Ich habe eine Facharbeit über LEDs geschrieben, und schätze mal sie ist eine gute Einsteigerlektüre für jene, die sich mit dem Thema LED beschäftigen wollen.
An dieser Stelle möchte ich auch nochmal für die Hilfe danken die ich hier im Forum bekommen habe - Also in diesem Sinne: DANKE!
Die Facharbeit habe ich fein säuberlich und bebildert in Word geschrieben. Wer also die Komplette Arbeit fomatiert und bebildert haben will kann sie hier Downloaden - Natürlich absolut kostenlos
:http://rapidshare.com/files/105943500/F ... t.doc.html
(Webspace für Anhänge leider zu klein, daher externer Link)
Alle anderen dürfen sich mit dem Nachfolgenden begnügen.
Ich habe Teile rausgekürzt, da sie ohne die im Word-Dokument enthaltenen Grafiken keinen Sinn machen. Also für Dinge die im Inhaltsverzeichnis stehen, hier aber nicht aufgeführt sind bitte einfach den obigen download nutzen
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. LED = Light Emitting Diode = Licht emittierende Diode
2.1 Definition
2.2 Aufbau einer LED
2.3 Funktionsweise
2.4 Besonderheit der LED
2.5 Farben
2.6 Lebensdauer/ Leuchtkraft
2.7 Bauformen
2.7.1 Standard LED
2.7.2 Superflux LED
2.7.3 High-Power LED
2.7.4 SMD LED
3. Experimente
3.1 Experiment 1
3.2 Experiment 2
4. Resümee
5. Anhang
5.1 Begriffe und Formeln
5.2 Ergänzung zu den Experimenten
5.3 Daten zu den LED Kategorien
5.3.1 Standard LED
5.3.2 Superflux LED
5.3.3 High-Power LED
5.3.4 SMD LED
5.4 Bildnachweis
1. Einleitung
Es gibt keine wertvollere,
herrlichere oder mächtigere Arbeit,
als die Arbeit mit Licht.
Omraam Mikhaël Aïvanhov
Am 21. Oktober 1879 präsentierte Thomas Edison die Glühbirne. Damit begann der Siegeszug des künstlichen Lichtes. Edison brachte sicheres und günstiges Licht in alle Haushalte und revolutionierte damit die damalige Welt.
Wie man aber heute weiß, wandeln herkömmliche Glühbirnen nur fünf Prozent der Energie in Licht um. Eine Glühbirne ist eher ein kleiner Wärmeofen, denn 95 Prozent der eingesetzten Energie wird unsinnigerweise in Wärme umgewandelt. Die Lichtausbeute beträgt nur etwa 15 lm/W. Um dem Klimawandel durch Energieeinsparung vorzubeugen, gehen die Überlegungen z.B. in Australien sogar so weit, die Glühbirnen ganz zu verbieten.
Die Auswahl der Leuchtmittel ist bis heute riesig geworden. Man unterscheidet im Groben:
• Glühlampen
• Gasentladungslampen und
• Leuchtdioden.
Aus dem Bereich der Gasentladungslampen sei hier nur die Energiesparlampe, als alternatives Leuchtmittel genannt. Sie bringt das gleiche Licht wie eine Glühbirne bei einem fünftel des Stromverbrauchs und hält 10 bis 20 mal länger als die klassische Glühbirne. Die Lichtausbeute beträgt ca. 60 lm/W. Obwohl sie insgesamt umweltfreundlicher und billiger ist, und viele Anfangsprobleme (unangenehmes Licht, nicht dimmbar, sehr teuer, lange Starterphasen, etc) wenigstens teilweise behoben sind, haben sie sich nur verhalten durchgesetzt.
Eine neue revolutionäre Entwicklung im Bereich der Leuchtmittel sind Leuchtdioden - LEDs.
Sie verbrauchen weniger Energie, erzeugen weniger Wärme, sind unempfindlich gegenüber Erschütterungen, erreichen deutlich kürzere Schaltzeiten und haben bei niedriger Sperrschicht-Temperatur eine hohe Lebensdauer.
Sie könnten über lange Sicht alle anderen glühenden Leuchtmittel verdrängen, da sie wesentlich effizienter, kleiner und robuster sind.
