Lumineszenzdiode – LED

Bestimmte Halbleiterdioden wandeln elektrischen Strom in elektromagnetische Strahlungsenergie in Form sichtbaren Lichts, UV- oder IR-Strahlung um. Ihre Arbeitsweise ist somit zu der einer Fotodiode genau umgekehrt. Diese Bauteile sind Licht emittierende Dioden oder LEDs. Sie arbeiten in Durchlassrichtung, wobei die Anode ausreichend positiv in Bezug zur Kathode sein muss. Im Halbleiter rekombinieren Ladungsträgerpaare und geben eine nach den Quantengesetzen der Physik bestimmte Energiedifferenz ab. Dieser Vorgang wird Elektrolumineszenz genannt. Sichtbares Licht wird emittiert, wenn im Halbleiter die Energie der Bandlücke und damit die Differenzenergie im Bereich von 3,2 ... 1,6 eV liegt.

Die ersten im Handel zu erwerbenden roten LEDs gab es 1962 und 10 Jahre später kamen grüne Leuchtdioden dazu. Um 1980 wurden Halbleiterdotierungen entwickelt, die eine orangegelbe Spektralfarbe emittieren. Blaue LEDs mit sehr geringer Effizienz, kleiner Lichtausbeute sind erst seit 1990 bekannt. Die Entwicklung zu heller leuchtenden blauen LEDs war in den Folgejahren erfolgreich. Inzwischen lassen sich alle wichtigen Spektralfarben durch anorganische Lumineszenzdioden in brauchbarer Effizienz abdecken. Parallel hierzu hat sich die Technologie der organischen Lumineszenzdioden, OLEDs verbessert und an Bedeutung gewonnen.

Die Herstellung von LEDs ist komplizierter als die einfacher Dioden. Um definierte Wellenlängen mit hohem Wirkungsgrad zu erhalten, müssen die Schichten lichtdurchlässig und frei von Aufbaustörungen im Kristallgitter sein. Durch unterschiedliche Epitaxiverfahren lässt man dotierte Halbleiterschichten auf einen Halbleiterwaver aufwachsen. Der LED-Chip besitzt eine Sandwichstruktur und wird mit den Metallanschlüssen verbunden zur fertigen LED in Kunststoff eingegossen. Das Gehäuse dient zum Schutz und sorgt als optische Linse für eine bestimmbare Lichtverteilung der sonst fast punktförmigen Lichtquelle.

LEDs sind stromgesteuerte Bauteile. Die optimale Ansteuerung einer LED gewährleistet eine Konstantstromquelle.

LEDs werden in Durchlassrichtung betrieben und haben dort wie jede andere Diode einen steilen Stromanstieg. Anfangs nimmt die Strahlungsintensität proportional mit dem Strom zu. Durch den gleichzeitigen Anstieg der Verlustleistung erwärmt sich die Diode und als Heißleiter nimmt ihre Leitfähigkeit zu. Zu höheren Temperaturen hin nimmt die Strahlungseffizienz stark ab. Ohne einen Strom begrenzenden Vorwiderstand besteht die Gefahr, dass sich die Diode selbst zerstört. Die LEDs im Laborbetrieb und in Anzeigeeinheiten vieler Geräte werden mit 10 ... 20 mA betrieben. Für Beleuchtungszecke werden inzwischen Hochleistungs-LEDs bis zu einigen Ampère Betriebsstrom angeboten. Die folgende Tabelle zeigt einige Daten verschiedener LEDs bei 20 mA Betriebsstrom.

Die Durchlassspannung wird von der Halbleiterbandlücke bestimmt und liegt zwischen 1,5 ... 3,5 V. Dioden kürzerer Wellenlänge haben höhere Schwellspannungswerte. Lumineszenzdioden vertragen keine hohen Sperrspannungen. Infolge ihrer hoch dotierten Halbleiterschichten führen Sperrspannungen oberhalb von 5 V zum Durchbruch und dauerhaftem Defekt. Eine maximale Betriebsspannung von 5 V reicht für normale LEDs aus. Sie eignen sich daher gut als Anzeigeelemente in Digitalschaltungen. Der Betriebsstrom ist mindestens durch einen berechneten Vorwiderstand zu begrenzen.

