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LED
[Bearbeiten] Beschreibung Eine LED (engl. Light Emitting Diode, Leuchtdiode) besteht aus einem Halbleiter-PN-Übergang, der durch seine Zusammensetzung Licht eines stark begrenzten Wellenbereiches emittiert, wenn er in Durchlassrichtung von Strom durchflossen wird. Die Helligkeit einer LED ist in erster Näherung proportional zum Strom. Die Farbe des emittierten Lichts hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Es existieren Halbleitermaterialien für den gesamten sichtbaren Bereich als auch für den Infrarotbereich und den nahen Ultraviolettbereich. Für kurze Wellenlängen (Blau bis Ultraviolett) ist ein Halbleitermaterial wie z. B. InGaN oder GaN erforderlich. Für die ersten blauen LEDs wurde SiC verwendet, welche aber eine schlechte Effizienz hat (Quelle:Wikipedia). Weißes Licht oder andere Farbmischungen können erzeugt werden, indem man eine Blau- oder Ultraviolett-LED mit einem Phosphormaterial beschichtet, welches durch das Licht der LED zur Emission angeregt wird. Die entstehende Farbe wird dabei von der Beschichtung bestimmt. [Bearbeiten] DurchlassspannungLEDs haben im Vergleich zu gewöhnlichen Dioden eine vergleichsweise hohe, vom Halbleitermaterial abhängige Durchlass-Spannung. Bevor diese erreicht wird, fließt nur sehr wenig Strom und die LED leuchtet fast nicht. Oberhalb der Durchlassspannung steigt der Strom schnell an (Diodenkennlinie). Die Durchlass-Spannung reicht von ca. 1,2 V bei Infrarot-LEDs bis zu etwa 4 V bei Ultraviolett-LEDs.
[Bearbeiten] DurchlassstromDa LEDs durch einen zu hohen Strom zerstört werden, muss der Strom begrenzt werden. Typische Maximalwerte liegen abhängig von der LED z. B. bei 2 mA (low current) oder 20 mA. Genaue Angaben dazu finden sich in entsprechenden Datenblättern. [Bearbeiten] VorwiderstandIm einfachsten Fall und bei relativ geringfügig variierender Betriebsspannung kann man dazu einen Widerstand einsetzen.  Bei 6 V Betriebsspannung, einer Durchlassspannung der LED von 2,4 V und einem gewünschten Strom von 20 mA braucht man nach dem ohmschen Gesetz einen Widerstand von 180 Ohm, bei 12 V Betriebsspannung sind es 480 Ohm. In der Praxis wird jeweils der nächstgrößere Standardwert gewählt (E-Reihen).
Mit einem 480-Ohm-Widerstand, welcher für 12 V Betriebsspannung passend ist, würden bei 6 Volt statt 20 mA nur noch 7,5 mA fließen. Mit einem 180-Ohm-Widerstand, welcher für 6 V Betriebsspannung passend ist, würden bei 12 V statt der gewünschten 20 mA allerdings schon 53 mA fließen. Beachten muss man auch die als Wärme abgegebene Verlustleistung über dem Vorwiderstand, vor allem wenn man LEDs an eine recht hohe Betriebsspannung von 12 V oder gar 24 V anschließt. Die Verlustleistung berechnet sich einfach aus In diesem Beispiel mit der 2,4-V-LED und einem Strom von 20 mA heißt das, dass an dem 480-Ohm-Widerstand eine Verlustleistung von 192 mW abfällt. Ein kleiner SMD-Widerstand der Größe 0805 hält das nicht mehr aus (1/8 W = 125 mW maximal). Wie man aus dem Beispiel erkennt, ist bei stark variierender Betriebsspannung ein Vorwiderstand weniger geeignet. Es sei denn, man nimmt sehr unterschiedliche LED-Ströme und damit LED-Helligkeiten oder möglicherweise die Zerstörung der LED in Kauf. [Bearbeiten] KonstantstromquelleBei stark schwankender Versorgungsspannung oder Umgebungstemperatur heißt der Ausweg Konstantstromquelle. Kriterien für die Auswahl einer Schaltung für die Konstantstromquelle sind hierbei z. B. Betriebsspannungsbereich, erforderliche Genauigkeit und Kosten. Auch hier ist zu beachten, daß die Verlustleistung der Konstantstromquelle von den Bauteilen abgeführt werden muss, mit einer gewissen Ausnahme der Lösungen mit Schaltregler. [Bearbeiten] Mehrere LEDs zusammenschaltenDiese Frage bewegt immer wieder die Gemüter. Wie schaltet man mehrere LEDs richtig zusammen? [Bearbeiten] ReihenschaltungIn einer Reihenschaltung ist der Strom durch alle Verbraucher gleich. Ideal für LEDs. Hat man eine ausreichend hohe Versorgungsspannung, kann man mehrere LEDs in Reihe schalten. Dann reicht ein einziger Widerstand bzw. eine Konstantstromquelle. Allerdings sollte man das nicht übertreiben. 100 LEDs an gleichgerichtete Netzspannung hängen ist nicht gut! (Sicherheit!) Als Hobbybastler sollte man sich auf Spannungen kleiner als 60V beschränken. [Bearbeiten] ParallelschaltungDas direkte Parallelschalten von LEDs ist sehr kritisch und muss vermieden werden. Grund ist die exponentielle Diodekennlinie, welche bewirkt, dass eine kleine Spannungsänderung eine grosse Stromänderung hervorruft. Schaltet man nun zwei LEDs mit verschiedenen Durchlassspannung parallel, bekommt die mit der niedrigeren Durchlassspannung DEUTLICH mehr Strom ab, dadurch wird sie nicht nur deutlich heller sondern auch wärmer. Das führt zum 2. Problem, denn mit steigender Temperatur sinkt die Durchlassspannung zusätzlich, wodurch sich der Effekt weiter verstärkt! LEDs verschiedender Farben haben sehr unterschiedliche Durchlassspannungen, hier ist ein direktes Parallelschalten vollkommen unmöglich. Aber selbst LEDs mit gleicher Farbe und aus einem Produktionsdurchlauf (Lot) weisen herstellungsbedingt bisweilen erhebliche Streuungen der Durchlassspannung auf! Richtig Parallelschalten kann man LEDs aber durch
Letztere Methode wird von professionellen Herstellern verwendet, um bei grösseren Anzeigen LEDs direkt parallel schalten zu können. Die Unterschiede in der Flußspannung bei Nennstrom sollten dabei kleiner als 10mV(?) sein. Das gilt natürlich auch für das Parallelschalten von LED-Strängen, also Reihenschaltungen von LEDs. [Bearbeiten] Siehe auch
[Bearbeiten] Weblinks
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