Wenn wir eine Spannung über eine LED anlegen, erzeugt sie Licht. Das alles stammt von einem winzigen Stück Halbleitermaterial im Inneren der LED, das Energie als Photonen abgibt. Interessanterweise schießen wir, wenn wir ein Licht auf die LED richten, Photonen zurück, kehren den Prozess um und erzeugen eine kleine Spannung. LEDs gibt es in verschiedenen Formen, Farben und Größen für verschiedene Anwendungen. LED steht für Light Emitting Diode (Light Emitting Diode).

LED-Symbol und Grundlagen

In technischen Zeichnungen verwenden wir ein spezielles Symbol für LEDs. Beachten Sie, dass es einem Diodensymbol sehr ähnlich sieht, aber Pfeile enthält, die anzeigen, dass Licht ausgestrahlt wird. Sowohl LEDs als auch Dioden funktionieren nach demselben Prinzip: Ein Halbleitermaterial wird zwischen elektrischen Steckverbindern eingeklemmt. Während beide Photonen emittieren, emittieren nur LEDs Photonen im für Menschen sichtbaren Bereich, insbesondere Wellenlängen von etwa 400 bis 700 Nanometern. Je nach Wellenlänge nehmen wir verschiedene Farben wahr.

Zum Beispiel:

• UKW-Funksignale sind Photonenwellen in etwa 3 Metern Tiefe.
• WLAN-Signale sind mit etwa sechs Zentimetern kleiner.
• Medizinische Röntgenstrahlen sind winzig, etwa 0,01 Nanometer.

All das liegt außerhalb unseres sichtbaren Spektrums. Vielleicht haben Sie eine LED in Ihrer TV-Fernbedienung bemerkt, die Infrarotlicht aussendet, typischerweise etwa 940 Nanometer – für Menschen unwahrnehmbar, aber auf einer Handykamera sichtbar.

Wie sich LEDs von Standarddioden unterscheiden

Im Inneren der LED verbinden sich Elektronen mit Löchern und setzen dabei Photonen frei. Standarddioden verwenden verschiedene Materialien in ihren Halbleiterschichten und erzeugen Photonen im nahen infraroten Bereich. Diese Photonen werden vom Gehäuse absorbiert und in Wärme umgewandelt, wodurch die Dioden heiß werden. Im Gegensatz dazu erzeugen LEDs nur sehr wenig Wärme, was sie im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen, die durch das Erhitzen eines Glühfaden viel Wärme erzeugen, um sichtbares Licht zu erzeugen, deutlich energieeffizienter macht.

Die meisten LEDs, die du kennst, sind vom Fünf-Millimeter-Durchbohrloch-Typ, die oft eine Seite mit einer flachen Kante haben. Diese flache Kante zeigt die Kathodenseite an, was die korrekte Polarität erleichtert. Durchloch-LEDs sind perfekt zum Erlernen von Elektronik, günstig in großen Mengen erhältlich und eignet sich zum Einsetzen in Testplatinen oder zum Löten in Leiterplatten. Es gibt auch kleinere 3-Millimeter-Versionen und größere 10-Millimeter-Versionen, meist kuppelförmig, sowie quadratische Varianten.

Oberflächenmontierte Geräte (SMD) und leistungsstarke LEDs

SMD-LEDs, oder Surface Mount Devices, werden direkt auf Leiterplatten gelötet für kompakte Designs. Diese Versionen sind deutlich kleiner und erfordern manchmal ein Mikroskop zum Löten. SMD-LEDs werden häufig in Glühbirnen verwendet. Zum Beispiel kombiniert eine blaue LED mit einer Schicht gelben Phosphors gelbes und blaues Licht, um weißes Licht zu erzeugen. Hochleistungs-LEDs, die im Grunde viele LEDs sind, die dicht zusammengedrängt sind, werden aufgrund ihrer Helligkeit und Sichtbarkeit aus großer Entfernung oft für Taschenlampen und Flutlichte verwendet.

LED-Polarität und Schutz

LEDs leuchten nur, wenn die Anodenleitung mit der positiven und die Kathode mit der negativen Verbindung verbunden ist. Die längste Leitung der LED ist typischerweise die Anode, was die Polaritätsidentifikation einfach macht. Wenn die Leitungen abgeschnitten sind, zeigt die flache Kante am LED-Gehäuse die Kathodenseite an. Außerdem haben LEDs zwei Metallplatten im Inneren – die größere Platte ist die Kathode. Einige LEDs haben einen kleinen Punkt, um die Polarität anzuzeigen, aber es ist wichtig, das Datenblatt des Herstellers zu prüfen oder es selbst zu testen.

