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LED - Funktionsweise der Diode - Leuchtdiode

Die LED (Light Emitting Diode) entspricht prinzipiel dem Aufbau einer Diode und wird in Durchlassrichtung betrieben.

Dioden senden grundsätzlich bei der Rekombination Wellen aus, nur waren sie bisher im Infraroten Bereich und wurden zudem durch den undurchsichtigen Stoff absorbiert. Ca 1963 wurde dieses Phänomen zur Signallichterzeugung erstmals genutzt. Nebenstehend ist das Schaltbild der Diode und Ihrerem P-N Aufbau dargestellt.

Ein P-N Übergang entsteht durch das aneinanderfügen von zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern. Ein Halbleiter wird dadurch Charakteriesiert, das er vier Elektronen auf der äußeren Elektronenbahn aufweist. Damit kann er perfekt sich mit vier weiteren Atomen verbinden. Leider sind dann keine Ladungsträger frei die einen Stromfluss erlauben würden.

Wenn man aber einen Halbleiter wie Silizium mit einem Atom das fünf Elektronen auf der äußeren Bahn aufweist verunreinigt, so ist ein Elektron zum Stromfluss verfügbar. Solche Atome nennt man Donatoren.

Verunreinigt man den Siliziumkristall mit einem Atom wie Bor (Akzeptoren) mit nur drei Bindungsarmen, so fehlt ein Ladungsträger. Man spricht von Löchern. Auch Positive Ladungsträger wie dieses Loch können einen Stromfluss ermöglichen.

Treffen nun beide Stoffe aufeinander, so werden sich in der Grenzschicht die freien Elektroden in die Löcherplätze einfinden und somit ist dieser Körper elektrisch neutral und auch nicht leitend.

Beaufschlagt man eine Spannung in Sperrrichtung, so wird diese Schicht immer breiter. Ein Strom kann sich nicht einstellen, bis die Spannung wesentlich gräßer wird und dann ein "Überschlag" auftritt.

WIrd die Spannung in Flussrichtung angelegt, benötigt man eine eine kleine Spannung um die Sperrschicht zu überwinden. Dannach stellt sich ein Stromfluss ein.

Typische Kennlinie einer Diode und damit im Prinzip auch einer Leuchtdiode.

Anhald des Ersatzschaltbild der Diode läßt sich das Bauteil und die Kennlinie gut erklären. Ist ein mal die Spannung der Quelle (Sperrschicht) überwunden, kann ein Strom abhängig vom Wiederstand des Halbleitermaterials Rs fließen.

In Sperrichtung verhindert das als Ideal angenommene Ventiel den Stromfluss.

In der Sperrschicht (P-N-Übergang) wird durch Rekombination der Ladungsträger Photonen freigesetzt. Dabei ist die Wellenlänge proportional zu der Schichtdicke der verbotenen Zone des

P-N-Übergangs.

Da diese Zone in den Abmessungen konstant ist, ist auch die Wellenlänge konstant, was bedeutet, dass es sich hier um einen monochromatischen Strahler handelt.

Um verschiedene Farben zu erhalten, werden verschiedene Halbleiterkristalle ausgewählt, die durch die Stoffzusätze verschieden große, verbotene Zonen ausbilden. Dadurch müssen verschieden große Energien für die Rekombination der Ladungsträger aufgebracht werden und damit letztendlich verschiedene Licht-Wellenlängen abgegeben werden. Charakteristisch ist das Emmitieren eines sehr schmalen Bandes. Folglich emittiert eine LED nur Licht in nur einem sehr engen Band einer bestimmten Farbe. Um weißes Licht also die Summe vieler Farben zu erzeugen muss man andere Wege beschreiten. Aber ein Vorteil ist auch, dass keine anderen Strahlungen wie IR oder UV auftreten und als kompakt aufgebauter Festkörper ist die LED stoß- und vibrations-unempfindlich.

Schlussfolgerung:

-  Eine LED emittiert Licht in nur einem sehr engen Band einer

  bestimmten Farbe.

-  Weißes Licht kann nur über Umwege erzeugt werden.

-  Es treten keine anderen Strahlungen wie IR oder UV auf.

-  Als Festkörper ist die LED stoß- und vibrations-unempfindlich.

Charakteristisch ist das Emmitieren eines sehr schmalen Bandes wie die Tabelle noch mal untermauert. Diese schmalen Bänder sind auch der Grund weshalb die LED Beleuchtungsstärke nicht einfach mit einem Luxmeter gemessen werden kann. Siehe dazu Messtechnik

Quelle: Physik für Inenieure Auflage 2002

Quelle: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.

Quelle: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.

Schaltbild, Aussehen und Prinzipbild einer Diode

Kennlinie einer Diode

Dotierte Siliziumkristalle bilden Elekrtonenladungs

träger oder Loch-Ladungsträger aus.

Im Übergang besetzen die freien Elektronen die Löcher.

Eine Sperrschicht entsteht.

Ersatzschaltbild der Diode

(Quelle: Luxeon)

Bei Rekombination der Ladungsträger werden Photonen freigesetzt.

Im Gegensatz zu einer Laserdiode mit ihren Resonatorspiegeln und entarteten Dotierungen ist das Licht der LED inkohärent.

