Grundlagen der LED-Technologie

LED-Lumineszens-Dioden
Wirkungsgrad
Lebensdauer
Betriebswerte - Durchlaßstrom
Durchlaßspannung
Sperrspannung
Schaltungstechnik
Serienschaltung von Lumineszenz-Dioden
Parallelschaltung von Lumineszenz-Dioden
Diode im Schalterbetrieb
Betrieb an Wechselspannung.

LED-Lumineszens-Dioden

Als Lumineszens-Dioden bezeichnet man Dioden, die beim Anlegen einer in Durchlaßrichtung gepolten Spannung; Strahlung emittieren. Die Wellenlänge des Strahlungsmaximums ist von der Art des für die Diode verwendeten Halbleitermaterials abhängig. Es gibt Lumineszens-Dioden für den Bereich sichtbarer Strahlung mit den Farben Grün, Gelb oder Rot sowie solche, die im kurzwelligen Teil des Infrarot-Bereichs Strahlung emittieren. Fließt durch eine Halbleiterdiode ein Strom in Durchlaßrichtung, dann werden sowohl Elektronen vom N-Gebiet in das P-Gebiet, als auch Löcher vom P-Gebiet in das N-Gebiet injiziert. Verwendet man, wie es bei Lumineszens-Dioden der Fall ist, für das N-Gebiet eine sehr hohe, für das P-Gebiet hingegen eine relativ niedrige Dotierungskonzentration, dann wird der Strom über den PN-Übergang nahezu vollständig von Elektronen getragen. Die in das P-Gebiet injizierten Elektronen rekombinieren mit den Löchern. Unter Benutzung des Bändermodells bedeutet dieser Vorgang, daß Elektronen aus dem Leitungsband (Energie E_C) in energetisch niedriger liegende Niveaus, im allgemeinen in das Valenzband (Energie E_V), übergehen. Bei diesen Rekombinationsvorgängen geben die Elektronen einen Teil ihrer Energie in Form elektromagnetischer Strahlung ab.

Wirkungsgrad

Bezieht man die Strahlungsleistung auf die von der Diode aufgenommene elektrische Leistung, so erhält man, je nach Diodentyp, einen Wirkungsgrad von etwa 0,5 bis 5%. Von diesem an sich schon kleinen Anteil steht wiederum nur ein kleiner Teil als Nutzstrahlung zur Verfügung, während der weitaus größere Anteil durch Absorption verlorengeht. Die hohen Absorptionsverluste sind Hauptsächlich durch die Totalreflexion der Photonen an der Grenzfläche des Kristalls bedingt. Erst durch eine geeignete Wölbung der Plastikoberfläche lassen sich die Totalreflexion und damit die Absorptionsverluste soweit herabsetzen, daß der Vorteil der Kunststoffumhüllung als merklich vergrößerte nutzbare Strahlungsleistung in Erscheinung tritt. Um die Absorptionsverluste möglichst klein zu halten, wird bei GaP- und GaAsP-Dioden das P-Gebiet, in dem die Photonen erzeugt werden, als nur wenige mm dicke, direkt an der Oberfläche liegende Schicht ausgebildet.

Lebensdauer

Lumineszenz-Dioden haben eine Lebenserwartung, die bei Normalbetrieb die Lebensdauer der Anlagen und Geräte, in denen sie verwendet werden, um ein Mehrfaches übertrifft. Sieht man als das Ende der Lebensdauer den Zustand an, bei dem die Strahlungsstärke der Lumineszenz-Diode auf 50% des Anfangswertes abgesunken ist, so erhält man folgende typische Werte: Bei Dauerbetrieb einer normalen Lumineszenz-Diode mit einem Durchlaßstrom der 40% des maximal Zulässigen Durchlaßstroms beträgt, ist die Lebenserwartung 10⁶ Stunden (114 Jahre). Selbst bei Dauerbetrieb mit dem maximal zulässigen Durchlaßstrom ergeben sich immer noch über 10⁵ Stunden.

