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Forum: Offtopic LED als Z-Diode


Autor: my name is nobody (Gast)
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Hallo,
habe in einer Schaltung eine grüne LED als Z-Diode genommen, Strom ca. 
2mA.

Habe aus der Schulphysik folgende Formel hergeleitet:
U = h * c / e /lambda

mit den Werten
e = 1,602 * 10^-19 As
h = 6,626 * 10^-34 Js
c = 2,99 * 10^8 m/s
lambda grün zwischen 520 und 565 nm

bekomme ich die Faustformel

U = 1236 durch Wellenlänge in nm.


Doch oh Schreck an der grünen Leuchtdiode messe ich statt 2,18V nur 
1,88V

Rückgerechnet bekomme ich eine Wellenlänge von 657 nm.

Wo ist mein Gedankenfehler?

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Vorausgesetzt die Formel stimmt - ich habs nicht geprüft: Welche 
Lichtgeschwindigkeit muß man nehmen? Die im Vakuum, oder die im 
Halbleiter?

Letztere dürfte niedriger sein...

Autor: my name is nobody (Gast)
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>Welche
Lichtgeschwindigkeit muß man nehmen? Die im Vakuum, oder die im
Halbleiter?

Selbstverständlich die im Vakuum.

Ich sollte doch mal eben die Formel herleiten:
(1) E = h * nü

Besagt das die Energie eines Lichtquantes ist h * nü
Also h ist das plancksche Wirkungsquantum und nü die
Frequenz des Photon.

(2) E = U * e

Bedeutet die Energie des rekombinierten Elektron/Loch-Paares in der 
Leuchtdiode ist Spannung in Volt mal Elementarladung eines Elektrons.

(3) Lambda = c / nü

Wellenlänge Lambda (in Meter) lässt sich errechnen durch 
Lichtgeschwindigkeit in Vakuum oder Luft, geteilt durch Frequenz nü.

Habe auch schon mal gelesen, rote Leuchtdioden haben 1,8V 
Durchlassspannung, grüne 2,1V.

Warum bei mir nicht?

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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> Selbstverständlich die im Vakuum.

Warum? Sie Sache spielt sich doch im Halbleiter ab, nicht im Vakuum.

Autor: yalu (Gast)
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@Uhu:

Ich habe zwar keine Ahnung von diesem Teil der Physik, aber wenn ich
das richtig verstanden habe, stimmt das schon mit der Vakuumlicht-
geschwindigkeit. Für die Photonenenergie gilt unabhängig vom Medium,
in dem sich das Photon befindet, immer
Die Lichtgeschwindigkeit kommt erst bei der Umrechnung der Frequenz in
die Wellenlänge ins Spiel:
Hier ist aber die Lichtgeschwindigkeit in Luft (die praktisch
derjenigen im Vakuum entspricht) einzusetzen, da sich die von den
LED-Herstellern angegebene Wellenlänge auf das Medium Luft, in dem die
LEDs normalerweise betrieben werden, bezieht.


@nobody:

Wie gesagt, ich habe keine Ahnung, aber könnte es sein, dass die
Elektronen schon vor dem Anlegen der äußeren Spannung eine Energie
haben, so dass für den Effekt eine geringere Spannung ausreicht?

Im Wikipedia ist von einer Energiedifferenz die Rede:

  "Die Größe der Energielücke E''-E' bestimmt die Farbe des
  ausgesandten Lichts."

Aber wirklich verstanden habe ich das ganze nicht.

Autor: Netbird (Gast)
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M.E. C in Vakuum (Luft)! Es werden Photonen erzeugt, für diese ist 
c=3*10^8m/s.

Wenn an eine LED 1,88V angelegt werden, gibt sie nur im Idealfall 1,88eV 
an ein Photon ab. Tatsächlich ist im Halbleiter noch Energie 
erforderlich, damit dieser Prozess abläuft. Die benötigte Spannung, um 
die LED zum Leuchten zu bringen ist daher höher als die (minimal) 
errechnete.

Wie das beim Betrieb in Sperrrichtung ist, weiß ich allerdings nicht.

