LED

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Beschreibung[Bearbeiten]

Detailfoto einer RGB-LED [1]

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.


Durchlassspannung[Bearbeiten]

LEDs 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 praktisch nicht. Oberhalb der Durchlassspannung (Flussspannung) steigt der Strom schnell an (Diodenkennlinie). Die Flussspannung reicht von ca. 1,2 V bei Infrarot-LEDs bis zu etwa 4 V bei Ultraviolett-LEDs. Auffällig ist die Korrelation zwischen Spannung und der Farbe, die damit zusammenhängt, dass die Emission höherenergetischer Photonen einen größeren Bandabstand im Halbleitermaterial erfordert, welcher von den Elektronen überwunden werden muss, wenn sie ihre Energie abgegeben. Da anfänglich nur Halbleiter mit geringem Bandabstand produziert wurden und aufgrund von mangelnder Reinheit oft Zwischenniveaurekombination stattfand, waren lange Zeit keine blauen oder gar echtvioletten LEDs herstellbar. Die ersten verfügbaren LEDs waren naturgemäß auch rot.

Farbe typische
Flussspannung [V]
Infrarot 1,2
Rot 1,8
Gelb 2,0
Grün 2,2
Grün
(Ultrahell)
3,3
Blau 3,6
Weiß 3,6
Ultraviolett 4

Durchlassstrom[Bearbeiten]

Da LEDs durch einen zu hohen Strom zerstört werden, muss der Strom begrenzt werden. Der Maximalstrom einer LED ist bei allen Typen sehr ähnlich und liegt bei 25 -30 mA. Eine standard LED wird üblicherweise mit 20 mA betrieben. Moderne LEDs kommen häufig mit sehr viel weniger Strom aus. So benötigt eine Low-Current LED nur 2 mA um sehr hell zu leuchten. Da der Maximalwert auch für eine Low-Current LED gilt, schadet es nicht, wenn man sie mit 20 mA betreibt. Sinnvoll ist es aber nur beim Multiplexen. Genaue Angaben dazu finden sich in entsprechenden Datenblättern.

Vorwiderstand[Bearbeiten]

Im einfachsten Fall und bei relativ geringfügig variierender Betriebsspannung kann man dazu einen Widerstand einsetzen.

Led rv.png
R_V=\frac{Vcc-U_\text{LED}}{I_\text{LED}}
  • R_V: Vorwiderstand in Ohm
  • Vcc: Betriebsspannung in Volt
  • U_{LED}: Durchlassspannung der LED in Volt
  • I_{LED}: Strom durch die LED in Ampere

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 180Ω, bei 12 V Betriebsspannung sind es 480Ω. In der Praxis wird jeweils der nächstgrößere Standardwert gewählt (E-Reihen).

Was passiert nun, wenn die Flußspannung der LED etwas anders ist als angenommen, z.B. durch Fertigungstoleranzen, höheren Strom oder stark veränderte Temperatur? Bleiben wir bei dem Beispiel mit 6V Versorgungsspannung, 2,4V Flußspannung, 20mA und 180 Ohm Vorwiderstand. Es fallen rechnerisch 3,6V am Vorwiderstand ab. Wenn nun die Flußspannung um 0,2V schwankt (realistischer Wert), ändert sich die Spannung über dem Vorwiderstand um diese 0,2V. Bezogen auf 3,6V Spannungsabfall sind das 5,5%. Bei 12V Betriebsspannung und damit 9,6V Spannungsabfall über dem Vorwiderstand sind es nur noch 2%. Daraus erkennt man, dass der Vorwiderstand umso besser als Konstantstromquelle wirkt, je höher der Spannungsabfall über diesem ist. Eine echte Konstantstromquelle mit aktiven Elementen (Transistoren) erreicht den gleichen Effekt mit deutlich weniger Spannungsabfall.

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

P_\text{RV} = (V_\text{cc}-U_\text{LED}) \cdot I_\text{LED} = I_\text{LED}^2 \cdot R_\text{V}

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.

Bei Batteriebetrieb werden LEDs häufig ohne Vorwiderstand betrieben. So z.B. bei billigen Taschenlampen und Fahrradlampen. Dabei werden oft sogar zwei 1,5V Batterien in Reihe geschaltet und die LED direkt angeschlossen. Der Grund ist, dass das alles nichts kosten darf und man sich auf den Innenwiderstand der Batterie und der LEDs verlässt, um den Strom halbwegs zu begrenzen.