Das direkte Anschließen einer LED an eine höhere Spannungsquelle, wie eine Neun-Volt-Batterie, kann sie zerstören. Um dies zu verhindern, wird ein Widerstand verwendet, um den Strom der Elektronen zu reduzieren und die LED zu schützen, indem überschüssige elektrische Energie als Wärme entfernt wird. Zum Beispiel kann bei einer 9-Volt-Batterie ein Widerstand etwa 7 Volt entfernen, sodass die LED sicher mit den verbleibenden 2 Volt arbeitet. Der Widerstand legt den Strom für die Schaltung fest, der variiert werden kann, um die Helligkeit der LED zu steuern.

LED-Treiber und Schaltungen

LED-Treiber werden in Glühbirnen und speziellen Einheiten verwendet, die Leistenbeleuchtung mit Strom versorgen, um die richtige Spannung und Stromversorgung bereitzustellen. Zum Beispiel verwendet eine Lampe mit 230 Volt einen Gleichrichter, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, einen Kondensator zur Glättung und einen Chip, der den LEDs einen konstanten Strom liefert und so Flackern verhindert.

USB-Lichtstreifen sind einfache Stromkreise, bei denen der USB-Anschluss eine 5-Volt-Schiene und eine Erdungsschiene mit einem Widerstand und einer LED parallel verbunden ist. Dieses Design ermöglicht Flexibilität in der Länge, da das Schneiden des Streifens den Strom basierend auf der Anzahl der LEDs beeinflusst.

Im Inneren der LED

Im LED-Gehäuse haben sowohl die Anoden- als auch die Kathodenleitungen Metallplatten, die durch einen kleinen Abstand getrennt sind. Die größere Platte zeigt die Kathodenseite an. Der Halbleiter der LED besteht aus einer n-Typ-Schicht mit freien Elektronen und einer p-Typ-Schicht mit Löchern. Wenn sie mit Strom versorgt werden, strömen Elektronen vom n-Typ zur p-Typ-Schicht und setzen Photonen am PN-Übergang frei. Die Wellenlänge dieser Photonen bestimmt die Farbe des Lichts, die vom verwendeten Halbleitermaterial abhängt.

Halbleitermaterialien und Lichtfarbe

Verschiedene Halbleitermaterialien erzeugen unterschiedliche Lichtwellenlängen. Zum Beispiel:

• Siliziumdioden senden nahezu infrarotes Licht, das der Mensch nicht sehen kann.
• Galliumarsen in Kombination mit Galliumphosphid ermöglicht eine Farbvielfalt, indem es den Bandspalt des Halbleitermaterials anpasst.

Durch das Mischen verschiedener Materialien können Wissenschaftler jede Farbe zwischen Rot und Grün erreichen, wodurch die Erzeugung verschiedener Farben und weißes Licht durch die Kombination von roten, grünen und blauen LEDs ermöglicht wird.

Schlussfolgerung

LEDs sind vielseitige, energieeffiziente Lichtquellen, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, von einfachen Indikatoren bis hin zu komplexen Beleuchtungssystemen. Das Verständnis der Funktionsweise von LEDs erfordert Kenntnisse in Halbleiterphysik, Schaltungsdesign und Materialwissenschaft, was alle zu den lebendigen und effizienten Beleuchtungslösungen beiträgt, auf die wir heute angewiesen sind.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

1. Wofür steht LED?

LED steht für Light Emitting Diode (Light Emitting Diode). Es handelt sich um ein Halbleiterbauelement, das Licht abgibt, wenn ein elektrischer Strom hindurchfließt.

2. Warum erzeugen LEDs unterschiedliche Farben?

Die Farbe des Lichts, das von einer LED erzeugt wird, hängt von der Wellenlänge der emittierten Photonen ab, die durch das im Bau der LED verwendete Halbleitermaterial bestimmt wird. Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Bandlücken, was zu unterschiedlichen Wellenlängen und Lichtfarben führt.

3. Wie kann ich eine LED davor schützen, durch Hochspannung zerstört zu werden?

Um eine LED vor Hochspannung zu schützen, verwenden Sie einen Widerstand im Stromkreis, um den durch die LED fließenden Strom zu begrenzen. Der Widerstand senkt die Spannung auf ein sicheres Niveau und verhindert so einen übermäßigen Strom, der die LED beschädigen könnte.