Autor: spess53 (Gast)
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Hi

Bevor du Einstein Konkurrenz machst. Wie wäre es mit einem Blick ins 
Datenblatt?

MfG Spess

Autor: Thomas Faust (tza)
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Warum sollte die Zener-Spannung einer Leuchtdiode irgend etwas mit ihrer 
Bandlücke (und somit ihrer Emissionswellenlänge) zu tun haben?
Das sind zwei komplett verschiedene Effekte, der Zener-Effekt entsteht 
aufgrund des quantenmechanischen Tunnelns von Ladungsträgern, dessen 
Wahrscheinlichkeit vom Bandverlauf am pn-Übergang abhängt, und somit 
durch die Dotierungen beeinflusst werden kann (so stellt man ja die 
Z-Dioden mit unterschiedlichen Durchbruchsspannungen her).

Autor: Esko (Gast)
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@nobody:
Wie mein Vorposter schon schrieb, was du berechnest hat mit der 
Zenerdiode herzlich wenig zu tun.
> U = 1236 durch Wellenlänge in nm
das stimmt schonmal (genauer: 1240nm)

Woran kann es also liegen dass du eine falsche Spannung misst?
1. falsche Messung. z.B. Spannung nicht genug gesiebt, bzw 
Schaltnetzteil
2. heutige Leds sind nicht mehr so einfach aufgebaut wie man sich das 
vorstellt.
Genaueres siehe hier: (tiefergehendes Halbleiterwissen empfohlen)
http://forum.electronicwerkstatt.de/phpBB/viewtopi...

Autor: yalu (Gast)
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@Thomas Faust und Esko:

Ich glaube, dem OP geht es nicht um den Zener-Effekt der LED. Vielmehr
will er die LED in Durchlassrichtung betreiben und den Kennlinienknick
zur Erzeugung einer halbwegs stabilen Spannung nutzen. Einmal
abgesehen davon, dass eine LED sicher nicht das geeignete Bauteil für
so etwas ist, finde ich die Frage, welche Spannung miniml benötigt
wird, um Licht mit einer bestimmten Wellenlänge zu erzeugen, schon
interessant.

Autor: Stefan Helmert (Firma: dm2sh) (stefan_helmert)
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Hallo,

>2. heutige Leds sind nicht mehr so einfach aufgebaut wie man sich das
>vorstellt.
ich glaube bei einigen LEDs werden Farbfilter verwendet, diese erzeugen 
angeregt durch das LED-Licht die gewünschte Wellenlänge. So wird bei den 
weißen LEDs ein blauer Leuchtkristall verwendet und das blaue Licht in 
weißes verwandelt. Bei grünen Laserpointern wird durch eine Laserdiode 
erzeugtes Infrarotlicht in grünes Laserlicht umgesetzt. Das ist wohl 
auch hier der Fall (auch wenns kein Laser ist).

Autor: Tom (Gast)
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>Doch oh Schreck an der grünen Leuchtdiode messe ich statt 2,18V nur
>1,88V

Gib mal ein bisschen mehr Strom, dann wirst du die 2,18V schon sehen.

Im Ernst, die theoretische Werte mit den wild streuenden Eigenschaften 
der Halbleiter genau treffen zu wollen kann nicht funktioieren.

Autor: Marius S. (lupin) Benutzerseite
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Die Spannung sollte auch durch den Lichteinfall auf die LED verändert 
werden (Photodiode)

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Stefan Helmert wrote:
> ich glaube bei einigen LEDs werden Farbfilter verwendet, diese erzeugen
> angeregt durch das LED-Licht die gewünschte Wellenlänge.

Das ist kein Filter, sondern ein Leuchstoff.

Autor: sechsmalzwei (Gast)
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>Bei grünen Laserpointern wird durch eine Laserdiode
>erzeugtes Infrarotlicht in grünes Laserlicht umgesetzt. Das ist wohl
>auch hier der Fall (auch wenns kein Laser ist).

Das ist Verdoppelung mit einem Kristall. Das funktioniert nur bei rabiat 
hohen Intensitaeten.