Doch wie funktionieren LEDs?
Was für LEDs gibt es? Wie effizient sind LEDs?
2. LED = Light Emitting Diode = Licht emittierende Diode
2.1 Definition
Die LED ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement und gehört zu den Elektrolumineszenzstrahlern. Wird in Durchlassrichtung eine Spannung angelegt rekombinieren Ladungsträgerpaare im Halbleiter und strahlen Licht - Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung - in einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge aus.
2.2 Aufbau einer LED
Der Aufbau sowie das Funktionsprinzip ist bei allen LEDs gleich. Das Bauteil der LED, welches leuchtet, ist der Halbleiterkristall oder auch LED-Chip. Dieser ist auf der Kathode befestigt (bei Standard LEDs bildet die Kathode ebenfalls den Reflektor, s. Grafik) - und über einen feinen Draht (Gold-Draht) an der Oberseite des Kristalls mit der Anode verbunden.
Je nach Anforderung wird dieser Grundaufbau dann „verkleidet“. Bei Standard LEDs reicht ein einfacher Epoxydharz, der sowohl als Schutz als auch als Linse dient. Bei High-Power LEDs hingegen werden isoliert (durch Silikon) von Anode und Kathode kleine Metallkörper zur Wärmeabfuhr unter die Halbleiterkristalle gebaut, welche dann als Kontakt zwischen LED und später angebauten Kühlkörper dienen. Des Weiteren werden bei High-Power LEDs wegen der großen Hitzeentwicklung temperaturbeständigere Materialien verwendet. So wird z.B. bei der unten abgebildeten LED der Chip in Silikon gebettet und von einer Glaslinse umgeben.
2.3 Funktionsweise
Um die Funktionsweise der LED zu verstehen, muss man zunächst den Halbleiter prinzipiell erläutern.
Ein Halbleiter ist ein Festkörper, der sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter angesehen werden kann. Die Leitfähigkeit dieser Halbleiter ist abhängig von der Energie, die dem Körper zugeführt wird. Manche Halbleiter sind z.B. bei 0 Kelvin Nichtleiter, bei Raumtemperatur hingegen Leiter.
Die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern lassen sich durch Dotierung in weiten Grenzen beeinflussen.
Unter Dotierung versteht man das Einbauen von „Störstellen“ in ein Kristallgitter, also das Einbauen von höherwertigen bzw. minderwertigen Fremdatomen.
Wenn man z.B. Arsenatome (As) in ein Germaniumgitter (Ge) einbaut, wird das fünfte Valenzelektron (= „Außenelektronen“ = Elektronen die zur Bindung mit anderen Atomen beitragen können) des Arsenatoms nicht zur Bindung benötigt, da Germanium nur vier Valenzatome besitzt. Somit kann sich das fünfte Arsenatom frei bewegen. Man bezeichnet das Arsenatom daher auch als Elektronenspender (Donator) da es durch die Abgabe eines Elektrons die Elektronenleitung ermöglicht.
Diesen negativ dotierten Leiter nennt man n-Leiter.
Baut man hingegen ein Atom wie Indium (In) - welches nur drei Valenzelektronen besitzt - in ein Germaniumgitter (Ge) ein, so ist Indium ein Elektronenfänger (Akzeptor). Hier wandert ein positiver Ladungszustand durch das Fehlen eines Elektrons frei durch das Germaniumgitter.
Dieser Halbleiter wird p-Leiter (positiv dotiert) genannt.
Kommen p- und n-Leiter zusammen entsteht ein p-n-Übergang. Der Majoritätsladungsträger (= die Ladungsträgerart, die häufiger vorkommt) der beiden unterschiedlich dotierten Leiter streben auf Grund der Anziehungskräfte in den jeweils anderen Leiter (Diffusion). Das heißt die Löcher des p-Kristalls streben in den n-Kristall, die Elektronen des n-Kristalls umgekehrt in den p-Kristall. Die freien Elektronen des n-Leiters und die Löcher des p-Leiters treffen sich in der Grenzschicht zwischen den beiden Leitern und neutralisieren sich gegenseitig - sie rekombinieren -. Da hierbei Elektronen fließen entsteht ein elektrisches Feld, welches der Diffusion entgegenwirkt und sie irgendwann neutralisiert, sodass ein Kräftegleichgewicht herrscht und keine weiteren Ladungen mehr fließen.
