Guten Tag, mir ist schon seid längerem aufgefallen, dass LEDs bei zu hoher Spannung a) Heller leuchten b) In einer anderne Farbe (eher höherenergetisch) leuchten c) Kaputt gehen. a) und c) ist relativ klar. Aber b) finde ich interessant. Was passiert da? Ich verstehe es nicht wirklich. Meine Überlegungen: Bei höherer Spannung wird mehr Leistung verichtet. Insofern wird die LED heißer. Durch die Hitze sind Phononenabsorbtionen wahrscheinlicher, sodass "indirektere" Übergänge wahrscheinlicher werden. (In Analogie zum Stokes-Prozess bei Raman-Spektroskopie). Durch die höhere Spannung sind mehr Interbandübergänge möglich, und es kommt so zu indirekteren Übergängen mit höherer Energiedifferenz. Kann mir jemand erklären was wirklich passiert? In kürze habe ich eine Diplom Prüfung, und es ist immer ganz nett wenn man etwas zum reden hat, da in der Zeit der Prof nichts fragen kann. Vielen Dank! (Und viel Spaß beim LED-Grillen) :-D
Erleuchteter schrieb: > mir ist schon seid längerem aufgefallen, dass LEDs bei zu hoher Spannung > a) Heller leuchten > b) In einer anderne Farbe (eher höherenergetisch) leuchten > c) Kaputt gehen. LEDs betreibt man mit Strom. Die Spannung über der LED ergibt sich daraus und die zu erwartende Höhe steht im Datenblatt. Also hast Du sie ohne Energiebremse (Vorwiderstand) betrieben und das ist falsch. Erleuchteter schrieb: > In kürze habe ich eine > Diplom Prüfung Autsch...
Ist wie ne 1N4148 die fängt auch an zu leuchten, wenn der Strom hoch genug ist. Ausserdem hast du d) gibt Rauchzeichen vergessen. war das jetzt Hinweis genug?
Hallo Erleuchteter, die Sache ist recht einfach. In der LED wird durch daas Einbringen von mehr Leistung der pn-Übergang heiß. Dieses wiederum verringert den Bandabstand des III/V Materials, was wiederum die Emissionswellenlänhe ins langwellige zieht. Probiere es mal mit einer grünen LED und schaue Dir an, wie sie kurz vor der Zerstörung leuchtet. Die Farbe geht in Richtung gelb bis orange. Die Temperaturen können schon mal bis +300°C gehen, bevor die LED aufgibt. Den gleichen Effekt, wenn auch nicht so kraß kannst Du bei alten LED Ampeln feststellen. Die ersten ihrer Art hat für den Sommer ungenügende Kühlung und besonders das grüne Licht zog schon arg in Richtung gelb. Gruß kokisan
mhh schrieb: > Erleuchteter schrieb: >> mir ist schon seid längerem aufgefallen, dass LEDs bei zu hoher Spannung >> a) Heller leuchten >> b) In einer anderne Farbe (eher höherenergetisch) leuchten >> c) Kaputt gehen. > > LEDs betreibt man mit Strom. Die Spannung über der LED ergibt sich > daraus und die zu erwartende Höhe steht im Datenblatt. Also hast Du sie > ohne Energiebremse (Vorwiderstand) betrieben und das ist falsch. > Das ist nur eine (insbesondere auf grund der Nichtliniearität von Halbleiterbauteilen) praktischen Konvention. Früher oder später Stellen Sie (oder ein Gerät) meistens eine Spannung ein. > Erleuchteter schrieb: >> In kürze habe ich eine >> Diplom Prüfung > > Autsch... Nun, ich warte auf eine Erklärung...
Erleuchteter schrieb: > Das ist nur eine (insbesondere auf grund der Nichtliniearität von > Halbleiterbauteilen) praktischen Konvention. Nö. Die sichtbare Kontrolllampe in der LED signalisiert Stromfluss und nichts anderes. Erleuchteter schrieb: > Früher oder später Stellen > Sie (oder ein Gerät) meistens eine Spannung ein. (Wenn Du KSQn meinst) Aber nicht an der LED, sondern an der Reihenschaltung LED + Shunt. Genau genommen wird der Spannungsabfall am Shunt geregelt und nicht an der LED. Erleuchteter schrieb: >> Autsch... > Nun, ich warte auf eine Erklärung... Wenn das Diplom was mit Elektronik zu tun hat, bleibts beim "Autsch".
