LED Dioden
(20 459)Das Funktionsprinzip der LED
Dioden sind Halbleiterelemente, deren Aufbau auf der Verwendung des p-n-Übergangs beruht. Er zeichnet sich durch einen Widerstand von praktisch null aus, wenn er in die Leitrichtung vorgespannt ist - vorausgesetzt, dass ein kleiner Spannungswert, die sogenannte Diffusionsspannung, überschritten wird. Im Fall der Polarisierung des p-n-Übergangs in die Sperrrichtung stellt dieser einen fast unendlich großen Widerstand dar, und die kleine Strommenge, die durch den Sperrspannungsübergang fließen kann, wird als Sperrstrom oder Driftstrom bezeichnet. Die beschriebene Eigenschaft des p-n-Übergangs wird als asymmetrische Stromleitung definiert. Unter allen Arten dieser Elemente sind Leuchtdioden, auch bekannt als LEDs (ang. Light-Emiting Diode), eine der gebräuchlichsten.
Eigenschaften der LED
LED (Light-emitting diode) als optoelektronisches Halbleiterelement, das Licht emittiert, ist in der Elektronik weit verbreitet. Dieses Element enthält in seiner Struktur einen p-n-Übergang, also einen Übergang von zwei nicht in sich geschlossenen Halbleitern mit unterschiedlicher Leitfähigkeit (p-Kathode, n-Anode). Die LED emittiert nach der Stromzuführung Licht im sichtbaren, infraroten (IR) oder ultravioletten (UV) Bereich durch das Phänomen der Elektrolumineszenz. Dieses Phänomen beruht auf der Rekombination von Elektronen mit Elektronenlöchern, wodurch Energie in Form von Photonen (Elektrolumineszenz) freigesetzt wird. Die Farbe des Lichts hängt vom Material ab, das zur Herstellung des Halbleiters verwendet wird. Es kann unter anderem sein. Galliumarsenid, Galliumphosphid oder Galliumarsenophosphid. Dieser Diodentyp zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und einen hohen Leuchtdichtewert aus. Viele von ihnen haben zudem einen geringen Stromverbrauch, wobei beispielsweise COB-Dioden (Chip on Board) hier eine Ausnahme sind. Zu den Anwendungen gehören die Signalisierung z.B. des Vorhandenseins der Versorgung oder des Gerätebetriebes, spezielle Beleuchtung für Shops oder Straßenbeleuchtung und vieles mehr. Bei der Auswahl sollte man die Hauptparameter der LEDs beachten - Lichtausbeute, Leistung oder den maximalen Strom. Der Schlüssel ist der Nennstrom. Es lohnt sich auch, die Farbe der Diode oder die Montagemethode zu berücksichtigen.
Der Einsatz von LEDs. LEDs sind eine immer häufigere Lichtquelle, die u.a. zur Signalisierung eingesetzt werden, z.B. in Form von Kontrollleuchten, als einzelne Pixel in verschiedenen Displays, aber auch als Lichtquellen, die herkömmliche Glühbirnen oder Halogenleuchten ersetzen – sogar die Standard-Autobeleuchtung, einschließlich der sog Xenone. Dies liegt vor allem an ihrer hohen Lebensdauer und geringen Leistungsaufnahme, aber auch an hohem Wirkungsgrad, niedriger Versorgungsspannung, geringen Energieverlusten und kleinen Abmessungen bei hohem Leuchtdichtewert.
Aufbau einer LED
Leuchtdioden basieren auf dem Phänomen der Lumineszenz. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Glühbirnen, bei denen durch das Glühen ein Glühfaden auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, wird bei LED-Dioden die Energie des elektrischen Stroms direkt in Licht umgewandelt, und zwar in Energie in Form von Quanten der elektromagnetischen Strahlung. LEDs können neben sichtbarem Licht in verschiedenen Farben auch Infrarot- oder Ultraviolettstrahlung emittieren. Bestimmte LEDs emittieren elektromagnetische Strahlung in einem schmalen Wellenlängenbereich, leuchten also in einer definierten Farbe. Die Lichtfarbe der Diode hängt von der Art des Halbleiters ab, genauer gesagt von dem Halbleitermaterial, das zum Aufbau des Übergangs verwendet wurde.
