn) verbaut, da sie auf die Dauer die wirtschaftlich günstigste
Lösung bieten. Ein erschwerender Faktor bei der Verwendung als Autobahnschild ist,
dass gerade dann, wenn die größte Lichleistung benötigt wird – zur Mittagszeit – vor
allem im Sommer für die LEDs unwirtliche Temperaturen herrschen. Der
Umgebungstemperatur entsprechend benötigen sie mehr Leistung, um den gleichen
Lichtstrom zu produzieren.
In der Öffentlichkeit tauchen immer wieder Laufschriftanzeigen auf, die ihre
Botschaften ebenfalls mit LED-Licht erzeugen.
Die Bedeutung für die Automobilbranche wurde bereits angesprochen, jedoch ist die
zunehmende Verbreitung erwähnenswert. Der Hersteller Audi brachte zum Beispiel
erstmals einen voll funktionsfähigen LED-Hauptscheinwerfer für die Modelle A8 und R8
zur Serienreife, dessen Leistung jedoch, wie bei vielen Neuentwicklungen üblich, noch in
ungünstiger Relation zum Preis steht. Die Probleme, die bei der Entwicklung gelöst
-1323 -
werden müssen, haben angesichts des heutigen Entwicklungsstands weniger mit der
Leistung als vielmehr mit den Auflagen des Gesetzgebers (z.B. Vermeidung der Blendung
des Gegenverkehrs) zu tun.
Auch die Medizin profitiert von LEDs, wie man zum Beispiel in der Zahntechnik sieht.
Hier helfen UV-LEDs bei der Polymerisation von Kunststoffen.
Außerdem bevorzugt man wegen ihrer Kompaktheit und gleichzeitigen Leistungsfähigkeit
LEDs in der mobilen Beleuchtungstechnik (Taschenlampen und kleine tragbare
Scheinwerfer), auch wenn bei höchsten Ansprüchen an den Lichtstrom (>2000lm)
trotzdem Hochdruck-Gasentladungslampen (kurz HID für „High Intensitiy Discharge“)
verwendet werden, da diese, im Gegensatz zu LEDs, nahezu keine Kühlung benötigen
und die enormen Kühlmassen der Kühlkörper oder zusätzliche Kühlmaßnahmen wie etwa
Lüfter damit wegfallen. Nachteile wie die Ansprechzeit werden hier in Kauf genommen.
5.2 Schaltungen
LEDs werden entweder einzeln, in Reihe oder parallel geschalten. Auch SerienParallelschaltungen sind möglich.
Serienschaltung aus 5 LEDs
Parallelschaltung aus 3 LEDs
Serien-Parallelschaltung aus 3 LEDs
Bei Parallelschaltungen ist jedoch die Gefahr gegeben, dass die einzelnen Dioden
unterschiedliche U-I-Kennlinien besitzen. Dies hätte zur Folge, dass der Strom nicht
gleichmäßig, sondern unterschiedlich verteilt wird, da zum Beispiel die erste LED ihren
Maximalstrom schon bei 3,4V erreichen könnte, die zweite erst bei 3,6V. Wie bereits
bekannt ist, kann bereits diese vergleichsweise kleine Spannungsdifferenz bei LEDs eine
große Änderung des Stromes zur Folge haben. Die auf diese Weise übersteuerte LED mit
3,4V Vorwärtsspannung hat demzufolge eine niedrigere Lebenserwartung, unterliegt
-1423 -
abhängig von ihrer Belastbarkeit unter Umständen sogar einem Totalausfall.
Keine Sorgen machen muss man sich allerdings bei LED-internen Parallelschaltungen, wie
sie bei Multi-Emittern wie der Cree MC-E oder Seoul P7 auftreten beziehungsweise bei
der ersteren eine Option sind. Die Hersteller achten bei der Zusammensetzung der
einzelnen Chips aufgrund des erwähnten Problems auf möglichst identische U-IKennlinien.
