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?
Vorausgesetzt die Formel stimmt - ich habs nicht geprüft: Welche
Lichtgeschwindigkeit muß man nehmen? Die im Vakuum, oder die im
Halbleiter?
Letztere dürfte niedriger sein...
>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?
@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.
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.
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).
@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/viewtopic.php?topic=73317&start=15&pid2=462396#id462396
@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.
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).
>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.
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.
>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.
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?
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
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?
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,
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
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
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
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.
@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.
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
@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...
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
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.
>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
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"?
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?
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.
:-(