Autor: my name is nobody (Gast)
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Hallo und ein schönes neues Jahr an alle.

Ich würde gerne mochmal die Diskusion um die Wellenlänge des emittierten 
Lichts und die Durchlasspannung bei LED's anstossen.

Natürlich betreibe ich die (grüne) LED in meiner kleinen 
billig-Schaltung in Durchlassrichtung. "Z-Diode" habe ich nur 
geschrieben weil ich mir von der LED einen Doppel-Nutzen verspreche: 1. 
Licht und 2. eine stabile Spannung wie bei einer Z-Diode.

Übrigens habe ich bei einer standard LED kein Datenblatt!!!!!

Gewundert habe ich mich nur, warum die Durchlasspannung der LED 
niedriger ist als es die emittierte Lichtwellenlänge erwarten lässt.
Faustformel (aber richtig physikalisch hergeleitet mit Naturkonstanten 
wie Plancksches Wirkungsquantum, Elementarladung und 
Lichtgeschwindigkeit)

Durchlasspannung = 1240V / Wellenlänge in nm


Also je kleiner die Wellenlänge desto größer die Energie des Lichtes und 
desto höher die Spannung.

Diese Formel lässt sich natürlich auch Umformen zu

Wellenlänge in nm = 1240V / Durchlasspannung

Damit erhalte ich bei 1,88 Volt eine Wellenlänge von 659nm was aber eher 
schon im roten Bereich liegt. Visuell gesehen ist das Licht meiner 
grünen LED aber gelb-grün. (Ich habe kein Meßgerät für Lichtwellenlänge)
Also kriege ich hier wohl kostenlos Energie geschenkt?
So jetzt sind mal die Physiker gefragt, woher kommt dieser 
Energieüberschuss?

Autor: Helmut (Gast)
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Zu eurer Information:
Ich habe ältere rote 3mm LEDS die leuchten beim Anschluß an einer 
vollgeladenen Nc-Cd Zelle (1,2V) natürlich im Durchlaßbereich. Dabei 
verbrauchen sie ca 1mA oder sogar weniger.
Benutze die roten LEDs deshalb als einfache Ladekontrollleuchte. Sie 
leuchten erst wenn der Akku voll ist.
Mit gelben und grünen LEDs geht das nicht.
Gruß Helmut

Autor: my name is nobody (Gast)
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Hm, auch sehr mysteriös.
Bist wohl der nächste Uri Geller  :-)

Ne, aber mal im Ernst so ein NI-CD-Akku hat eine Ladeschlusspannung
von 1,44V. Aber wenn er beim totalen Überladen schon Knallgas 
entwickelt, dann wird die Spannung noch höher sein.

Also bei 1,5Volt sollte die emitierte Wellenlänge der LED bei 826nm 
liegen.
Das ist schon im Infrarot, müsste also unsíchtbar sein.

Also Physiker, Frage an euch: woher kommt der Energiegewinn?

Autor: Krys Der hardcoder (cumber_s)
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Also nach meiner errinerung von letztem Jahr müsste die LEd Forel 
stimmen,
Wenn cniht hab ich meine Physik Prüfung unverdient bestanden ;-)

Meine idee mit der "gewonnenen " energie kann aber auch an einen 
parasitären paralel anliegenden Widerstand liegen.
HAb hier zuhause auch noch nen 1000 er cask grüner leds rumliegen einige 
haben "komische" eigenschaften
hab zb schon eine erlebt die Minztenlang spannungen von 18 
Voltausgehalten hatund noch grün gelauchtet hat.(Schwach zwar aber 
genauso wie bei 3 Volt)


Btw , eine frage hab ich noch du mimst gleichstrom(gut gesiebt, weil 
brummen bzw Wechelstrom kann ja mit der kapazität vom Pn überganz zu 
überracshungen führen..
ausserdem ne led as z - diode :-D Gute idee,

Autor: Wolf (Gast)
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Sersn,

finds komisch ...ich hab exakt den gleichen Fehler.