Didi S. schrieb: > Hallo Erleuchteter, > > die Sache ist recht einfach. In der LED wird durch daas Einbringen von > mehr Leistung der pn-Übergang heiß. Dieses wiederum verringert den > Bandabstand des III/V Materials, was wiederum die Emissionswellenlänhe > ins langwellige zieht. Probiere es mal mit einer grünen LED und schaue > Dir an, wie sie kurz vor der Zerstörung leuchtet. Die Farbe geht in > Richtung gelb bis orange. Die Temperaturen können schon mal bis +300°C > gehen, bevor die LED aufgibt. > > Den gleichen Effekt, wenn auch nicht so kraß kannst Du bei alten LED > Ampeln feststellen. Die ersten ihrer Art hat für den Sommer ungenügende > Kühlung und besonders das grüne Licht zog schon arg in Richtung gelb. > > Gruß > kokisan Das bedeutet, meine Beobachtung von kurzwelligerem Licht ist falsch? Dann müssen wohl doch noch ein paar LEDs dran glauben. Das klingt ansonsten sehr plausibel und erklärt das Problem wahrscheinlich. Ich habe aufgrund meiner (wahrscheinlich falschen) Beobachtung der Frequenzerhöhung bei zu hoher Spannung nur nach Argumenten in die diese Richtung gesucht. Ihre Annahme passt auch quantitativ. Wenn ich die Bandlücke aus dem Ashcroft (deutsche Ausgabe S719) von Temperaturen von 0 auf 300K einfach weiter auf 600K extrapoliere (Annahme: Linear in beide Richtungen)komme ich für GaP auf 2,0eV statt 2,2eV bei Raumtemperatur. Das entspricht Orange. Was ich aber interessant finde, sind die angeführten Ursachen für die Bandlückenvergkleinerung: Einmal veränderung des periodischen Potentials und andererseits ein temperaturabhängiger Einfluss der Phononen. Beide effekte sollen bei Raumtemperatur gleich wichtig sein. Die zweite Ursache scheint es aber in sich zu haben: Für die Kopplung von Phonenen an Elektronen wir eine Störungsrechnung zweiter Ordnung angeführt...
Erleuchteter schrieb: > Das bedeutet, meine Beobachtung von kurzwelligerem Licht ist falsch? > Dann müssen wohl doch noch ein paar LEDs dran glauben. Wie bereits gesagt: LEDs werden mit einem (einstellbaren) Strom betrieben. So ist es leicht, sie innerhalb ihres zulässigen Arbeitsbereichs zu halten. Parallel dazu solltest Du die Spannung an der LED messen. So kannst Du leicht eine Tabelle Spannung vs. Wellenlänge erstellen. Irgendwie wird die dann mit den hier gezeigten Formel korrelieren... http://de.wikipedia.org/wiki/Plancksches_Wirkungsquantum Gruss Harald
Meine Frage bezog sich eigentlich nicht auf die Messung der Wellenlänge durch die Spannung. (Vorsicht, so einfach ist das nicht, da man alle möglichen Bandübergänge hat, auch indirekte. Es kommt also nicht zu einer Wellenlänge, sondern ein im Allgemeinen sehr kompliziertes Spektrum. Außerdem sollte man doch lieber - auch aus methodischen Gründen - die Wellenlänge messen.) Es ging mir auch nicht darum, wie man eine LED ansteuert. Sondern was passiert, wenn man sie überhalb ihrer Spezifikationen betreibt. Und da die kennlinie einer LED (der Widerstand) nun mal monoton mit der Spannung steigend ist, wird diese Situation mit Sicherheit durch eine zu hohe Spannung herbeigeführt. Natürlich ist es sinnvoll, auf den Strom zu achten, wenn man eine LED betreibt, da die Kennlinie steil ist. Beantwortet hat kokisan2000 meine Frage (Vielen Dank dafür! Ich bin gespannt auf so eine gelbe Ampel). Jetzt frage ich mich nur noch, wie sich diese veränderte Phononen-Elektron Kopplung anschaulich begründen lässt. Falls ich es verstehe, werde ich das gerne schreiben. Natürlich freue ich mich auch sehr über weitere Ideen. Ich finde das erlich gesagt sehr spannend, weil man durch ein einfach herbeizuführendes Phänomen ganz viel über Festkörperphysik lernen kann!