Mit Gleichspannung betrieben nimmt die Lichtausbeute bezogen auf die Betriebsstundenzahl kontinuierlich ab. Vermutlich wandern die Dotierungselemente im Kristallgitter durch das elektrische Gleichfeld aus und hinterlassen Gitterstörungen. Sie bewirken eine kontinuierliche Abnahme des Flussstroms. Angaben zur Lebensdauer kann man in ausführlichen Datenblättern als verschlüsselten Code finden. Die Angabe setzt sich aus dem aktuellen Lichtstromwert L (Lichtdegradation) in Prozent, dem Lichtstromrückgang B in Prozent und dem Totalausfall C in Prozent zusammen. Der Schlüssel L70B50C10 50000h besagt, dass nach 50000 Betriebsstunden 50 % der LEDs unterhalb der Lichtstromdegradation von 70 % liegt und 10 % aller Dioden ausgefallen sind.

LEDs können sehr gut mit Rechteck oder Impulsspannungen betrieben werden. Das kann die Strahlungsleistung erhöhen und der Effizienzverlust ist bei vergleichbarer Betriebsdauer kleiner. LEDs lassen sich mit einer Pulsweitenmodulation (PWM, PDM) der Betriebsspannung recht einfach dimmen. Bei diesem Verfahren bleibt die Farbtemperatur erhalten und im LED-Modul reagieren alle LEDs gleich. Ein analoges Dimmen durch Absenken des Betriebsstroms ist aufgrund der Exemplarstreuungen innerhalb eines LED-Moduls weniger geeignet, zudem kommt es bei Weißlicht-LEDs zur Farbverschiebung.

LEDs geben schmalbandige nahezu monochromatische Strahlungen von IR- über den sichtbaren bis zum UV-Bereich ab. Trägt man die Wellenlängen lichtstarker LEDs in die CIE-Normfarbtafel ein, so bleibt einzig der Bereich für Gelb offen. Erkennbar ist, dass durch eine geeignete RGB-Diodenkombination der Weißton erzeugt werden kann.

Eine Weißlicht-LED kann durch die Kombination mehrerer Farb-LEDs in einem Chip als Multi-LED hergestellt werden. Eine andere Methode ist der Einsatz von Leuchtstoff mit der Eigenschaft einer Fotolumineszenz. Der Lumineszenzfarbstoff wird von einer blauen Diode angeregt und gibt langwelligeres Licht ab. Sie werden Lumineszenzkonversions-LED oder phosphor-converted-LED, PC-LED genannt. Durch die Kombination verschiedener Lumineszenzfarbstoffe lassen sich damit alle gewünschten Farbwerte mit LEDs verwirklichen. Eine vergleichbare Lichttransformation kommt in Leuchtstofflampen und Energiesparlampen zur Anwendung.

Moderne LED-Typen

Mehrfarbige LED

In den meisten Fällen sind es zweifarbige (bi-color) LEDs, die mit drei oder zwei Elektroden hergestellt werden. Mit zwei Anschlüssen werden sie auch mit zwei gleichfarbig abstrahlenden LEDs hergestellt. Der interne Chip enthält zwei LEDs, im Beispiel mit gemeinsamer Anode und zwei einzelnen Kathoden. In dieser Bauform kann jede Lichtfarbe einzeln oder als Mischfarbe gewählt werden. Bei zwei Elektroden sind intern die LEDs antiparallel geschaltet.

Bi-color LEDs mit zwei Anschlüssen sind gut geeignet zur Anzeige binärer Schaltzustände. Sie könnten unter Beachtung der Betriebswerte auch an Wechselspannung betrieben werden. Mit 50 Hz Netzfrequenz wird unser Auge auch bei statischer Beleuchtung ein geringes Flackern wahrnehmen können.

Resonant Cavity LED – RCLED

Eine einfache LED emittiert das Licht mit einer größeren spektralen Bandbreite und nicht mit der theoretisch zu erwartenden einheitlichen Wellenlänge. In der Resonant Cavity LED befindet sich die photonenaktive Region zwischen Reflektoren. Eine der Halbleiterseiten kann undurchlässig verspiegelt sein und zur Austrittsseite befindet sich ein Bragg-Spiegel. Der aktive Bereich kann auch von zwei unterschiedlichen Bragg-Spiegeln eingeschlossen sein. Ein distributed Bragg reflector (DRB) besteht aus mehreren dünnen Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, beispielsweise Dielektrika aus Aluminium- und Galliumarsenid AlAs / GaAs.

Die in der aktiven Schicht aus GaInAs / GaAs emittierten Photonen werden an den Grenzschichten zum Teil reflektiert. Bei einer Wellenlänge, die nahe dem Vierfachen der optischen Wellenlänge der reflektierenden Schichten liegt, findet eine phasengleiche Überlagerung der elektromagnetischen Wellen statt. Wie in einem Laser werden die Photonen zwischen den Reflektoren mehrfach reflektiert und unterstützen weitere Photonenemissionen. Die spektrale Bandbreite kann sich auf bis zu 10 nm verbessern und die Intensität des ausgesendeten Lichts nimmt zu. RCLEDs arbeiten in einem großen Temperaturbereich zwischen −40 ... 85°C und eignen sich zur Übertragung von Datenraten bis 600 Mbits/s.