Versuchsaufbau:
- Vorwiderstand wird in Reihe mit einem LED (gelblich-grün) geschaltet. 
Die Spannung wird direkt über dem LED abgegriffen, der Strom in Reihe.
- Vorwiderstand (98,4+-0,3)Ohm (mit Metrix MX51 gemessen)
- Spannung (mit Agilent 34405A 5 1/2 - Fehler für Strom: 0,025%)
- Stromstärke (mit Agilent 34405A 5 1/2 - Fehler für Strom: 0,045%)


Durchführung:
- I in Abhängigkeit von U gemessen. Die Abstände zwischen Messungen 
'willkürlich' gewählt, viele Daten im Knick.
- Graphen gezeichnet und rechnerisch und zeichnerisch lineare Regression 
durchgeführt. Die Kniespannung ergibt 1,878V.
- Nach der gleichen Methode versucht die Wellenlänge auszurechnen und 
komme auf: 660,9nm

Die Soll-Kniespannung muss (2,15+-0,08)V sein.

Ich schätze das es sich um eine mit Stickstoff dotierte GaP-Leuchtdiode 
handelt.

Mögliche Fehlerquellen:
- Lichtgeschwindigkeit in Luft in erdnähe statt Vakuum
Leider nicht gewesen. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft und erdnähe 
beträgt ca. 97,7% der Vakuum-c. Das macht ne Wellenlänge von 1.3nm aus.

- Lineare Regression nicht aussagekräftig, da Kurve noch nicht maximale 
Steigung hat
Hab eine exponentielle Regression durchgeführt (regressionskurve 
f(x)=0,000000000001092*1,734E+006^x), höhere Werte eingesetzt und damit 
eine lineare Regression durchgeführt um auf die Kniespannung zu kommen. 
Die Spannung liegt dann nach der Methode bei ca. 3V
Nachteil ist außerdem: Man ändert die Kniespannung nach belieben, je 
nach dem welche Punkte man wählt.

- Spannung nicht über Diode sondern über Diode und Vorwiderstand 
gemessen
Leider auch net. Hab den Vorwiderstand rausgerechnet und die 
Kniespannung sinkt auf ca. 1,3V




Insgesamt hab ich echt keine Ahnung was ich falsch mache ... muss 
irgendwo   ein saublöder Gedankenfehler sein. Wir haben den Versuch im 
physikalischen Grundpraktikum (1.Semester) an der Uni Würzburg.
Sooooooo kompliziert kann das gar nicht sein!

Naja,...

LG Wolf

Autor: Peter X. (vielfrass)
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Frag mal bitte den Professor...

Autor: Paul Baumann (Gast)
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Ich weiß nicht, warum man im Studium solche Schaltungen aufbaut, die in 
Natura nicht viel Freude machen. Eine LED hat nicht so einen "schönen"
Knick in der Kennlinie wie eine Z-Diode und driftet temperaturmäßig auch
mehr. Für niedrige Spannungen gibt es doch auch schöne Referenzelemente.

Das soll jetzt nicht gegen ein E-Technik-Studium aufgefasst werden und
ich bin auch nicht der große Zampano. ;-)

Nicht hauen und auch keinen Streit.

Es interessiert mich nur, warum man das so aufbaut, obwohl man aus den 
Kennlinien ersehen könnte, daß es nicht besonders gut geht.

MfG Paul

Autor: Wolf (Gast)
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Sersn,

ja, ich frag da morgen mal nach - interessiert mich schon ...

und ...


... und naja, ... im PHYSIK-Studium muss man halt mal praktisch 
gearbeitet haben und in der Einführung in die Elektrizitätslehre bieten 
sich Dioden halt an, bilden ja die Grundlage für Transistoren usw.

Wir haben alle möglichen Schaltungen aufgebau, mit allen möglichen 
Dioden, z.B.: Silizium- und Germanium-Diode, Z-Diode, LED, Transistor, 
...

Ist halt einfach dafür da, damit wir es mal gesehen und selbst gemacht 
haben...