Erleuchteter schrieb: > Das bedeutet, meine Beobachtung von kurzwelligerem Licht ist falsch? nicht unbedingt, es gibt zwei gegenläufige Effekte. Die Energie des Photons entspricht ungefähr dem Spannungsabfall am pn-Übergang. Schickt man mehr Strom über die LED (und hat damit entsprechend der Diodenkennlinie auch einen größeren Spannungsabfall), dann bekommt man tatsächlich zunächst mal höhere Photonenenergien und kürzere Wellenlängen. Ich habe im Netz keine richtig schöne Darstellung für LEDs gefunden, aber wenn du Figure 1 in http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/tunnel+diodes betrachtest, wird die Sache halbwegs plausibel (auch wenn dort eigentlich die Tunneldiode erklärt wird). Abbildung 1c) zeigt die Diode mit geringer Vorwärtsspannung. Es fließt wenig Strom (eine LED gibt sehr wenig Licht ab) und die Photonenenergie eU2 ist gering. In 1d) ist die Spannung deutlich größer, der Strom nimmt exponentiell zu (eine LED wird viel heller) und die Photonenenergie eU3 ist größer -> das Emissionsmaximum verschiebt sich zu kurzen Wellenlängen. Neben diesem Effekt gibt es den gegenläufigen thermischen Effekt, der oben schon beschrieben wurde. Wenn du die LED richtig heizt, wird der thermische Effekt überwiegen (und wenn du es übertreibst, wird die LED dunkel). Die Verschiebung des Spektrums mit dem Strom ist (neben dem Gesamtwirkungsgrad) auch ein Grund, warum man LEDs per PWM dimmt. Würde man stattdessen einen geringeren Gleichstrom einstellen, dann verschiebt sich die Farbe.
Erleuchteter schrieb: > Das bedeutet, meine Beobachtung von kurzwelligerem Licht ist falsch? Ja, es wird nämlich langwelliger. Wenn du schon mit LEDs experimentierst: Es gibt da auch ganz andere äußere Effekte, die den Helligkeitseindruck verändern. Z.B. Betrieb mit einem Tastverhältnis, Multiplexung, da erscheinen LEDs bei gleicher Energiebilanz heller. Das hat aber eher mit dem menschlichen Auge zu tun.
Wie verändert sich den die LED im Vergleich wenn man den Strom konstant hält aber von außen die Temperatur erhöht? Z.B. mit einem Lötkolben.
Die Effekte sind wohl eher schwer im Voraus berechenbar. Hängt sicher davon ab wieviel Strom in welcher Zeit zuviel fliesst. Habe mal was von einer brutalen Methode gelesen, mit der man eine blaue LED in eine UV LED verwandeln kann. Irgendwie mit definiertem Überstrom in definierter Zeit eine Überlastung erzeugen und schwupp wird aus Blau UV. Und zwar auch wenn die LED wieder kalt ist. Das stammt aus einer Zeit, wo blaue LEDs teuer und UV LEDs noch vieeel teurer waren.
@Achim S. vielen Dank für die Erklärung! @Automatik Es wäre wohl wirklich interessant die beiden Effekte getrennt zu untersuchen. Einmal wie von Ihnen vorgeschlagen mit einem Lötkolben und einmal durch ein Reservoir. Sobald ich bei einer Spannungsquelle neben einem Stickstoffbehälter bin, probiere ich das mal aus :-D Ein "Taschenspektrometer" sollte auch aufzutreiben sein...
mhh schrieb: > Wenn das Diplom was mit Elektronik zu tun hat, bleibts beim "Autsch". Da hast Du aber viel weniger begriffen, als Du glaubst. Der TO hat nämlich schon recht: Ob Du sagst: "Die LED kriegt zuviel Spannung" oder "die LED kriegt zuviel Strom", ist letztendlich nur eine Frage der Betrachtungsweise. Und dass er das Wort "Spannung" verwendete, hat wohl damit zu tun, dass er darin eine Farbverschiebung vermutete (oder auch nicht). Aber die Aussage: "Du hast keine Ahnung von Elektrotechnik, weil Du nicht begriffen hast, dass eine LED mit Strom gespeist wird und nicht mit Spannung" zeugt von recht oberflächlicher Kenntnis der Elektrotechnik. Eine LED ist nämlich keine Spannungsquelle! Nah dran, aber doch nicht ganz. So. Nun wieder zum Thema, ist nämlich spannend. :-)
Automatik schrieb: > Wie verändert sich den die LED im Vergleich wenn man den Strom konstant > hält aber von außen die Temperatur erhöht? Z.B. mit einem Lötkolben. Das Licht wird ebenfalls langwelliger. Die Umgebungstemperatur ändert das Licht also auch. Jedoch nicht, wenn eine LED mit hohen Strömen gepulst wird, und dabei relativ kalt bleibt.
