LED

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Beschreibung

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. GaN oder InGaN erforderlich (UV < 365nm: AlN). Für die ersten blauen LEDs wurde SiC verwendet, welches aber eine schlechte Effizienz aufweist. (Quelle:Wikipedia).

Weißes Licht oder andere Farbmischungen können erzeugt werden, indem man eine Blau- oder Ultraviolett-LED mit einem Phosphormaterial (weiß: mit Cer dotiertes YAG) beschichtet, welches durch das Licht der LED zur Emission angeregt wird. Die entstehende Farbe wird dabei von der Beschichtung bestimmt.

Flußspannung

LEDs haben im Vergleich zu gewöhnlichen Dioden eine vergleichsweise hohe, vom Halbleitermaterial abhängige Flußspannung. Bevor diese erreicht wird, fließt nur sehr wenig Strom und die LED leuchtet praktisch nicht. Oberhalb der 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 (Energiedifferenz) 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 echte violette LEDs herstellbar. Die ersten verfügbaren LEDs waren naturgemäß auch rot.

Flußspannung von LEDs
Farbe [math]\displaystyle{ U_F }[/math] [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

Die Verbreitung blauer Leuchtdioden ließ den endgültigen Abschied von 5-Volt-Systemen zugunsten von 3,3 Volt stagnieren: Für blaues oder weißes Licht bspw. einer LCD-Hintergrundbeleuchtung braucht man eben doch 5 V, auch wenn es praktisch keine 16- oder 32-Bit-Mikrocontroller mit 5 V Betriebsspannung mehr gibt.

Durchlassstrom

Da LEDs durch einen zu hohen Strom zerstört werden, muss der Strom begrenzt werden. Ein direkter Betrieb an einer Konstantspannung, wie sie bei Glühlampen üblich ist, ist hier nicht sinnvoll. Eine Standard-LED zur Anzeige (THT 3 oder 5mm sowie SMD 0603-1206) 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. 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. Leistungs-LEDs zur Beleuchtung werden mit typisch 100mA(0,33W), 350mA (1W) bzw. 1000mA (3W) betrieben. Nach oben sind kaum Grenzen gesetzt, bis hin zu LED-Matritzen mit 100W und mehr.

Warum benötigt man einen Vorwiderstand?

Diese Frage wird seit langer Zeit immer wieder gestellt.

Die Kennlinie einer LED ist stark nichtlinear. Unterhalb der Flußspannung fließt fast kein Strom und die LED leuchtet kaum. Oberhalb der Flußspannung steigt der Stromfluß schon bei kleinen Spannungsänderungen stark an. In der Praxis müsste man nun die Spannung für jede einzelne LED exakt einstellen, um den exakten Strom zu treffen und auch zu halten. Das kann und will man aber nicht. Außerdem unterliegt die Flußspannung sowohl einer Fertigungstoleranz als auch einer negativen Temperaturdrift, d.h. bei höherer Temperatur (Umgebung oder Eigenerwärmung) sinkt die Flußspannung. Alle diese Effekte kann man problemlos mit einem Vorwiderstand soweit abschwächen, dass sie praktisch keine große Rolle mehr spielen, ganz ohne präzise Spannungseinstellung.

Ein Beispiel. In diesem Bild ist die Kennlinie einer grünen LED mit und ohne Vorwiderstand dargestellt. Die Flußspannung beträgt ca. 2,2V bei 10mA LED-Strom. Wenn man jetzt exakt 2,05V anlegt, fließen 6mA (blaue Kurve). Schwankt jetzt aber die angelegte Spannung um +/-0,2V (10%), dann schwankt der Strom um +14/-5mA! Ganz anders mit Vorwiderstand. Man braucht eine höhere Spannung, hier beispielsweise 4V, wobei auch 6mA fließen (rosa Kurve). Schwankt diese nun um +/-0,4V (10%), schwankt der Strom nur um +/-1mA. Das ist deutlich stabiler!