Naja, schönen Abend :)
Wolf

Autor: 6632 (Gast)
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Eine LED als Z-Diode ist durchaus brauchbar. Ab einer halbwegs stabilen 
DC bei konstanter Temperatur mit einem genuegend hohen Vorwiderstand 
betrieben ist die spannung genuegend stabil fuer die 3 cent, die das 
kostet. Eine richtige Referenz, wie die ADR381 ist mit 1 Euro doch 
einiges teurer.

Autor: Paul Baumann (Gast)
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Ach so, das war nur als Meßversuch im Gange. Na dann...

MfG Paul

Autor: Peter X. (vielfrass)
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@Paul Baumann

>Eine LED hat nicht so einen "schönen"
>Knick in der Kennlinie wie eine Z-Diode und driftet temperaturmäßig auch
>mehr.

imho stimmt das nicht, Z-Dioden haben einen saumässigen Temperaturgang.
Mit Ausnahme von 5V6, bei dieser Spannung heben sich posetiver und 
negativer Temperaturkoeffizient gerade auf.




Der Dienstweg ist die Abkürzung zwischen der Sackgasse und dem Holzweg.

Autor: Paul Baumann (Gast)
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Aha, .....und LED's habe einen besseren, der sie zur 
Spannungsstabilisierung geeigneter macht als Z-Dioden???

Interessant. ;-))

MfG Paul

Autor: Wolf (Gast)
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Harrrrrrr!

Hab eine mögliche Lösung =)

Hab die exponentielle Regression nochmal durchgeführt, sie ergibt eine 
Kurve:
k(x) = 1,092E-12*1,734E+006^x

und im Intervall 2,1 bis 2,4V in 0,02V-Schritten Werte eingesetzt und 
daraus ne lineare Regression gemacht...
r(x) = -6026 + 2791x
=> 0 = - 6026 + 2791 U
=> U = 6026/2791 = 2,159V

2,159V entspricht ner Wellenlänge von 574,3nm, was eindeutig 
gelblichgrün ist - perfekt!

Keine Ahnung ob man zweimal ne Regression durchführen darf, aber 
zumindest hauts erstmal hin ^^ werd ja ne Korrektur bekommen =)

Greetz,
Wolf

Autor: Peter X. (vielfrass)
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@Paul Baumann

In einigen High-End Verstärkern wurden LED's zur Spannungsstabilisierung 
verwendet.
Afaik sollen Z-Dioden rauschen.


Den Temperaturgang von Z-Dioden kann man ruckzuck sehen:

Spannungsquelle, 1k Widerstand, Z-Diode und ein Digitalmultimeter.
Spannungsanzeige auf dem Digitalmultimeter beobachten und Z-Diode 
einfach mal mit der warmen Hand berühren.

Ausserdem gibt's Datenblätter.

Bei einigen LED's ist die abgestrahlte Wellenlänge anscheinend kürzer 
(und damit energiereicher) als die angelegte Spannung zulässt.
Btw. der Energieüberschuss ist grösser als K * T

Hätte man jetzt eine LED die aus jedem Elektron ein Photon generiert und 
eine entsprechende Solarzelle die aus jedem Photon ein Elektron der 
entsprechenden Spannung macht... PERPETUUM MOBILE   ;-)

Heissa, schon mal in Stockholm anrufen...

Autor: Paul Baumann (Gast)
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Aha, LED sind also rauschfrei. Für Z-Dioden gibt es sogar Datenblätter, 
STAUN!

Mach Deinen Meßversuch doch auch mal mit einer LED. Was da wohl 
passiert?!

Eine winzige Unsicherheit ist aber geblieben: Warum stellt man überhaupt 
noch Z-Dioden her?


...laß gut sein.

Paul

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Paul Baumann wrote:

> Eine winzige Unsicherheit ist aber geblieben: Warum stellt man überhaupt
> noch Z-Dioden her?

Für die Leute, die nicht gesehen werden wollen. :-)

Ich kenne LEDs auch noch als Kleinspannungs-Z-Dioden-Ersatz, allerdings
aus einer Zeit, da Z-Dioden nur bis herab zu ca. 5 V herstellbar waren.

