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Leuchtdiode

Standard Bauform
Leuchtdioden (Lumineszenzdiode) oder auch LED abgekürzt (light emitting diodes) basieren auf Halbleiterverbindungen, die den Strom direkt in Licht umwandeln. Bezogen auf Größe, Effektivität, Haltbarkeit und Lebensdauer verhalten sich die Leuchtdioden zu konventionellen Glühlampen, wie Halbleiterdioden zu Röhrendioden. Sie werden die Beleuchtungstechnik in ähnlicher Weise verändern, wie die Halbleitertechnologie schon die Elektronik verändert hat.
Led.gif
Schaltsymbol Lunineszenzdiode (LED)
Ein großer Vorteil ist die hohe Leuchtkraft bei geringer Stromstärke. Daher werden LEDs fast in allen elektronischen Geräten zur Anzeige von Signalen/Zuständen genutzt. Gerade ist auch die neue weisse LED dabei sogar der Glühlampe etwas Konkurrenz zu machen.

Gewöhnlich werden LED's mit maximal 20 mA betrieben. Bei der „SuperFlux LED“ und der „Luxeon“ von Lumileds ist der maximale Betriebsstrom höher, nämlich 70 mA und 350 mA. Dagegen gibt es auch Low-current Typen, die für 2mA ausgelegt sind. Weniger Strom ist kein Problem: die Helligkeit nimmt ungefähr proportional zum Strom ab.

Der Wirkungsgrad und damit die Helligkeit der LEDs bei einem gegebenen Strom hängt stark vom Typ ab. Zwischen den einfachen Low-Cost Typen und extra hellen (effizienten) Typen kann ein Faktor 100 sein, selbst wenn man berücksichtigt, dass viele der hellen Typen das Licht stark bündeln und so nur nach vorne besonders hell erscheinen.

Die Durchlassspannung hängt von der Bandlücke ab und damit von der Lichtfarbe. Die Betriebsspannungen betragen 1,6V bis 4V. Entsprechend der steilen Diodenkennline ist die Spannung nur wenig vom Strom abhängig. Wegen des hohen Dotierungsunterschieds an der Sperrschicht vertragen Leuchtdioden nur geringe Sperrspannung von ca. 5 V. Wenn eine LED also an der Kathode positive Spannung abbekommt muss eine Diode antiparallel eingesetzt werden.

Es ist eine große Vielfalt von Bauformen lieferbar. Neben diversen Metall-/Glas-Gehäusen werden hauptsächlich Plastikbauformen eingesetzt. Hier setzt der Kunststoffkörper zum einen den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Chipoberfläche herab und erhöht damit die aus dem Kristall austretende Strahlungsleistung, zum anderen wirkt die gekrümmte Oberfläche als Linse und bündelt die Strahlung in Achsrichtung. Sie sind problemlos in großen Stückzahlen zu fertigen.

Je nach Verlötungsverfahren wird bei elektronischen Bauteilen zwischen den auf der Rückseite der Platine verlöteten und den SMD (Surface Mounted Device) Bauformen unterschieden. Auch LED werden in beiden Bauformen angeboten.

Die meisten LEDs kann man nicht direkt an eine Spannungsquelle anschließen. Man stellt den Strom über eine Konstantstromquellen oder einen Vorwiderstand ein.

Praxistip: An einer Spannung von 5V (auch Digitalports) werden Leuchtdioden gewöhnlich mit einem Widerstand von min. 330 Ohm bis 1000 Ohm (je nach gewünschter Leuchtstärke) betrieben.

Berechnung des Vorwiderstandes: Zur Berechnung des Vorwiderstandes benutzt man das Ohmsche Gesetz. Von der Versorgungsspannung wird die Spannung der LED abgezogen und dann durch den gwünschten Strom geteilt. Beispiel: Eine LED soll 20mA bekommen und braucht 2V. Unsere Versorgungsspannung hat 9V. Setzt man das in die Formel ein bekommt man 350 Ohm herraus. Da es die meisten errechneten Widerstände nicht gibt nimmt man sicherheitshalber den nächst höheren. Beim Rechnen sollte man immer in den Grundeinheiten Ampere, Volt und Ohm bleiben. Man rechnet also nicht mit 20mA, sondern mit 0,02A.