Betriebswerte - Durchlaßstrom

Lumineszenz-Dioden werden in Durchlaßrichtung betrieben. Der Durchlaßstrom bei Lumineszenz-Dioden beträgt maximal 50 mA. Im praktischen Gebrauch ist ein Strom von ca. 20 mA zu empfehlen. Aus diesem Grund muß in praktisch allen Fällen ein Strombegrenzungswiderstand R eingeschaltet werden. Je nach Größe und Spannung U_D, die - je nach LED-Typ - Werte zwischen 1,4V ... 2,8V erreichen kann, ist für den allgemeinen Fall mit Vorwiderstand R und Betriebsspannung U_B :

Für praktische Anwendungen genügt bei Spannungen U_B> 10 V die vereinfachte Gleichung :

Bei der Ansteuerung durch Treibertransistoren sind zwei Möglichkeiten gegeben. Beide Schaltungen eignen sich gleich gut für eine Übertragung modulierter Lichtsignale oder für stationäre Signalgebung. Bei der ersten Schaltung ist die Diode im Emitterkreis (Emitterfolger) angeordnet. Die Basis erhält eine Spannung U, die etwa dem Wert U_B / 2 entspricht. Die Spannung ist um den Betrag von 0,6 V niedriger als U. Somit kann dann nach der vorherigen Gleichung :

der Strombegrenzungswiderstand ausgerechnet werden. Dabei ist I_D mit 10 ... 50 mA einzustellen.

Durchlaßspannung

Die Größe der Durchlaßspannung von Lumineszenz-Dioden ist von der Materialzusammensetzung abhängig. Im allgemeinen sind folgende Werte gültig :

In der Abbildung sehen wir den typischen Verlauf der Durchlaßspannung U_D. Die Durchlaßkurve verschiebt sich mit steigender Temperatur nach links. Bei Nennstrom haben IR-Dioden ein T_K = ca.: -1,5 mV/K und Dioden im sichtbaren Strahlungsbereich ein T_K = ca.: -1,6 mV/K.

Sperrspannung

Die Sperrspannung von Lumineszenz-Dioden liegt je nach Typ mit U_R = 3 ... 5 V sehr niedrig. Es ist dafür zu sorgen, daß diese Werte auch bei Impulssteuerung nicht überschritten werden. Sperrströme liegen im Bereich von 0,01 mA ... 50 mA .

Schaltungstechnik

Serienschaltung von Lumineszenz-Dioden

Eine Serienschaltung ist möglich, da die Streuwerte hier keine Rolle spielen. Der gemeinsame Strom bestimmt das Arbeitsverhalten der Schaltung. Vorsicht ist jedoch im Sperrbetrieb geboten. Hier ist zu berücksichtigen, daß bei unterschiedlichen Sperrströmen die Spannung an den einzelnen Dioden sich soweit erhöhen kann, daß die Grenzwerte überschritten werden. In solchen Fällen ist eine Antiparallelschaltung kleiner Siliziumdioden erforderlich.

Parallelschaltung von Lumineszenz-Dioden

Lumineszenz-Dioden dürfen nicht parallel geschaltet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Spannungswerte bei einem Arbeitspunkt kann eine Überlastung der Diode auftreten, die den kleineren Spannungswert U_D hat.

Diode im Schalterbetrieb

Eine LED kann, parallel zu einem Transistor geschaltet, den jeweiligen EIN- AUS- Zustand signalisieren. Der Widerstand R_V ist so zu bemessen, daß bei der gegebenen Betriebspannung der Diodenstrom I_D den zugelassenen Wert von z.B. 20 mA nicht überschreitet.

Betrieb an Wechselspannung

Lumineszenz-Dioden können auch an Wechselspannung betrieben werden, wenn bei der Halbwelle, die zur Sperrung der Diode führt, eine antiparallel geschaltete Diode die Sperrspannung auf 0,6 V begrenzt. Der Widerstand R ist so zu bemessen, daß für seine Berechnung der Effektivwert der Wechselspannung herangezogen wird. Bei Spitzenspannung des Wechselstromes ist der Diodenspitzenstrom etwa um den Faktor 1,4 größer, was zu tolerieren ist.

Betrieb an Wechselspannung

Diese Schaltung unterscheidet sich von der vorherigen, daß die antiparallel geschaltete Diode ebenfalls eine LED ist. Dadurch ist auch hier gewährleistet, daß der Bereich der Speerspannung für keine der beiden Dioden erreicht wird. Die beiden LED´s leuchten wechselseitig bei jeder Halbwelle auf. Der Widerstand R ist so zu bemessen, als ob nur eine Diode vorhanden ist.