Vorwiderstand

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

Led rv.png
[math]\displaystyle{ R_V=\frac{Vcc-U_\text{LED}}{I_\text{LED}} }[/math]
  • [math]\displaystyle{ R_V }[/math]: Vorwiderstand in Ohm
  • Vcc: Betriebsspannung in Volt
  • [math]\displaystyle{ U_{LED} }[/math]: Durchlassspannung der LED in Volt
  • [math]\displaystyle{ I_{LED} }[/math]: 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

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

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.

Unsichtbarer Vorwiderstand

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. Allerdings schwankt damit die Helligkeit der LED stark mit den Toleranzen und dem Ladezustand der Batterien.

Konstantstromquelle

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.

Mehrere LEDs zusammenschalten

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

Reihenschaltung

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

Das direkte Parallelschalten von LEDs ist sehr kritisch und muss vermieden werden. Grund ist die exponentielle Diodenkennlinie, 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 verschiedener 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

LED-Array mit Konstantstromquelle

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. Dieses Array von LEDs kann man nun mit einer leistungsstarken Konstantstromquelle speisen. Da LEDs mit bis zu 20% in ihrer effektiven Leuchtkraft bei gleichem Strom 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. Allerdings hat diese Verschaltung einen Nachteil. Fällt in einem Strang eine LED mit Unterbrechung aus, verteilt sich der konstante Gesamtstrom auf die restlichen Stränge, diese werden somit stärker belastet, im Extremfall überlastet.

LED-Array an Konstantspannung

Möchte man das vermeiden, nutzt man sinnvollerweise pro Strang einen Vorwiderstand oder noch besser gleich eine Konstantstromquelle auf Basis eines LM317 oder ähnlich und speist das Array mit einer Konstantspannungsquelle (normales Netzteil). Damit sind die Stromschwankungen auf Grund der Tolereranz der Flußspannungen sicher beseitig. Dabei muss man beachten, daß die Versorgungsspannung hoch genug gewählt wurde, um die Toleranzen auszugleichen. Die einzelnen Vorwiderstände bzw. Konstanzstromquellen haben den Vorteil, daß beim Ausfall einer Kette die anderen Ketten nicht zusätzlich belastet werden.

Pulsbetrieb an Überspannung

LEDs können kurzzeitig über dem Nennstrom betrieben werden, um eine höhere Lichtausbeute zu erzielen, wenn 3 Bedingungen beachtet werden:

  • die maximale Spannung darf nicht zu hoch werden, um die Feldstärke im Bauelement, ab der eine Atomwanderung auftritt nicht zu überschreiten. Kommt die LED in die Nähe dieses Punktes, so setzt eine Alterung ein
  • der Pulsstrom darf nicht zu hoch werden, um die LED kapazititv nicht zu überladen. Diese Gefahr besteht bei rechteckigen Stromimpulsen, weil die LED hochfrequente Signale gut aufnehmen kann. Die Ladungen sammeln sich dann in der Raumladungszone und erzeugen ein hohes Gegenfeld, welches einen Strom zur Folge hat.
  • mittlere Leistung darf nicht überschritten werden, damit es zu keinem Wärmetod der LED kommt.

Besagte Probleme sind insbesondere bei Leistungs-LED im Pulsbetrieb zu beobachten, weil trotz PWM-Dimmung zwar ein mathematisch kleinerer Strom fliesst, die kapazitiven Ströme und Umschaltverluste aber zu insgesamt mehr Belastung führen.

Direktbetrieb an 230V

LEDs können an 230V direkt mit einem Kondensatornetzteil betrieben werden. Die Strombegrenzung erfolgt mit einem spannungsfesten Kondensator, welcher in Reihe zur eigentlichen LED-Schaltung liegt. Die LEDs können wie im obigen Beispiel auf 20V oder 24V ausgelegt werden und sollten mit zwei antiseriell geschalteten Z-Dioden auf 24/28V begrenzt werden, um Spannungsspitzen abzufangen. Die Kapazität richtet sich nach der Stromaufnahme der LED-Stränge. Eine andere Möglichkeit befindet sich im Artikel LED-Glühbirne.

Siehe auch

Weblinks

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