Weiße LED


IR-LEDs

Neben den LEDs für sichbares Licht gibt es auch LEDs für Infrarotlicht. Die üblichen Wellenlängen sind 880 nm und 950 nm. Diese LEDs haben einen recht hohen Wirkungsgrad und Silizium Fotodioden sind hier besonders empfindlich. Entsprechend eignen sich die IR-LEDs gut für Lichtschranken und die Datenübertragung, z.B. für Fernsteuerungen. Die typischen IR LEDs vertragen bis 100 mA, wenn für eine einigermaßene Wärmeableitung gesorgt wird.


Funktionstest von IR-LEDs: Infrarotlicht ist für Menschen nicht sichtbar. Daher ist der Funktionstest einer IR-LED ohne Hilfsmittel nicht möglich. Neben der Messung der Stromaufnahme ist eine praxiserprobte Möglichkeit das Messgerät Digitalkamera. Warum? Die meisten Digitalkameras "sehen" Infrarotlicht. Eine Ausnahme bilden z.T. hochpreisige Systemkameras, aber die übliche Digicams oder Handikameras sind geeignet. Es muss einfach bei - vermutetem - Leuchten der IR-LED auf das Kameradisplay geschaut werden.

ACHTUNG, extremes Verletzungsrisiko = Erblindungsgefahr : Bitte keinesfalls direkt in die leuchtende Infrarotdiode sehen - egal ob man denkt, dass die leuchtet oder nicht. Das Licht kann nicht erkannt werden; wenn man etwas merkt, ist der Augenschaden schon da.


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Die Infrarot-LED, links im Bauteil, leuchtet nicht.

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Die Infrarot-LED, links im Bauteil, leuchtet.


Wie bei jedem indirektem Test bietet sich eine Gegenprobe an. Ist ein Leuchten nicht zu erkennen, kann es sein, dass Spannung gar nicht anliegt: Spannung prüfen oder Schalter in andere Position (oder Code ändern). Wenn beide Tests kein positives Ergebnis zeigen, macht ein Diodentest Sinn: wenn man den Minuspol (-) an die Kathode hält, siehe oben, kürzeres Bein, Marke "K" und den Pluspol (+) an die Anode, dann sollte das Instrument einen Wert um etwa 1 V anzeigen. Nach Wechsel der Anschlüsse ist der Durchgang gesperrt.

Parallelschalten von LEDs

Es kommt immer wieder die Frage auf, ob man LEDs parallel schalten kann: Die kurze Antwort ist besser nicht.

Dafür gibt es 2 Gründe: Zum einen ist die Spannung der LEDs nicht immer hundertprozentig gleich, und schon etwa 20 mV Unterschied machen einen Faktor 2 beim Strom aus. Selbst wenn man gleiche Dioden ausgesucht hat, gibt es noch ein Temperaturproblem: Wie bei anderen Dioden auch, nimmt mit steigender Temperatur und konstanter Spannung der Strom relativ schnell zu. Schon bei etwa 5-10 Grad mehr kann sich der Strom verdoppeln. Wenn man jetzt LEDs parallel hat, steigt der Strom der wärmeren LED an und macht diese LED noch wärmer, bis praktisch der ganze Strom durch diese eine LEDs fließt und die LED dann eventuell schädigt. Ein ähnliches Problem hat man auch beim Parallelschalten von Gleichrichterdioden oder bipolaren Transistoren.

Wenn man LEDs parallel betreiben will, muß man durch jeweils einen Serienwiderstand dafür sorgen, das der Strom durch den Widerstand, und weniger durch die recht steile Diodenkennlinie bestimmt wird. Der Spannungsabfall am Widerstand sollte dazu wenigstens 100-200 mV betragen.

Bei den blauen und weißen LEDs gibt es einige Typen, die intern schon einen relativ hohen Serienwiderstand haben und deshalb unter günstigen Umständen direkt parallel geschaltet werden können. Ohne genaue Informationen aus dem Datenblatt sollte man das aber nicht machen und besser für jede LED eine Vorwiderstand spendieren.

Siehe auch


Weblinks