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.
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.
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.
@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...