LED Module

Für die Beleuchtungstechnik reichen einzelne LEDs nicht aus und werden zu Modulen mit mehreren LEDs und insgesamt größerer Leistung zusammengeschaltet. Kommerziell findet man die DIL-LED Module, wo bedrahtete normale LEDs eine Leuchtfläche bilden. Die Gruppierung je einer R-, G- und B-LED erlaubt bei geeigneter Ansteuerung Beleuchtungsquellen mit dem gesamten Farbspektrum einschließlich Weiß.

Eine hohe Lichteffizienz auf kleinem Raum kann mit SMD-LED-Modulen erreicht werden. Die Kühlung der SMD-Baugruppen ist einfacher und optimaler als bei DIL-LED Matrixmodulen. Sofern keine matte Streuscheibe als Abdeckung vorhanden ist, erkennt man im Betrieb die einzelnen Leuchtpunkte. Beleuchtete Objekte werfen aufgrund der sich überlappenden Abstrahlwinkel Vielfachschatten. Farbart und Farbtemperatur sind durch geeignete Kombination der einzelnen SMD-LEDs möglich. In einer RGB-Matrix angeordnet ist mit einem Steuermodul auch hier das Durchlaufen des kompletten Farbspektrums möglich.

Mit der COB-LED erweitern sich die Möglichkeiten LED-Module zur effektiven Beleuchtung einzusetzen. In der Chip On Board Technik werden viele LED-Halbleiterchips direkt mit Wärmeleitkleber auf einer Platine befestigt und im Bondwire-Verfahren mit Golddraht verbunden. Die interne Schaltung der einzelnen Chips ist seriell oder in Gruppen seriell und parallel ausgeführt. Der gesamte Chip ist durch eine transparente Abdeckung oder Linse hermetisch geschlossen und geschützt. Der Außenanschluss einer COB&-LED ist bipolar. Durch den sehr direkten Wärmekontakt zum Substrat (Platine) verbessert sich die unbedingt notwendige Kühlung im Vergleich zu SMD-Modulen gleicher Leistung. Das Substrat hat eine ausgewiesene Kontaktfläche für einen Temperatursensor, der zum Schutz der COB-LED vom Steuermodul ausgewertet wird. Eine hohe Chipdichte von >50 LED-Chips /mm² auf kleinstem Raum erlaubt viel höhere Lichtleistungen. Möglich sind (Stand 2015) 250 lm/W 20 mA. Bei Multi Chip on Board Modulen, den MCOB-LEDs sind intern COB-LEDs zu größeren Einheiten zusammen geschaltet.

LEDs am Wechselspannungsnetz

Moderne LED-Leuchtmittel verdrängen und ersetzen in der Beleuchtungstechnik die herkömmlichen Glühlampen und Leuchtstofflampen. Da es sich bei der Netzspannung um relativ hohe Wechselspannung handelt, müssen die LEDs mit passenden Steuermodulen betrieben werden. Schaltnetzteile haben eine hohe Effizienz aber den Nachteil, dass sie nicht so langlebig sind wie die LEDs, für mehr als 50000 Betriebsstunden angegeben werden. Sollen zudem LED-Lampen als direkten Ersatz für Glühlampen dienen, muss das Netzteil oder Betriebsgerät klein genug sein, um im Lampensockel Platz zu haben. Zusätzlich muss für eine lange Betriebsdauer eine ausreichende Wärmeabfuhr für die Elektronik und die LEDs vorgesehen sein. Gerade hier begrenzen die Schaltnetzteile mit ihrer Erwärmung die Betriebszeit. Die noch immer verwendeten preisgünstigen Nasselektrolytkondensatoren trocknen zu schnell aus, wodurch dann das separat nicht ersetzbare Steuergerät ausfällt.

Bei allen Elektronikversuchen mit Netzspannung und an geöffneten Geräten an Netzspannung besteht Lebensgefahr. Einen gewissen Schutz bietet der Anschluss des Versuchsaufbaus an einen speziellen Schutztrenntrafo. Einen Mindestschutz erhält man beim Betrieb einer offenen Schaltung an einer separaten Steckdose mit schnellem 10 mA FI-Schalter, RCD-Einrichtung.