Dadurch sind zwischen p- und n- Übergang nur noch rekombinierte Ladungen, welche einen neutralen Raum bilden, der Raumladungszone (RLZ) oder auch Verarmungszone genannt wird.
Schließt man an diesen p-n-Übergang in Sperrrichtung (- am p-Leiter, + am n-Leiter) eine Spannung an, werden die Elektronen und Löcher vom jeweiligen Pol angezogen, und die Sperrschicht wird größer. Strom kann jedoch nicht fließen, es sei denn die Spannung wird so groß, dass ein „Überschlag“ stattfindet und der p-n-Übergang damit zerstört wird.
Wenn man eine Spannung in Flussrichtung (+ am p-Leiter, − am n-Leiter) anschließt wird der neutrale Bereich mit positiven und negativen Ladungsträgern
geflutet und sie rekombinieren fortlaufend.
Laut dem Bohrschen Atommodell bewegen sich Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Atomkern, den so genannten erlaubten Bahnen oder Quantenbahnen. Auf diesen Bahnen bewegen sich die Elektronen ohne Energieverlust. Je größer der Abstand zwischen Atomkern und Elektron ist, desto mehr potentielle Energie hat das Elektron der Anziehungskraft des Atomkerns entgegen zu setzen. Diesen Abstand bezeichnet man als Energieniveau. Gemessen wird diese Energie in Elektronenvolt [eV].
In einer LED haben die Elektronen des n-Leiters ein höheres Energienpotential als die Löcher im p-Leiter. Diese Energiedifferenz geben die Elektronen bei der Rekombination in Form von Licht ab. Die Differenz bzw. der Abstand zwischen den beiden Energiepotentialen gibt dabei die Wellenlänge, also die Farbe des Lichtes an.
2.4 Besonderheit der LED
LEDs sind nicht wie ohmsche Widerstände, sondern haben einen nicht-linearen Widerstand (unter anderem auch abhängig von LED Temperatur und Umgebungstemperatur). Das bedeutet, dass die Stromstärke, an welche die LED anliegt, nicht proportional zur Spannung steigt. Eine relativ genaue Bestimmung der Stromstärke bei einer bestimmten Spannung lässt sich nur durch die LED spezifische Kennlinie (U-I Diagramm) herausfinden. (Experiment, siehe S.14)
2.5 Farben
Die Farbe und Helligkeit sowie alle anderen Eigenschaften einer LED lassen sich durch die entsprechende Dotierung der Halbleitermaterialen bestimmen. Die ersten LEDs waren rote LEDs und kamen 1962 auf den Markt. Bis 1971 war das gesamte Spektrum im roten, orangen und gelben Bereich verfügbar. Blaue LEDs wurden Ende der achtziger-Jahre auf den Markt gebracht, waren jedoch ausgesprochen ineffizient und fanden deshalb nur kaum Verwendung. Die ersten hocheffizienten blauen LEDs kamen erst 1993 auf den Markt.
Heutzutage werden fast nur noch AlInGaP (Aluminiumindiumgalliumphosphid) dotierte Halbleiter für das rote, orange und gelbe Farbspektrum verwendet, da diese Dotierung im Hinblick auf die Lichtausbeute die effizienteste ist. InGaN (Indiumgalliumnitrid) dient als Halbleitermaterial für hoch effiziente blaue, grüne, ultraviolette und weiße LEDs.
Weiße LEDs bilden jedoch eine besondere Gruppe der LEDs, da weiß eine „gemischte“ Farbe ist, die sich aus dem gesamten Farbspektrum zusammensetzt.
Zum einen besteht die Möglichkeit mittels additiver Farbmischung durch einen roten, einen grünen und einen blauen LED Chip ein Weiß zu mischen. Jedoch müssten diese LED Chips alle die exakt selbe Fläche beleuchten um keine farbigen Ränder zu erzeugen. Das ist aber praktisch unmöglich. So haben Weiße LEDs auf RGB-Basis immer einen farbigen Rand, der je nach Entfernung zur beleuchteten Fläche und abhängig vom Austrittswinkel der LED mehr oder weniger auffällt.