> Durch die Hitze sind Phononenabsorbtionen wahrscheinlicher,
> sodass "indirektere" Übergänge wahrscheinlicher werden.
Wahrscheinlicher geht es um Photonenabsorption, sonst könnt man da etwas
hören wenn der Strom anfängt in der Sperrschicht zu prasseln.
Angehängte Dateien:
Mich hat das jetzt doch so interessiert, dass ich nochmal ausprobiert habe, was mit den LEDs bei hoher Spannung passiert. Dazu habe ich ein Potentiometer an eine 9V-Batterie angeschlossen und daran eine grüne LED. Es fällt zunächst auf: a) Das Licht verschiebt sich ins Orange, dann ins rote. b) Die Verschiebung ist so 1s zeitverzögert. Das allein spricht in meinen Augen für einen thermisch bedingten Effekt zu Verschiebung in längere Wellenlängen. Weiterhin habe ich das Licht mit einem Spektrometer (Naja eine beschreibbaren CD) angeschaut. Um ein Gefühl für die Eigenschaften dieses „Spektrometers“ zu vermitteln, habe ich auch meine Handy-LED und einen Laser betrachtet. Von beiden habe ich ein RGB-Helligkeitsprofil entlang einer 150 Pixel breiten Linie (also über 150 Linien gemittelt) berechnet. Die Bilder wurden mit einer 400D gemacht, alle Werte fix, Belichtungszeit so 0,5 s. Ich kann nicht genau sagen was da bei der Reflexion passiert, ich habe halt einen Bereich genommen, in dem möglichst viel Spektrum zu sehen war. Da gibt es Mehrfachreflexion in der CD etc. Daher auch der Vergleich zu einem „kompletten“ Spektrum einer weißen LED. Dann die LED. Es ist eine eher leuchtschwache. Ich habe vier unterschiedliche Zustände aufgenommen, und jeweils an der gleichen Stelle ein Profil durch die Linie aufgenommen (so wie bisher) mit dem Unterschied, dass ich nicht mehr nach RGB-Kanälen separiert habe. Ich habe bei den LED-Messungen darauf aufgepasst, nichts zu verrücken, sodass das Spektrum sich nicht ändert. Von den Ergebnissen habe ich eine lineare Grundlinienkorrektur abgezogen und Lorentz-Fits gemacht. Ich habe mir überlegt, dass es aussieht wie eine Boltzmannverteilung. Aber ich glaube, dieses Verhalten kommt eher von einer Überlagerung von direkter Reflexion. Daher habe ich es gelassen, da eine Maxwell-Boltzmann Verteilung zu verwenden. Aus früherer Erfahrung weiß ich auch, dass es ein bisschen dauert, bis man geeignete Startwerte gefunden hat, so dass sie konvergiert. Beim Lorentz geht das meist sofort. Die Zentrale Wellenlänge habe ich jeweils angegeben. Farben der Plots entsprechen denen der Aufgenommenen Linien. Es fällt auf: Mit höherer Spannung steigt die Helligkeit zunächst an und fällt dann ab. Zudem kann man eine Rotverschiebung sehen. Da sie zudem verzögert auftritt, würde ich für die thermische Theorie plädieren. Meine Hand wollte ich für diese Messungen aber nicht ins Feuer legen, so vertrauenserweckend sehen die nicht aus. Das heißt natürlich nicht, dass nicht auch andere Effekte auftreten. Aber die Verschiebung in Richtung lange Wellenlängen ist in diesem Versuch zumindest dominant. Jetzt wäre es natürlich interessant, das Ganze mit hohen Spannungen und kleinen mittlerem Strom (z.B. durch PWM) durchzuführen. Oder die LED mit einem Lötkolben grillen (schwer, weil man sie dabei berührt und damit verschiebt…) Oder ein geeignetes Spektrometer zu verwenden. Also wenn jemand Lust hat, ist bestimmt interessant. Beide verwendeten Programme (ImageJ und QTIPlot) sind Freeware.
@Philipp D. (erleuchteter) > gruen.JPG > 1,2 MB, 2 Downloads > * preview image for gelb.JPG > gelb.JPG > 1,6 MB, 3 Downloads > * preview image for orange.JPG > orange.JPG > 1,6 MB, 0 Downloads > * preview image for rot.JPG > rot.JPG > 1,4 MB, 0 Downloads AUA! Siehe Bildformate. Vier schwarze Bilder mit 1,x MB?