5.2.1 Direktbetrieb mit oder „ohne“ Widerstand
In manchen Fällen ist der direkte Betrieb von LEDs an einer Spannungsquelle
realisierbar. Dabei darf die Spannung jedoch nicht die maximale Vorwärtsspannung der
Diode übersteigen, da diese damit sonst einen enorm gesteigerten Strom aufnimmt und
schwer beschädigt oder zerstört werden kann. Wenn die Spannung an der Quelle zu hoch
ist, muss ein Widerstand zur Vernichtung der Differenzspannung zwischen der maximalen
Vorwärtsspannung und der zugeführten Spannung eingesetzt werden. Der Widerstand
errechnet sich nach der klassischen Formel R = U / I. Die minimale Leistung, die der
Widerstand dabei übernehmen muss, errechnet sich nach P = R * I².
Stimmt die verfügbare Spannung mit der Vorwärtsspannung überein, ist ein Betrieb
„ohne“ zugeschalteten Widerstand möglich. Jedoch müssen auch hier Widerstände
vorhanden sein, beispielsweise der Innenwiderstand der Spannungsquelle oder in der
Verkabelung.
Im Folgenden wird an zwei verschiedenen Beispielschaltungen nocheinmal die
Durchführbarkeit eines Direktbetriebs überprüft.
Beispiel 1: Cree XR-E R2 an 3 AA-Akkus (NiMH / NiCd)
Uf,max : 4,0V
If,max: 1000mA
Ubatt: 3 * 1,2V = 3,6V
Sind die Akkus frisch geladen, besitzen sie meist etwa 1,4V Spannung. Verbunden mit
ihrem geringen Innenwiderstand, stellt ein Direktbetrieb an der LED eine nicht zu
verachtende Gefahr für die Diode dar, denn ein schneller Abfall der Akkuspannung ist
nicht zu erwarten. Entlädt man die Akkus anderweitig, bis sie auf ihre Normspannung
-1523 -
(1,2V) zurückfallen, ist der Betrieb nicht mehr schädlich für die LED. Eine andere Lösung
für das Problem wäre, einen Widerstand zwischen dem Pluspol der LED und dem Pluspol
der Akkus zu schalten (R = ((3 * 1,4V) – 4,0 V)/1A = 0,2Ω). Beachtet werden muss die
Vorwärtsspannung der LED beim gewünschten Vorwärtsstrom (4,0V typisch bei 1000mA).
Beipiel 2: Phlatlight Luminus SST-90 an 3 D-Akkus (NiMH / NiCd)
Uf,max : 3,6V
If,max: 9000mA
Ubatt: 3 * 1,2V = 3,6V
Obwohl die Akkus wie in Beipiel 1 eine anfänglich zu hohe Spannung besitzen, sinkt diese
unter Last aufgrund des sehr hohen von der LED beanspruchten Stroms sehr schnell auf
etwa 1,2V ab, auch wenn Zellen der Größe D einen im Vergleich zu AA-Zellen einen sehr
kleinen Innenwiderstand haben. Der Direktbetrieb ist problemlos durchführbar, wobei
die LED abhängig von der Qualität der Akkus eventuell nicht einmal ihre komplette
Leistung entfalten kann.
Abhängig von Energieverlusten an der Schaltung kann der Direktbetrieb manchmal eine
günstige Lösung sein, jedoch ist kein konstanter Strom für die LED gewährleistet.
Vor allem bei einigen Taschenlampenherstellern ist der Direktbetrieb aufgrund der
geringeren Kosten sehr beliebt. Da man außer im Bereich der mobilen Beleuchtung
selten Akkus oder Batterien, sondern andere Spannungsquellen (z.B. ~230V Stromnetz)
verwendet, deren Ausgangsspannung oft nicht mit der LED-Vorwärtsspannung
übereinstimmt, setzt man bei stationären Lösungen auf „richtige“ Steuerelektronik.
5.2.2 Betrieb mit Konstantstromquellen
Man unterscheidet mehrere Arten von Konstantstromquellen, auch Treiber genannt.
Lineare Konstantstromquellen arbeiten als variabler Widerstand, der sich durch analoge
integrierte Schaltkreise genau so anpasst, dass der Ausgangsstrom konstant bleibt. Dabei
muss die Eingangsspannung oberhalb der Vorwärtsspannung liegen, wobei eine zu große
Differenz hinderlich ist, weil die überschüssige Spannung die Entstehung von
Wärmeenergie zur Folge hat. Diese Regler besitzen, bedingt durch das Funktionsprinzip
des Widerstands, einen niedrigeren Wirkungsgrad als höherwertige prozessorgesteuerte
-1623 -
Treiber.