Zwei Aufbauprinzipien für Rot bis gelben LEDs

sowie den Grünen bis Blauen LEDs.

(Quelle: Osram)

Damit aber verschiedene Farben erzeugt werden können, muss die verbotene Zone unterschiedliche Abstände aufweisen, denn die abgegebene Frequenz des Lichtes ist ja davon abhängig. Dazu muss nicht nur die Dotierung entsprechend genau vorgenommen, oder andere Stoffe verwendet werden, sondern auch der prinzipielle Aufbau der Diode ändert sich. Und wenn man bedenkt das wenige Atome mehr oder weniger, die in das Material einfließen, die Charakteristik verändern können, macht deutlich das trotz Reinsträumen und konstanter Umgebungsparameter die LEDs bei der Herstellung mehr oder weniger großen Streuung unterliegen.

Weisslicht siehe hier

Quelle: Luxeon, Trademark von Lumileds Lighting LLC.

Typische Farbbereiche für die Herstellung von Hochleistungs-LEDs

Schmalbandige Lichtabstrahlung für schlechte Farbwiedergabe

Dominante Wellenlänge

So unterscheidet sich der physikalische Aufbau von roten und den blau-grünen LEDs entscheidend. Jetzt können wir auch das Phänomen erläutern, warum bei den Kollimatoren bei engabstrahlenden Strahlern oftmals eine Farbe am Rand domieniert, da kein LED-Scheiwerferhersteller für die LED-Gruppen unterschiedliche Kollimatoren fertigen lässt. Folgerichtig ist auch, dass die elektrischen Parameter wie auch die Photometrischen Parameter sich unterschiedlich verhalten. So kann z.B. die Leuchtdichte einer grünen LED geringer oder stärker sein als die der blauen und noch anders als der roten. Jedoch wird meist, egal für welchen Typ, die gleiche Treiberelektronik eingesetzt. Auch die Alterung verläuft unterschiedlich. Dies kann mit Allgorithmen in der Ansteuerungssoftware oder durch Abgleichsmessungen korrigieren bzw. anassen, so wie es z.B. bei LED-Videowänden auch oft gemacht wird, jedoch bei den LED-Strahlern findet man bis auf spezielle Applikation solche Anstrengungen kaum.

Rote LED

Grüne LED

Blaue LED

Unterschiede der Junktiontemperatur- verhalten zwischen blau, grünen LEDs

Zu roten, amber LEDs  

Unterschiede der Dominanten Wellenlänge- verhalten zwischen blau, grünen LEDs

Zu roten, amber LEDs

(Quelle: Lumileds)

Lebensdauer

LED können sich je nach Hersteller und Herstellungsprozess sehr unterschiedlich in der Lebensdauer darstellen.

Sehr Lebensdauer verkürzende Ereignisse sind Übertemperatur, durch schlechte Wärmeableitung oder durch zu hohe kurzzeitige Ströme.

In der Regel sind die Treiberelekroniken mit Ihren Kondensatoren und Zwangskühlungen mit den Lüftern in Ihrer Lebensdauer nicht so hoch ausgelegt wie die LED selber, insbesondere wenn Sie nicht an Ihrem Maximum betrieben wird. So ist der Ausfall der LED meist als folge eines Ausfalls der Kühlung oder einem Defekt der Treiberelektronik zu vermuten.

Quelle:
Schweizerische Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK

Angabe Technischer Daten

Lm / Watt

Mit 100 lm/Watt wird heute eine LED als Energiebilanz angegeben und stellt damit alle anderen Leuchtmittel in den Schatten.

Aber warum findet man denn nicht in allen Geschäften bereits schon LED-Leuchten die die Ware anstrahlen? Die können doch auch alle rechnen oder nicht?

Das schon, aber die Angabe einer Leuchte mit HTILeuchtmittel entspricht aber auch den realen Wert, bis das Licht den Scheinwerfer verläßt.

Wir werden meist nur mit den LED-Laborwerten aus der Werbung konfrontiert.

Betrachtet man die Werte genauer ergibt sich nähmich folgendes Bild:

100 lm/W

Laborwert = «Werbewert» (LED-Hersteller): kaltweisse Lichtfarbe, gemessen bei Teillast (350mA), 25° Chiptemperatur, ohne externe Stromversorgung

70 lm/W

Bester Praxiswert (Einfluss Modulhersteller): kaltweisse Lichtfarbe, gemessen bei Teillast (350mA), 80° Chiptemperatur, inkl. externe Stromversorgung.

60 lm/W

Warmweisses Licht (Einfluss Modulhersteller) warme Lichtfarbe, gemessen bei Teillast (350mA), 80° Chiptemperatur, inkl. externe Stromversorgung.

50 lm/W

Volllastbetrieb + warmweisses Licht (Einfluss Modulhersteller) gemessen bei Volllast (700mA), 80° Chiptemperatur, inkl. externe Stromversorgung.

40 lm/W

Inkl. Reflektor (Einfluss Leuchtenhersteller) Wie 4, zusätzliche Vorrichtung zur Blendbegrenzung und Lichtlenkung

Quelle: Schweizerische Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK

Physik