@falk: Normalerweise hätte ich die Fotos im Rohdatenformat abgespeichert. Das wäre in der Tat besser, weil nicht komprimiert wird und man weiß was passiert. Auch die Auflösung/pixel ist höher. Aber das wäre inkompatibel. Daher habe ich gleich beim Fotographieren jpg. verwendet. Oder hätte ich die Bilder etwas komprimieren sollen? Ich bitte Sie! Messdaten sind wie heilige Kühe. Die sollte man nicht einfach komprimieren, wenn es anders geht.
> ...Die sollte man nicht einfach > komprimieren, wenn es anders geht. Man "sollte" sich aber bitte and die Regeln im Forum halten. Hier 5MB hinzurotzen ist einfach ungehoerig......und das dann noch zu rechtfertigen zeugt nicht von grosser Kooperationsbereitschaft. Gruss Michael
Ich wollte nur noch mal den praktischen Aspekt der hier schon korrekt ausgeführten theoretischen Grundlage aufführen. Natürlich ist das beschriebene Verhalten auch bei Laserdioden vorzufinden - für hohe Wellenlängenstabilität, wie in vielen Experimenten mit solchen Laserdioden, muss man diese also auch auf konstanter Temperatur halten, kann damit aber auch das Emissionsmaximum verschieben, so also mehr Ausgangsleistung auf der gewünschten Wellenlänge bekommen. Bei ECDLs (External Cavity Diode Lasers - Also Laserdioden die man zusätzlich noch in einen - zumeist wellenlängen-selektive - Resonator steckt ist das eigentlich Standard. Mithilfe einer Referenz-Absorbtionszelle schafft man es so über die präzise Regelung von Diodenstrom und Diodenemperatur einen sehr schmalbandigen, monochromatischen Laser (meine ganz praktischen Erfahrungen, für eine Rb-87 MOT: ~100kHz FWHM auf 780nm, stabil gelockt auf den D2-Übergang, CW-Ausgangsleistung der Diode nominal: 250mW, im Aufbau erzielt: ~20mW) auf einzelne Atomübergänge zu locken - natürlich lässt sich das Emissionsspektrum nicht beliebig mittels der Temperatur ausdehnen und jede einzelne Diode macht das unterschiedlich wohlwollend/gut mit - man muss also selektieren, +/-10nm (von der Nenn-Emissionswellenlänge) sind bei gut passenden Dioden mit externem Resonator, guter Strom und Temperaturregelung (Peltier im Vierquardrantenbetrieb ist von Nöten) möglich. Was interessante observationsexperimente dieser Effekte angeht: Niedrige Temperaturen nehmen einen die LEDs/Laserdioden nicht so übel wie zu hohe, also kleines Dewar besorgen, dazu LN2 aus der Uni, oder, wenn das keine Option ist, zumindest Trockeneis und Ethanol/Isopropanol/Aceton/Ether; Trockeneis aufzutreiben ist ja weder kospielig noch kompliziert. Ich glaube ich habe auch einige Videos dazu auf YouTube gesehen (wie zu so ziemlich allem nur erdenklichen auch...). Die detailierte Theorie dahinter sowie Anwendungspraxis findet sich wenn man in Google/Wissenschaftsmagazin-Datenbanken oder der lokalen Uni-Bibliothek nach den schon erwähnten ECDLs sucht. Grüße Sascha P.S., meine eilig herbeigesuchten ('led color ln2') Fundstücke: - http://www.youtube.com/watch?v=yNaYYhogGTk - http://www.youtube.com/watch?v=MPBm7wZUg-Q - http://www.youtube.com/watch?v=3e0qcYlKPws - http://www.youtube.com/watch?v=4w1HifFayNU ...hm, schon imposant wie weit die Emissionswellenlänge sich da verschieben lässt, von gelb-orange zu dunkelgrün!
Vielen Dank für die Tipps! Waren gute Infos insbesondere bezüglich Laser! Ich habe mir die ganze Laser geschichte (Stabilisierung etc.) nochmal gut angeschaut. Die Prüfung ist sehr gut gelaufen...
Philipp D. schrieb: > Die Prüfung ist sehr gut gelaufen... Darf man erfahren was für eine Prüfung mit welchem Abschluss das war?
Experimentalphysik. Es geht da eigentlich um drei Fächer: Festkörperphysik, Atome und Moleküle und Kerne und Teilchen.
@sasha Danke für die Videos. Ich werde grüne LEDs in Zukunft nur noch mit dicken Handschuhen anfassen...! :-)
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