Letztere werden hauptsächlich als Buck- (Abwärtsregler), Boost- (Aufwärtsregler) und
Boost/Buck- (Auf-/Abwärtsregler) Treiber angeboten.
Ein Buck-Treiber kommt immer dann zum Einsatz, wenn die vorhandene
Betriebsspannung oberhalb der Vorwärtsspannung oder im Fall einer Reihenschaltung
mehrerer LEDs unterhalb der Summe der Vorwärtsspannungen liegt. Er weist einen
relativ hohen Wirkungsgrad auf (>90%) und ist der am einfachsten aufzubauende
getaktete Treiber.
Boost-Treiber werden benötigt, wenn die Spannungsquelle eine zu niedrige Spannung
abgibt, um die LED zum Leuchten zu bringen. Der Aufwärtsregler stellt, wie alle Treiber,
den Ausgangsstrom auf einen passenden Wert ein; die Ausgangsspannung wird von der
LED bestimmt, passt sich also dem jeweiligen Wert der Vorwärtsspannung bei einem
bestimmten Vorwärtsstrom an. Auch Boost-Treiber haben einen hohen Wirkungsgrad
(>90%).
Boost/Buck-Treiber werden eingesetzt, wenn die Spannungsquelle eine der
Vorwärtsspannung ähnliche Spannung besitzt oder um deren Bereich schwankt (was auch
beim Direktbetrieb der Fall ist). Mikroprozessorgesteuerte Schaltelemente halten den
Ausgangsstrom unabhängig von der Eingangsspannung konstant. Auch dieser Treiber ist
sehr effizient (>90% Wirkungsgrad), weist aber die kompliziertesten Schaltungen unter
den getakteten Treibern auf.
5.2.3 „Direkter“ Betrieb am Stromnetz
Bisher einmalig und deswegen erwähnenswert ist die Lösung, die der Hersteller Seoul
Semiconductors für seine Seoul Acriche anbietet: Die LED kann ohne jegliche
Konstantstromquelle direkt ans Stromnetz (~230V) angeschlossen werden, da die nötige
Elektronik im Gehäuse auf kleinstem Raum bereits integriert ist. Der Begriff
„Direktbetrieb“ hat auch hier nur die Bedeutung, dass keine zusätzlichen Maßnahmen
zur Strombegrenzung nötig sind.
5.2.4 Beispiel für einen Versuchsaufbau mit einer HP-LED
Für den korrekten Betrieb einer HP-LEDs sollte man zunächst eine Konstantstromquelle
verwenden, die mit der gewünschten Betriebsspannung harmoniert. Da schon bei
kleineren Vorwärtsströmen (etwa 100mA) eine spürbare Wärmeentwicklung stattfindet,
müssen HP-LEDs immer ausreichend mit einem massiven Kühlkörper gekühlt werden.
-1723 -
In der Beispielschaltung soll eine LED mit 500mA betrieben werden, während die
vorhandene Eingangsspannung unterhalb der Vorwärtsspannung für diesen Strom an der
LED liegt. Deswegen wird eine Boost-Konstantstromquelle verwendet.
6. Stand der Technik
6.1 Vergleich mit anderen (Licht-)Techniken
Die LED muss sich zur Zeit mit folgenden Systemen messen:
-herkömmliche Glühbirne
-Halogenglühbirne
-Energiesparlampe
-Kaltkathodenlampe (z.B. Neonröhre)
-Gasentladungslampe (z.B. HID-Lampe)
Bei kleineren Leistungen und Lichtströmen liegt die LED heute schon in der Effizienz auf
dem ersten Platz. Erst bei Leistungen oberhalb der 20W-Grenze ist der z.B. im KFZBereich eingesetzte HID-Brenner mit einer durchschnittlichen Effizienz von 80 bis
-1823 -
100lm/W und einem gleichzeitig guten Farbwiedergabeindex auf Augenhöhe mit den
besten zur Zeit erhältlichen LEDs und übertrifft diese bei noch höheren Leistungen. LEDs
können oberhalb dieser (sehr verschwommenen) Grenze nur noch in gesteigerter Anzahl
mithalten, da die Verluste durch Wärmeentwicklung bei einer einzelnen LED zu hoch
werden.
