Mittwoch, 24. Juni 2015

LED Grundlagen


Wissenswertes zu Leuchtdioden

Was bedeutet LED:
LED ist die Abkürzung von Light Emitting Diode
Übersetzt: Licht aussendende Diode oder Leuchtdiode.

LEDs haben keinen Glühfaden wie herkömmliche Lampen, sondern basieren auf einer Halbleitertechnologie. Sobald durch die LED in Durchlassrichtung (Die LEDs haben eine Polaritätsrichtung) ein Strom fließt, senden Sie eine Strahlung ab, die in Abhängigkeit des Materials in unserem Auge als farbiges Licht wahrgenommen wird. Die Polarität einer Standard-LED erkennt man an der Länge der Anschlussdrähte. Der Anschlußdraht der Kathode (negativ) ist immer kürzer als der Draht der Anode (positiv). Damit man auch nach dem Kürzen der Drähte die Anschlußbelegung erkennt, besitzt das Gehäuse eine kleine Abflachung an der Seite der Kathode (minus)
5mm Standard-LED
Schaltzeichen



Geschichtliches
Die Lichtemission an anorganischen Stoffen wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt. Die LED wurde jedoch erst mit dem Einzug der Transistoren und der Halbleitertechniken Anfang der 60er Jahre hergestellt. Die Bauformen, die sich bis zu den 90ern am Markt etablierten, waren ausgenommen von einigen Sondertypen, Leuchtdioden mit einem Durchmesser von 5mm und 3mm in geringen Leuchtstärken und einem Wellenbereich von 500nm (grün) bis 760nm Infrarot. Erst mit dem Einzug der blauen LED und einem Wettlauf der Firmen um die Leuchtstärke der LEDs wurde die Entwicklung stark voran getrieben. Mittlerweile sind wir bei den stärksten LEDs bei einer Lichtausbeute von 250 Lumen pro Watt angelangt. Physikalisch kann man bei kaltweißem Licht nur 350 Lumen pro Watt erreichen.

Haltbarkeit
LEDs haben eine sehr lange Haltbarkeit, die von 30.000 bis 100.000 Stunden reichen kann. Problematisch wird jedoch die Lebenszeit der Ansteuerungselektronik sein. Dort müssen elektronische Bauteile wie Elektrolytkondensatoren verbaut werden, die eine geringe Haltbarkeit aufweisen. Je aufwendiger die Vorschaltelektronik ist, desto anfälliger ist das komplette LED-Leuchtmittel. Bei LEDs, die mit einfachem Vorwiderstand betrieben werden (wie in LED Streifen etc.) ist jedoch eine sehr lange Lebenszeit zu erwarten.

Bauformen
Leuchtdioden ersetzen mittlerweile Kleinlampen, Standardlampen und sogar Leuchtstoffröhren. LEDs werden als Hintergrundbeleuchtung von Displays in Fernsehern und Monitoren und im Fahrzeugbau eingesetzt. Es gibt kaum eine Lichtanwendung, in der LEDs keine Rolle spielen. Das komplette Farbspektrum von Infrarot, Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau bis Ultraviolett und Weiß wird bereits abgedeckt. Durch Mischungen der Farben Rot, Grün und Blau (RGB, Lichtkreis) kann man jede Farbe bis hin zu Weiß mit LEDs erzeugen.  

Grunddaten der Leuchtdiode

Farbe oder Wellenlänge in nm (Nanometer) bei Weiß auch die Farbtemperatur in K (Kelvin)
LEDs kann man in den Farben Infrarot (für das Auge nicht sichtbar) Rot, Orange, Gelb, Grün, Türkis, Blau, Pink und Ultraviolett kaufen. Es gibt auch Mischfarben, die mit RGB-LEDs erzeugt werden können. RGB-LEDs bestehen aus 3 Einzelleuchtdioden in Rot, Grün und Blau und werden entweder vom Hersteller beschalten, oder es werden 4 Anschlüsse herausgeführt, an denen man die LEDs selbst beschalten kann.
Weiße LEDs gibt es in einem kalten Weiß (Daylight mit 5500—6000K) oder Warmweiß, das dem herkömmlichen Glühlampenlicht entspricht und eine Farbtemperatur von 2700-3000 K hat.

Vorwärtsspannung  oder Flussspannung in V (Volt)
Je nach Material haben Leuchtdioden unterschiedliche Betriebsspannungen, die man in der Elektronik Vorwärtsspannung nennt. Diese Daten sollte man beim Kauf erfragen. Standard LEDs in Rot, Gelb und Grün werden normalerweise mit 2 Volt Gleichspannung betrieben. Blaue, superhelle grüne und weiße LEDs haben einen Spannungsbereich von ca. 3-4 Volt und sollten normalerweise mit 3,6 Volt versorgt werden.

Strom in A (Ampere) oder mA (Milliampere)
Diese Angabe ist wichtig zur Berechnung des Vorwiderstandes, den man für eine Standardleuchtdiode benötigt. Bei einfachen 5mm LEDs beträgt dieser Strom ca. 20mA. ChipLEDs, die in der Raumbeleuchtung und Taschenlampen Anwendung finden, benötigen Konstantstromquellen mit 350 oder 700mA. Hier sollte man ebenfalls nach den Daten fragen. 

Abstrahlungswinkel in ° (Grad)
LEDs strahlen das Licht durch einen winzig kleinen Halbleiter ab. Diese Lichtquelle wird durch die verschiedenen Kunststoffformen mehr oder weniger breit gerichtet oder fokussiert. Sehr helle LEDs haben oft nur einen geringen Abstrahlungswinkel von 15 oder 20°. Ein komplettes Rundumlicht hätte 360°. Deshalb werden gerne LED-Cluster verwendet. Kleine SMD LEDs werden auf Leiterplatten gelötet und in verschiedenen Winkeln kreisförmig angeordnet, so dass ein Rundumlicht-Effekt entsteht. Dadurch wird eine ähnliche Abstrahlung des Lichts wie bei Glühlampen erreicht.