Konstantstromquelle[Bearbeiten]

Bei 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.

Betriebsstrom[Bearbeiten]

In der Praxis werden LEDs oft mit einem weit geringeren als dem maximal zulässigen Durchlassstrom betrieben. Insbesondere im Entwicklungs- und Experimentierumfeld kann eine für maximal 20 mA ausgelegte LED auch mit lediglich 3-5 mA betrieben werden. Der subjektiv wahrgenommene Helligkeitsverlust ist deutlich geringer, als der prozentuale Unterschied der Stromstärke vermuten lässt, siehe Artikel LED-Fading.

Mehrere LEDs zusammenschalten[Bearbeiten]

Diese Frage bewegt immer wieder die Gemüter. Wie schaltet man mehrere LEDs richtig zusammen?

Reihenschaltung[Bearbeiten]

In 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. 100-150 LEDs direkt an die Netzspannung zu hängen ist nicht möglich, da die LEDs zu viel Sperrspannung abbekommen würden. Auch bei gleichgerichteter Spannung besteht ein Sicherheitsproblem. Als Hobbybastler sollte man sich auch hier auf Spannungen kleiner als 40V beschränken.

Parallelschaltung[Bearbeiten]

Das 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

  • Vorwiderstand/Konstantstromquelle für jede einzelne LED
  • Auswählen von ausgemessenen LEDs mit sehr ähnlicher Flußspannung

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.

Reihen- plus Parallelschaltung[Bearbeiten]

Eine Kombination aus Serien- und Parallelschaltung ist weniger kritisch, da sich die unterschiedlichen Kennlinien statistisch mitteln. Z.B. kann man 20 LEDs in Reihe und mehrere solcher Stränge parallel schalten. Eine einzelne Diode mit geringerer Durchlaßspannung wird im Strom durch 9 andere begrenzt. Der Stromanstieg infolge der Unterschiede der einzelnen Stränge erzeugt an allen Bahnwiderständen der Dioden einen Spannungsabfall, der die ungleiche Stromverteilung begrenzt.

Da LEDs mit bis zu 20% in ihrer effektiven Leuchtkraft bei gleicher scheinbarer Spannung streuen, sollte man wenigstens 10 LEDs in Reihe schalten und diese auch nur zu 70% auslasten, um optische Schwankungen auf ein Maß der Nichtsichtbarkeit zu senken und Mitkopplungseffekte infolge von Erwärmung zu begrenzen. Statistisch streuen die Helligkeiten dann nur noch im Bereich einiger Prozente. Die Variation der Stromaufnahme einzelner Stränge sollte demgemäß ebenfalls auf 5% begrenzt werden, d.h. der regelnde Widerstand muss im Bereich von >10% Spannungsänderungen aufnehmen können.

Eine brauchbare Dimensionierung für 1,7V-LEDs @ 20mA wäre: 10 LEDs mit R=150Ohm an 20Volt. Der Widerstand sollte mit 1W belastbar sein. Noch besser ist ein gegengeregelter FET, der als Kaltleiter eine doppelte Gegenregelung bringt.

Für eine gleichmäßige Lichtversorgung eines Array, sollten die LEDs nicht strangweise parallel, sondern in Schleifen verlegt werden. Man kann z.B. zwei Stränge alternierend verdrahten.

Direktbetrieb an 230V[Bearbeiten]

Eine Methode, LEDs an 230V direkt zu betreiben, ist die Strombegrenzung mit einem spannungsfesten Kondensator, der in Reihe zur eigentlichen LED-Schaltung liegt, die aus einem 4-Wege-Gleichrichter einen ELKO und als Array verschalteter LEDs besteht. Die LEDs können wie im obigen Beispiel auf 20V oder 24V ausgelegt werden und sollten mit zwei antiparallel geschalteten Z-Dioden auf 24/28V limitiert werden, um Spannungsspitzen abzufangen. Die vorgeschaltete Kapazität wird mit einer Reihenschaltung von 4 keramischen Kondensatoren aufgebaut, von denen jeder ca 60V abfangen muss. Die Kapazität richtet sich nach der Stromaufnahme der Summe der LED-Stränge.

Eine andere Möglichkeit befindet sich im Artikel LED-Glühbirne.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]