Die herkömmliche Glühbirne schafft bestenfalls etwa 15lm/W, was durch den Einsatz
von Halogentechnik in der Halogenglühbirne auf bis zu 25lm/W verbessert werden kann.
Außerdem nimmt die Leuchstärke der Halogenglühbirne über die Zeit nicht ab, weil ein
chemischer Prozess verhindert, dass kleine Partikel aus dem Glühdraht am Glas hängen
bleiben.
Energiesparlampen (oder Heißkathodenlampen) bringen es auf etwa 80lm/W, auch
Neonröhren weisen meistens diese Effizienz auf und liegen oft noch leicht darüber,
haben aber längere Einschaltzeiten. Andere Gasentladungslampen (z.B.
Quecksilberdampflampen) errreichen Werte von bis zu 140lm/W, NatriumdampfNiederdrucklampen erreichen bis zu 200lm/W. Der größte Nachteil dieser
hocheffizienten Leuchtmittel ist jedoch ihr sehr schlechter Farbwiedergabeindex
aufgrund ihres monochromatischen Lichts.
Gasentladungslampen (wie Energiesparlampen oder Kaltkathodenlampen auch) entfalten
ihre volle Leistung erst nach einer gewissen Zeit. Glühbirnen erreichen ihre
Maximalleistung zwar fast sofort (nach einigen 100ms), jedoch ist ein ständiges Ein- und
Ausschalten nicht ratsam, da die Glühwendel hohen physikalischen Belastungen durch
die anfänglich hohe Stromaufnahme ausgesetzt ist (nötig zum Aufheizen). Die
Energiesparlampe ist in der herkömmlichen Bauweise kälteempfindlich, da sie bei
niedrigen Temperaturen (< 0°C) ihre volle Leuchtstärke nicht mehr entfalten kann. Die
LED hingegen steigert bei niedrigen Temperaturen sogar noch ihre Effizienz und leuchtet
noch heller.
Qualitativer Vergleich verschiedener Leuchtmittel (weißes Licht)
Schaltfestigkeit/
Ansprechzeit
Effizienz
(allgemein)
Lebensdauer
Zukunftsaussichten
Kosten/
Aufwand
Glühbirne
+++
+
++
-
+++++
Halogenglühbirne
+++
++
+++
+
++++
Energiesparlampe
++
++++
++++
+++
+++
Kaltkathodenlampe
+
+++++
++++
+++
++++
HID-Lampe
+
++++++
++++
+++
++
++++++
++++++
+++++
+++++
+
LED
-1923 -
6.2 Ausblick auf die Zukunft
Die Effizienzsteigerung bei LEDs wird auch in nächster Zukunft weiter eine wichtige
Rolle spielen, jedoch legt man schon zur heutigen Zeit verstärkt Wert auf die Steigerung
der Lichtqualität, zum Beispiel in Form eines erhöhten CRI oder einer wärmeren
Lichtfarbe. Die zuletzt genannten Ziele werden höchstwahrscheinlich stärkere
Zustimmung bei den Kunden finden als heutzutage, da die allgemeine Erhöhung der
Effizienz soweit geht, dass man für angenehmeres Licht wohl leichter auf höhere
Lichtströme verzichten kann.
Schon jetzt zeigen die Tests in den Labors der großen Halbleiterfabrikanten, dass die
LED durchaus in der Lage ist, in Zukunft das marktführende Leuchtmittel zu werden.
Cree veröffentlichte am 1. Dezember 2009 einen Bericht über einen Versuch mit einer
neuentwickelten neutralweißen (4577K) High-Power-LED, die es auf eine Effizienz von
186lm/W bei 350mA brachte – unter Normalbedingungen. Bis diese LED auf den Markt
kommt, wird natürlich noch etwas Zeit vergehen. Interessant ist aber, dass
„Quantensprünge“ wie etwa die Einführung der Seoul P4 (Steigerung der Lichtausbeute
um ~100% gegenüber der damaligen Luxeon-Serie) vor wenigen Jahren oder jetzt der
Cree XP-G immer wieder vorkommen.