Zum anderen gibt es die Möglichkeit einen LED-Chip mit photolumineszierendem Material zu beschichten. Dieses Material kann die Wellenlänge und damit die Farbe der LED beeinflussen. Da die Beschichtung einen Teil des emittierten Lichtes „schluckt“ werden meistens blaue LEDs verwendet, weil diese den höchsten Wirkungsgrad haben und somit am wirtschaftlichsten sind.
(Für eine genauere Erläuterung siehe bitte auch: http://de.wikipedia.org/wiki/Fluoreszenz)
2.6 Lebensdauer/ Leuchtkraft
Als Lebensdauer wird die Zeit bezeichnet, nach der die LED nur noch die Hälfte ihrer Helligkeit hat (Halbwertzeit). Praktisch funktioniert die LED jedoch wesentlich länger, bevor sie anfängt zu flackern oder sogar ganz ausfällt.
Beeinflusst wird die Lebensdauer von vielen Faktoren, hauptsächlich jedoch von Temperatur Strom und Spannung. Betriebs- und Lagertemperaturen von z.B - 40°C bis 120°C, die man dem Datenblatt der LED entnehmen kann, garantieren zwar eine Funktionsfähigkeit, beeinflussen aber Helligkeit, Farbe und Lebensdauer einer LED drastisch. So führt bei manchen LEDs eine Temperatur von 100°C zu einer Halbierung der Lichtausbeute und damit zur Halbierung der Effizienz.
2.7 Bauformen
Es gibt zahllose von Hersteller zu Hersteller unterschiedliche Bauformen, diese lassen sich jedoch im Grunde in vier Kategorien einteilen:
1.) „Standard LED“
2.) „Superflux LED“
3.) „High-Power LED“
4.) „SMD LED“
Alle LEDs verfügen über mindestens zwei Lötkontakte, die Anode (+ Pol) und die Kathode (- Pol).
Viele Standard- und Superflux LEDs haben an ihren „Beinchen“ kleine „Verdickungen“ unterhalb der Austrittsstelle aus dem Gehäuse. Diese Verdickungen markieren die höchste (bzw. die dem Gehäuse naheste) Stelle, die mit der im Datenblatt der LED angegeben Löttemperatur und Lötdauer bearbeitet werden darf. Eine Überschreitung dieser maximalen Werte und Position kann zur Beschädigung der LED, Verringerung der Leuchtkraft und Lebensdauer sowie zum endgültigen Defekt der LED führen.
2.7.1 Standard LED
Die „Standard LED“ ist die wohl bekannteste und am häufigsten verwendete LED. Der Aufbau ist bei den Standard LEDs immer derselbe. Sie unterscheiden sich nur in ihren Spezifikationen, Form, Farbe und Größe. Die am häufigsten verwendeten LEDs sind die runden 3- oder 5 Millimeter Versionen, jedoch findet man auch viele andere Formen, z.B. Rechtecke in Segment Anzeigen.
Die Standard LED hat 2 „Beinchen“. Das längere ist die Anode (+ Pol), das kürzere die Kathode (- Pol).
Einsatzbereich:
Die Standard LED wird meistens als Statusanzeige verwendet. Durch die Weiterentwicklung wird ihre Helligkeit immer größer, sodass sie teilweise auch schon zur punktuellen Beleuchtung eingesetzt wird. Zur Beleuchtung von Flächen eignet sie sich auf Grund ihrer vergleichsweise geringen Helligkeit und dem kleinen Abstrahlwinkel nicht.
2.7.2 Superflux LED
Das auffälligste Merkmal der Superflux LED (auch „Spider LED“ oder „Piranha LED“) sind wohl die vier „Beinchen“ bzw. Lötkontakte. Diese ermöglichen zum einen eine bessere Wärmeabfuhr, was wiederum zu einer längeren Lebensdauer führt, zum anderen ermöglichen sie den Einbau mehrerer Chips in eine LED. So können bis zu drei Chips unabhängig voneinander angesteuert werden, wie es zum Beispiel bei RGB LEDs der Fall ist.