Lichtstärke cd (Candela), Lichtstrom L (Lumen), Beleuchtungsstärke E (LUX)
Die Lichtstärke einzelner LEDs werden in Candela angegeben. 1 Candela entspricht dem Licht einer Kerze. Die 5mm Standard-LEDs haben mittlerweile Lichtstärken von bis zu 30 cd bei einem Winkel von 20°
Bei Leuchtmitteln wird die Einheit Lumen im Datenblatt angeben. Lumen ist die Einheit, die den Lichtstrom in Berücksichtigung der Helligkeitsempfindlichkeit beim menschlichen Auge darstellt.
Für Arbeitsplatz und Wohnraumbeleuchtungen ist die Beleuchtungsstärke E in Lux am wichtigsten. Diese lässt sich berechnen, indem man den Lichtstrom durch die Fläche teilt. Diese Einheit kann mit einem Luxmeter gemessen werden.

Richtwerte für Beleuchtungsstärken (Auszug aus DIN 5035 Teil 2)
100 Lux Lagerräume, Treppen, Verkehrswege in Gebäuden
200 Lux Lagerräume mit Leseaufgabe, Archive
300 Lux Büroarbeitsplätze ausschließl. in Fensternähe, Versand
500 Lux Datenverarbeitung, Kassenbereiche, Besprechungsräume
750 Lux Technisches Zeichnen
1000 Lux Farbprüfungen, Farbkontrollen, Warenprüfung



0,001 Lux Sternklarer Nachthimmel
0,25 Lux Mondlicht
10 Lux Straßenbeleuchtung
100 Lux Flurbeleuchtung
500 Lux Bürobeleuchtung
1.000 Lux Beleuchtung TV-Studio
10.000 Lux Operationssaal
10.000 Lux Im Schatten im Sommer
20.000 Lux Bedeckter Sommertag
100.000 Lux Heller Sonnentag
0,0001 Lux Bewölkter Nachthimmel ohne Fremdlichter

Reihen- und Parallelschaltung von Standard-Leuchtdioden


LEDs haben, wie bereits berichtet, eine sogenannte Vorwärtsspannung in Volt und einen bestimmten Strombedarf in Ampere. Man kann LEDs in Reihe  (wie man es z.B. von Weihnachtsbeleuchtungen kennt) oder parallel schalten.

Reihenschaltungen haben den Vorteil, dass mehrere Leuchtdioden mit einer höheren Spannung betrieben werden können und ein geringer Stromfluss notwendig ist. Der Nachteil: fällt eine LED aus, leuchtet die ganze Reihe nicht mehr. Der Stromfluss wird durch einen Widerstand begrenzt. Die Spannung muss höher sein, als das Produkt aus der Anzahl der LEDs und der Vorwärtsspannung der LED. Z.B. 3 x 2V = 6V.  Die Betriebsspannung muss demnach über 6V liegen.




Parallelschaltungen benötigen nur eine niedrige Spannung z.B. zwei Batterien 1,5V. Jedoch multipliziert sich die Stromaufnahme mit der Anzahl der LEDs. Das bedingt eine schnellere Entladung der Batterie, eventuell höhere Kabelquerschnitte und stärkere Netzteile. Bei einem Ausfall einer LED leuchten die anderen LEDs weiterhin. Die Betriebsspannung muss hier über der Vorwärtsspannung einer einzelnen LED liegen. Z.B bei 2V LEDs müssen über 2V anliegen. Die Stromaufnahme ist hier jedoch 3 x so hoch wie in der Reihenschaltung.
Die Leistungsaufnahme in Watt ist bei beiden Schaltungen identisch, wenn die Betriebsspannung genau angepasst ist. Leistung ist gleich dem Produkt aus Spannung und Strom.





Berechnung des Vorwiderstandes für folgendes Schaltungsbeispiel:     







Formel
(ohmsches Gesetz)


Beispiel:

Versorgungsspannung Uo = 4,5V aus einer Blockbatterie
Vorwärtsspannung der LED ULED= 3,6V
Benötigter Strom der LED  I=20mA oder 0,02A
R= (4,5V-3,6V) : 0,02A
R=  45 Ohm

Die Verlustleistung des Widerstandes errechnet sich folgendermaßen:

PVerlust = (Uo-ULED) * I
für unser Beispiel
PVerlust= (4,5V-3,6V) * 0,02A
PVerlust = 0,018W

Vorwiderstände für weiße, helle grüne und blaue LED mit 3,6V Vorwärtsspannung und 20mA Stomaufnahme:
bei 3 V Stromversorgung ist kein Widerstand notwendig
bei 5 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 75 Ohm benötigt
bei 6 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 120 Ohm benötigt
bei 9 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 270 Ohm benötigt
bei 12 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 470 Ohm benötigt
bei 19 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 820 Ohm benötigt
bei 24 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 1,1 kOhm benötigt

Vorwiderstände für rote, schwache grüne und gelbe LED mit 2V Vorwärtsspannung und 20mA Stomaufnahme:
bei 3 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 51 Ohm benötigt
bei 5 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 150 Ohm benötigt
bei 6 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 200 Ohm benötigt
bei 9 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 390 Ohm benötigt
bei 12 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 560 Ohm benötigt
bei 19 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 910 Ohm benötigt
bei 24 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 1,2 kOhm benötigt



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