Mit der Zeit werden auch die Preise für qualitativ hochwertige LEDs weiter fallen, was
zusätzlich dazu beitragen wird, dass die LED immer weitere Verbreitung findet. Wie
schon in 6.1 gezeigt, ist der hohe Preis von modernen LEDs immer noch der einzige
bedeutende Minuspunkt.
Der LED-Markt zeigt dabei eine deutliche Analogie zum Computermarkt. Beide erfuhren
anfangs wenig Beachtung, die allerdings rapide zunahm, als sich die Technik
gleichermaßen rapide verbesserte. Auch die LED wird, wie die Computertechnik
(Prozessoren), früher oder später an ihre Grenzen stoßen, denn die theoretische
maximale Lichtausbeute für die blauen – das heißt effizientesten – LEDs liegt bei etwa
300 lm/W.
Vor allem High-Power-LEDs werden in Zukunft dafür sorgen, dass die LED-Technik eine
noch weiter gesteigerte Akzeptanz in der Öffentlichkeit genießt.
-2023 -
7. Quellen
7.1 Web-Quellen
Bildnachweis:
[1] http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph09_g8/versuche/05led/led_effizienz.gif
[2] http://www.fachlexika.de/technik/mechatronik/led.jpg
[3] http://www.led-tech.de/images/products/startimage/LT-72-1140866120.jpg
[4] http://www.led-tech.de/images/products/startimage/LT-1533-1247152561.jpg
[5] http://www.led-tech.de/images/products/startimage/LT-1540-1248254505.jpg
[6] http://www.led-tech.de/images/products/startimage/LT-1540-1248254505.jpg
[7] http://www.led-tech.de/images/products/startimage/LT-1017-1178215272.jpg
[8] http://www.cree.com/products/images/Cree_MC-E_White_175.jpg
[9] http://www.led-tech.de/images/products/startimage/LT-1064-1180985474.jpg
[10] http://www.cree.com/products/images/Cree_MCE_RGBW_175.jpg
[11] http://www.led-tech.de/images/products/thumbs/LT-1416-1219759149.jpg
[12] http://www.led-tech.de/images/products/thumbs/LT-985-1170085037.jpg
[13] http://www.led-tech.de/images/products/thumbs/LT-985-1170085041.jpg
[14] http://www.cree.com/products/pdf/XLampXP-E.pdf
-2123 -
Andere Quellen:
http://www.luminus.com/stuff/contentmgr/files/0/5b2bab98d54138d7a9ba350782e510
bf/misc/pds_001353_rev_02__csm_360_w_product_datasheet_illumination.pdf
http://www.luminus.com/stuff/contentmgr/files/0/49fb13dd1ecd06ba454cc7714a96b03
2/misc/pds_001342_rev_03_sst_90_w_product_datasheet_illumination.pdf
http://www.cree.com/Products/pdf/CPR3CR.pdf
http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode
http://www.acriche.com/en/product/prd/zpowerLEDp4.asp
http://www.cree.com/press/press_detail.asp?i=1259701233981
http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/versuche/15led/led_anwend.htm
http://www.p4c.philips.com/files/8/872790083536600/872790083536600_pss_deu.pdf
http://www.osram.de
http://www.walamp.com/lpd/webstore/detail.tpl?partnumber=M10N0011&cart=12631415094386414
7.2 Fachliteratur
Johannes Krückeberg: Hochleistungs-LEDs in der Praxis, Franzis Verlag Poing, 2007
7.3 Verwendete Software
Die Schaltpläne unter 5.2 wurden erstellt mit Eagle Layout Editor 5.6.0.
-2223 -
Der schematische Versuchsaufbau unter 5.2.4 wurde erstellt mit Microsoft Paint.
8. Zeichenerklärung
RGB
„Rot-Grün-Blau“
RGBW
„Rot-Grün-Blau-Weiß“ (4 verschiedene Farben der Cree
MC-E RGBW)
cd
Lichtstärke in Candela
SMD
Abkürzung für „Surface-Mounted-Device“
HP
Abkürzung für „High-Power“
If,max
Maximaler Vorwärtsstrom
[mA]
Uf,typ
Typische Vorwärtsspannung
[V]
Pmax
Maximale Leistung
[W]
Φv,max
Maximaler Lichtstrom
[lm]
AChip
Chip-Fläche
[mm²]
DIE
englischer Begriff für Halbleiterkristall
-2323 -