Theoretisch könnten in einer Superflux LED aus Platzgründen auch noch mehr Chips verbaut werden, jedoch ist die thermische Belastbarkeit (momentan) bereits bei 4 Chips ausgereizt. Weitere Chips würden die Lebensdauer damit überproportional verkürzen.
Der Einsatz von Kühlkörpern wäre hier zwar denkbar, jedoch könnten mehr Chips lediglich die Lichtausbeute erhöhen (mit drei Chips ist mittels Farbüberlagerung bereits das größtmögliche Farbspektrum abgedeckt), sodass man stattdessen zu „High-Power LEDs“ (Kategorie 3) greift.
Einsatzbereich:
Die Superflux ist die die zweitgrößte und potenziell zweithellste LED Kategorie. Sie hat einen sehr großen Abstrahlwinkel (bis zu 120° bei manchen Varianten) und eignet sich daher besonders um Flächen auszuleuchten. Sie wird beispielsweise in Autorückleuchten eingesetzt.
2.7.3 High-Power LED
Die „High-Power LEDs“ sind – wie der Name bereits sagt – die LEDs, die allein auf größtmögliche Helligkeit ausgerichtet sind. Leistungsaufnahmen von 3 Watt sind keine Seltenheit und bedeuten trotz der relativ großen Effizienz eine extreme „Abfallwärme“ für die kleinen LEDs. Fast alle „High-Power LEDs“ müssen daher mit zusätzlichen Kühlkörpern ausgestattet werden, was mehr Platzbedarf und damit weniger Einsatzmöglichkeiten bedeutet.
Das besondere an „High-Power LEDs“ ist die große Spanne zwischen minimaler und maximaler Spannung. Damit kann der Endverbraucher „Lebensdauer gegen Helligkeit eintauschen“, ohne ein sofortiges Durchbrennen der LED befürchten zu müssen.
Einsatzbereich:
„High-Power LEDs“ sind die hellsten und mit ihren Kühlkörpern wohl auch die größten LEDs. Sie sollen langfristig gesehen glühende Leuchtmittel verdrängen, wie es z.B. im Ampelbereich schon der Fall ist. Um eine Glühbirne in einer Ampel zu ersetzen kommen 12 „High-Power LEDs“ (Seoul Z-LED P4; 7,95€ beim Händler) zum Einsatz. Die Anschaffungskosten solcher LEDs sind im Vergleich zu den Kosten einer Glühbirne gigantisch. Auf lange Sicht jedoch rentieren sich die LEDs auf Grund ihrer Unempfindlichkeit, der langen Lebensdauer und den damit entfallenden Wartungskosten.
Allgemein eignen sich die „High-Power LEDs“ für sämtliche Anwendungen bei denen genügend Platz vorhanden ist. Sie sind durch ihre großen Abstrahlwinkel für Flächenbeleuchtung sowie durch optionale Linsen für punktuelle Beleuchtung geeignet.
2.7.4 SMD LED
SMD = Surface Mounted Device = oberflächenmontierbares Bauteil“
SMD LEDs sind extrem klein und haben keine Drahtanschlüsse, sondern werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die entsprechende Platine gelötet. Um „SMD LEDs“ zu verbauen ist spezielle „Surface Mounting Technology“ (SMT) nötig. Deshalb werden diese LEDs eigentlich nur im industriellen Bereich verwendet. Für die Privatanwender sind diese LEDs ohne professionelles Werkzeug für die Verarbeitung einfach zu klein.
Einsatzbereich:
„SMD LEDs“ werden auf Grund ihrer Größe fast nur im industriellen Bereich verwendet. Sie werden zur Beleuchtung kleinerer Flächen (z.B. Handytastatur) sowie als Statusanzeige verwendet. Für punktuelle oder gar flächendeckende Beleuchtung reichen „SMD LEDs“ wegen der geringen Lichtausbeute nicht.
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Hoffe es hilft dem einem oder anderem weiter.
Danke nochmal für die Hilfe
