LED

LED = Leuchtdiode

Halbleiter

Nochmal zur Erinnerung zu den Halbleitern.
Wir haben hier 2 entgegengesetzt geladene Schichten. Wir haben einmal die N-Dotierte Schicht welche einen Überschuss von Elektronen hat und die P-Dotierte Schicht welche einen Mangel an Elektronen aufweist, die sogenannten Löcher. Der Aufbau ist, wie man sieht, also tatsächlich genau gleich wie bei einer „normalen“ Diode.
Der Unterschied bei der LED ist folgender:
Betreibt man nun die LED in Durchlassrichtung, fallen die Elektronen in die Übertragsschicht in die Löcher und geben ihre Energie in Form von Licht ab.
Was nun etwas zur Verwirrung beiträgt ist der unterschied zwischen physikalischer und technischer Stromrichtung. In diesem Video beziehe ich mich immer auf die technische Stromrichtung.
So bis hier hin ist jetzt klar wie es zum Leuchten bei einer LED kommt.

Genauer betrachtet ist der Unterschied zwischen einer „normalen“ Diode und einer LED die Kristallart also das Halbleitermaterial.
Bei einer „normalen Diode“ wird beispielsweise Silizium eingesetzt und bei einer LED werden Kristalle aus der 3. Und 5. Hauptgruppe des Periodensystems eingesetzt das sind dann beispielsweise GaP sprich Galliumphosphid.
Abhängig von dem Halbleitermaterial ist dann auch die Ausgestrahlte Wellenlänge. D.h. wie in hier gezeigter Tabelle bestimmt das Halbleitermaterial die Farbe und die Lichtart. Eben die Wellenlänge.

Aufbau

Zunächst mal nur von außen betrachtet.

Wir haben 2 Anschlussdrähte ein längeres der sogenannte Anodenanschluss und ein kürzeres der sogenannte Kathodenanschluss. Das ist wichtig denn wie bei der „normalen“ Diode, wird auch die LED zerstört falls man sie falsch herum betreibt bzw. eben falsch herum Spannung anlegt.
Auf der Unterseite des LED-Gehäuses gibt es eine Art Sockel hier auch markiert. Von oben betrachtet sieht man das an einer Seite, der Kathodenseite, ist diese Sockel abgeflacht.
Falls man die Länge der Drähte nicht mehr erkennen kann erkennt die Kathodenseite ebenfalls durch diese Abflachung.

Nun schauen wir mal ins Innere der LED

Das von mir betitelte Gehäuse nennt man fachüblich Linse oder Einbettung.
Die Drähte verlaufen im Innern wie hier gezeigt.
Hier nun noch etwas detailreicher dargestellt.
An hier markierter Stelle berühren sie sich natürlich nicht.
Unser LED Kristall also Halbleiter, liegt in einer kleinen Ausbuchtung, im sogenannten Napf oder auch Reflektorwanne genannt.
Von dem Anodenanschluss verläuft ein Bonddraht zu genanntem Halbleiter.
Dadurch besteht eine Verbindung von der Anode zum Halbleiter. Und von diesem Halbleiter besteht eine direkte Verbindung zur Kathode.
-> Bonddraht

Nun das ganze nochmal in 3D dargestellt.

Schaltzeichen

Für uns im Elektrotechnik-Bereich ist natürlich auch wichtig wie das Schaltzeichen aussieht, dieses ist hier nun eingeblendet. Wie man sieht ist die Grundstruktur gleich wie bei der normalen Diode lediglich die 2 Pfeile zeigen das es sich um eine LED handelt.

Kennlinie

Um eine LED zu betreiben wird eine bestimmte Spannung gefordert. Das Spannungs- Strom Verhalten verdeutlicht die hier gezeigte LED-Kennlinie welche man im Datenblatt findet.
Der Verlauf der Kennlinie gleicht dem einer üblichen Diode.
[Bild folgt in Kürze]

Farben

Wie bereits angesprochen gibt es LEDs in unterschiedlichen Farben.
Wenn man sich allerdings die Tabelle anschaut, fällt einem auf das es kein weißes Licht gibt. Das ist ein Problem denn weißes Licht wird oft gefordert. Nun gibt es verschiedene Verfahren um dieses weiße Licht zu erhalten.
Eine Möglichkeit besteht darin eine Rote, eine Grüne und eine blaue LED in ein Gehäuse zu packen und so aufeinander abzustimmen das sie zusammen weißes Licht erzeugen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin eine UV-LED zu verwenden. Hier wird ein ähnliches Verfahren wie bei dem Leuchtstoff der Leuchtstoffröhren verwendet. Auf die UV-LED wird Phosphor aufgedampft. Die UV-LED regt dieses Phosphor zum leuchten an.
Wenn wir jetzt schon mal bei den unterschiedlichen Farben der LED sind, möchte ich auf die Frage eingehen, in wie fern sich die LEDs mit unterschiedlichen Farben unterscheiden.
Jeder Farbe liegt eine anderer Halbleiter zu Grunde. Um zu sehen welcher Halbleiter zu welcher Farbe passt gibt es unten stehende Tabelle.

Vorwiderstand

Jeder der schon mal Praktisch eine LED verbaut hat, wird wissen, das es meistens nicht genügt einfach + und – an die LED anzuschließen.
Würde man eine Spannungsquelle einfach so anschließen, würde die LED, meistens sofort kaputt gehen, sie würde durchbrennen.
D.h. Wir brauchen einen Vorwiderstand um die perfekt passende Spannung über der LED zu bekommen.
-> Vorwiderstand einer LED berechnen

Arten & Typen

Vor der LED Technologie gibt es nun bestimmte Typen und Arten. Das Grundprinzip, mithilfe von Halbleitern Licht zu erzeugen, bleibt jedoch bei allen bestehen.
Im Allgemeinen kann man die LEDs in 2 Arten aufteilen.
Die high-power LEDs und die low-power LEDs.
LEDs durch welche mehr als 20mA fließen werden als high-power LEDs bezeichnet,
dementsprechend alle anderen, durch welche 20mA oder weniger fließen, als low-power LEDs.
Die wichtigsten Arten möchte ich im Folgenden kurz im Überblick zeigen.

Die häufigst eingesetzte Bauform ist die der SMD LED. Diese sieht meistens wie hier eingeblendet aus.

Zur sogenannten DIP LED muss ich eigentlich nicht mehr viel sagen. Die bekannteste LED.
Welche ist jetzt nun auch schon ausführlichst im Video gezeigt habe und an welcher ich das ganze Prinzip der LED erklärt habe.

Bei den sogenannten COB LEDs wird das Halbleiterkristall direkt auf die Leiterplatte geklebt und mit Bond-Drähten elektrisch verbunden. Dies ermöglicht einen sehr platzsparendem Aufbau bei sehr guter Wärmeableitung.

Lebensdauer

Wie sieht es mit der Lebensdauer einer LED aus? De facto sehr gut.
Eine LED kann Werte bis zu 20.000h oder sogar bis zu 50.000h erreichen. Beeindruckende Werte.
Ein wichtiger Wert welchen man sich hierbei auch anschauen sollte ist der, der Schaltzyklen. Wie oft kann ich die LED an und aus machen bis sie kaputt geht. Während eine Energiesparlampe lediglich 5000 Schaltzyklen überlebt, schafft die LED eine Schaltfestigkeit von Milliarden von Schaltzyklen. Was die LED begrenzt und somit wesentlich bedeutsamer ist, ist die Vorschaltelektronik der LED welche je nach Qualität 5000 bis zu 10.000 Schaltzyklen übersteht. Hier kann also noch fleißig geforscht und entwickelt werden.

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