Paul, bezüglich des Rauschens kann ich mir schon einen Unterschied
vorstellen.  Bei der Z-Diode entsteht meines Wissens Funkelrauschen
durch das Tunneln der Ladungsträger durch die Sperrschicht.  Die
LEDs werden (genauso wie die so genannten "1-V-Z-Dioden") dagegen in
Flussrichtung betrieben, sollten diesen Rauschanteil also nicht
haben.

Ob und inwiefern das natürlich am Ende einen Einfluss hat und ob man
das Rauschen nicht auch einfach mit einem Kondensator dämpfen könnte,
steht auf einem anderen Blatt geschrieben.

Autor: Paul Baumann (Gast)
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>Für die Leute, die nicht gesehen werden wollen. :-)

Wunderbar! :-))

Es leuchten die Dioden,
besonders hübsch die roten.


Ja, ich weiß. Auch ich habe LED's als Z-Dioden-Ersatz benutzt, wenn ich 
etwas für Spannungen unterhalb von 5,1 Volt brauchte. Trotzdem war das
auf Grund der Kennlinie die schlechtere Wahl.

Was auch ganz gut ging, waren Transistoren als Z-Dioden_Ersatz.

Da kam ein Einstellregler mit dem Schleifer an die Basis und Anfang und 
Ende jeweils an Kollektor und Emitter. So konnte man schön "exotische" 
"Z-Spannungen" einstellen.

Ich bin auch ein großer Fan von 22nF - Kondensatoren parallel zu 
Z-Dioden,
um das Rauschen zu unterdrücken.

Na gut.

MfG Paul

Autor: Dickmann (Gast)
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He,
was labern die alle von Z-Dioden?

Die eigentliche Kernfrage ist doch, warum die LED Licht mit einer zu 
kurzen Wellenlänge aussenden kann. Wo kommt diese Energie her?
Kann man damit "beamen"?

Autor: Achim D. (achim_d)
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Hallo zusammen,

ich glaube ich kann hier zumindest einen Ansatz liefern:
Die Formeln stimmen:

E = h * f = h * c / lambda
E = e * U
--> U = h * c / ( lambda * e )

Mir ist auch aufgefallen, dass z.B. eine blaue LED schon einige 100mV 
vor der errechneten minimalen Vorwärtsspannungen ganz schwach zu 
leuchten beginnt. Einige 100mV später wäre leicht zu erklären gewesen, 
aber warum einige 100mV füher?
Das liegt meiner Meinung nach daran:
Eine LED erzeugt nicht nur exakt eine diskrete Wellenlänge, sondern ein 
ganzes Spektrum. Hat eine blaue LED z.B. 470nm, so erzeugt sie auch 
Wellenlängenanteile von bis zu 550nm. Setzt man diese Werte in die 
Gleichung ein, so stimmen die berechneten Spannungen ziemlich genau. Was 
mich allerdings etwas wundert: Die Farbe müsste dann auch etwas anders 
aussehen.
Hat jemand eine Idee?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Achim D. schrieb:
> ich glaube ich kann hier zumindest einen Ansatz liefern:

Nach 7,5 Jahren?

Autor: Paul Baumann (paul_baumann)
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Jörg W. schrieb:
> Nach 7,5 Jahren?

LED haben eben eine lange Lebensdauer...
;-)
MfG Paul

Autor: Harald Wilhelms (wilhelms)
Datum:

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yalu schrieb:

> Einmal
> abgesehen davon, dass eine LED sicher nicht das geeignete Bauteil für
> so etwas ist,

Warum nicht? Bei LEDs ist der dynamische Innenwiderstand typisch
deutlich kleiner, als derjenige von Z-Dioden mit gleicher Spannung.

Edit: Entschuldigung. Ich bin mal wieder in die Leichenfalle geraten.
:-(

: Bearbeitet durch User
Autor: Timm T. (Gast)
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Uhu U. schrieb:
> Warum? Sie Sache spielt sich doch im Halbleiter ab, nicht im Vakuum.

Weil das so ist!

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