Durch die Miniaturisierung von Netzteil und Betriebsgerät ist es möglich die notwendigen Bauteile bereits im Sockel eine LED-Lampe unterzubringen. Ohne zusätzliche Installationsmaßnahmen kann eine bestehende 230V-Raumbeleuchtung beispielsweise durch eine LED-Einbauleuchte ersetzt werden.

Eine ausreichend hohe Anzahl in Reihe geschalteter LEDs könnte auch ohne Betriebsgerät direkt an 230 V angeschlossen werden, wenn für die notwendige Strombegrenzung gesorgt wird. Bei reiner Wechselspannung eignet sich als Vorwiderstand eine RC-Reihenschaltung mit Folienkondensator entsprechender Spannungsfestigkeit. Der Kondensator setzt keine Wirkleistung um und der Widerstand begrenzt den Einschaltstrom beim entladenen Kondensator außerhalb des Nulldurchgangs der Spannung. Mit antiparallelen bi-polaren LEDs in Reihe werden beide Halbwellen der Wechselspannung genutzt. Bei einfachen LEDs ist eine normale Netzdiode antiparallel zur LED-Reihe zu schalten. Sie verhindert das Überschreiten der maximalen Sperrspannung einer LED, die bei rund 5 V liegt.

Wird die Wechselspannung mit einem Brückengleichrichter in B2-Schaltung ohne Ladekondensator gleichgerichtet, reichen einfache LEDs in Reihe aus. Diese Schaltung versorgt die LEDs mit 100 Hz gepulster Gleichspannung und verringert das sichtbare Flackern. Die LED-Reihe benötigt einen ohmschen Vorwiderstand zur Strombegrenzung. Die B2-Schaltung kann auch direkt mit antiparallel geschalteten LED-Reihen erstellt werden.

Wesentlich optimaler arbeiten professionelle Lösungen mit einem speziellen SMD-Steuermodul. Das von der Firma euroLighting GmbH verwendete IC EL01 ist klein, benötigt keine Elektrolytkondensatoren und nur wenige zusätzliche SMD-Widerstände. Die Arbeitsfrequenz wird mittels B2-Gleichrichtung verdoppelt. In einem sehr flexiblen Multichip-Schaltungskonzept steuert jedes IC bei einer maximalen Spannung von 70 V LED-Gruppen unterschiedlicher Spannungen mit Konstantstrom direkt an. Alle LED-Gruppen leuchten gleichzeitig und sind auch insgesamt dimmbar. Spezielle Informationen werden auf der Firmenwebsite in der Rubrik Produkte AC Treiberlose Technik bereitgestellt.

Zusammenhang zwischen Bandlücke und Wellenlänge

Wie anfangs erwähnt muss der LED eine bestimmte Energie zugeführt werden, damit sie im leitenden Zustand Licht in einem engen optischen Spektrum emittieren kann. Die Energie muss so groß sein, dass nach dem Energiebändermodell Elektronen aus dem Valenzband in das energetisch höhere nicht besetzte Leitungsband gelangen. Sie sind für die Stromleitung verantwortlich, wechseln aber nach kurzer Verweildauer ins energetisch tiefer liegende Valenzband zurück. Die Energiedifferenz wird quantisiert abgestrahlt und ist bei einer für unser Auge geeigneten Wellenlänge als sichtbares Licht wahrnehmbar.

Durch unterschiedliche Dotierung erhält die verbotene Zone oder Energielücke ein bestimmtes Energieniveau. Wechselt ein Elektron aus dem Leitungsband in das Valenzband, werden Energiequanten, mit dem Energiewert der Bandlücke, gemessen in Elektronvolt eV abgegeben. Mithilfe einiger Naturkonstanten ist die zugehörige Wellenlänge der Strahlung einfach berechenbar. Dotierungen mit Gallium-Phosphid liefern eine Bandlücke um 2,26 eV und bei Gallium-Nitrid um 3,37 eV. Der folgende Rechenweg gibt Rückschlüsse auf die Lichtfarbe der beiden LEDs.

Wird ein Elektron im elektrischen Feld mit der Potenzialdifferenz 1 V beschleunigt, so hat es danach die Energie 1 eV aufgenommen. 1 eV = 1,602·10⁻¹⁹ VAs = Ws = J

Je mehr Energie aufgewendet werden muss, um Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband zu bringen, desto kurzwelliger ist die elektromagnetische Strahlung, die beim Rücksprung der Elektronen wieder freigesetzt wird. Die hinzugefügte Energie muss in jedem Fall größer sein. Die Differenz zur freigesetzten Strahlungsenergie erwärmt den Halbleiter.