Weißes Licht ist die Summe aller Farben, die das menschliche Auge wahrnimmt, daher erfordert der Bau einer Diode, die mit Licht dieser Farbe leuchtet, spezielle Lösungen. Eine davon ist die Anordnung von drei roten, grünen und blauen LEDs in einem Gehäuse, die bei entsprechend ausgewählter Lichtintensität von jeder von ihnen eine weiße Farbe erzielen können. Der Nachteil dieser Lösung ist der hohe Preis, während der Vorteil dieser Art von LEDs eine hohe Lichtausbeute ist. Eine andere Lösung verwendet ultraviolette Leuchtdioden und einen Leuchtstoff, der bei Anregung durch diese Art von Licht weiß leuchtet. Diese Lösung ist billiger, aber die Dioden, die das beschriebene Phänomen verwenden, haben einen geringeren Wirkungsgrad. Problematisch ist auch die vollständige Eliminierung der schädlichen UV-Strahlung. Die letzte Methode besteht darin, eine blaue Diode und einen gelben Leuchtstoff zu verwenden. Der Leuchtstoff wird durch LED-Strahlung angeregt und emittiert Licht einer anderen Wellenlänge (gelbes Licht). Der Anteil der Strahlung von LED und Leuchtstoff bestimmt die Lichtfarbe, die der Mensch wahrnimmt. Auf diese Weise kann je nach verwendetem Leuchtstofftyp warmes oder kaltes Licht erhalten werden.
Auswahl der LED
Dioden sind in vielen verschiedenen Gehäusen zu finden und sowohl für die Oberflächenmontage (SMD) als auch für die Durchsteckmontage (THT) erhältlich. Die erste dieser Methoden wird hauptsächlich in der Kleinelektronik verwendet, aber nicht nur dort. Ein gutes Beispiel sind Steuerdioden, die auf Mikrocontroller-Entwicklungsplatinen montiert sind, Benachrichtigungsdioden in Smartphones und Steuerungen in verschiedenen Haushaltsgeräten und sogar in Industriegeräten.
Anschluss von LED-Dioden, Leitspannung und Stromversorgung
Beim Anschluss von LEDs im System sind mehrere Aspekte zu beachten. Einer der wichtigsten ist die Begrenzung des Stroms, der durch die Diode fließt, was entscheidend ist, um sie nicht zu überhitzen und zu verbrennen. Dies kann mit einem in Reihe geschalteten Widerstand erfolgen, dessen Widerstandswert in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung und dem Strom, der durch die Diode fließen soll, zu wählen ist. Dies kann mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden, das besagt, dass der Strom, der durch einen Leiter fließt, proportional zur Spannung zwischen seinen Enden und umgekehrt proportional zum Widerstand dieses Leiters ist. In Form einer mathematischen Formel erhalten wir R = U/I, wobei U die Versorgungsspannung abzüglich des Spannungsabfalls an der Diode ist, angegeben in Volt [V], und I - die ausgewählte Stromstärke, angegeben in Ampere [A]. R ist der gesuchte Wert für den Widerstand in Ohm [Ω]. Je höher der Wert des durch die Diode fließenden Stroms ist, desto intensiver leuchtet sie. Diese Abhängigkeit ist weitgehend linear, jedoch sollte der Wert des Nennstroms der Diode berücksichtigt werden, der nicht überschritten werden sollte. Dies kann sie dauerhaft beschädigen, indem zu viel Wärme darauf erzeugt wird. Beabsichtigt der Anwender, eine größere Anzahl von in Reihe geschalteten Dioden zu verwenden, lohnt es sich, sich mit dem Thema der Versorgung solcher Systeme mit einer Konstantstromquelle z.B. in Form eines geeigneten Netzteils zu befassen. Dadurch kann ein Strom gleicher Stärke durch alle Dioden fließen, der sich auch bei einem Kurzschluss an einer oder mehreren von ihnen nicht ändert. Diese Art von Lösung wird unter anderem in immer beliebter werdenden LED-Streifen verwendet, die als Beleuchtung oder Innendekoration verwendet werden.
LED-Leistung
Je nach Anwendung und Erwartungen sollte auch die Leistung der Diode angepasst werden, deren Einheit in Watt[W] angegeben wird und ihre Helligkeit, die in Lumen[lm] oder Candela[cd] angegeben wird. Dioden, die beispielsweise als Kontrollleuchten dienen, benötigen keine hohe Leistung und Helligkeit, aber die leistungsstärksten LEDs für Beleuchtungsanwendungen, beispielsweise in Taschenlampen oder als Raumbeleuchtung, müssen viel höhere Parameter aufweisen.
Leuchtdioden
Natürlich lohnt es sich bei der Auswahl einer Leuchtdiode auch auf Gehäuse, Abmessungen oder Leuchtwinkel zu achten, die sehr schmal sein können, z.B. 10°, aber auch sehr breit, sogar bis 175°. Manchmal kann auch die Farbe der LED-Linse wichtig sein. In diesem Fall ist es am besten, auf die emittierte Wellenlänge zu achten.
LEDs im Angebot von TME
Der Elektronik-Großhandel bei TME bietet LEDs in unterschiedlichsten Typen und Parametern an. In den Filtern der Suchmaschine kann man die Art der LED, die Lichtfarbe, die Betriebsspannung oder den maximalen Versorgungsstrom (von 1 mA bis sogar 6000 mA) auswählen. TME bietet sowohl Einzelelemente als auch fertige Lichtquellen in Form von Bändern, Streifen und Modulen an. Bei der Auswahl lohnt es sich auch, auf die Montagevariante - THT oder SMD - zu achten.
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