rpi0.tex

\part{Grundlagen}
\chapter{LED - Leuchtdioden}
\label{led:intro}
\minitoc

\section{Was ist ein LED?}
Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um.
Sie funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung Licht erzeugen.
Die Kurzbezeichnung LED ist die Abkürzung für "Light Emitting Diode",
was auf Deutsch "Licht emittierende Diode" bedeutet. \\
Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben, Grössen und Bauformen.
Sie werden als Signal und Lichtgeber in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. \\
Die Leuchtdiode schaltet sehr schnell vom leuchtenden in den nichtleuchtenden Zustand.
Der Lichtstrahl kann bis in den MHz-Bereich getaktet werden. Allerdings ist das für
das menschliche Auge nur als Leuchtbrei sichtbar.
Die Helligkeit der LED ist dann geringer, als es beim eingestellte Stromfluss sein müsste.\\
Mit optimal aufeinander abgestimmten Komponenten können Lebensdauern von 50.000 Stunden und mehr erreicht werden.
Im Vergleich zu normalen Lampen ist das sehr lange.
Die gebräuchlichsten Bauformen haben einen 3 mm oder 5 mm grossen Durchmesser.

\section{Polung}
Wie jede andere Diode ist auch die LED polungsabhängig ( Abbildung \ref{led:polung} ).
Die eine Anschlussseite ist die Anode, die andere Seite die Kathode. \\
Wenn man in die Leuchtdiode hineinschaut, dann ist die dickere Seite die Kathode.
Äusserlich erkennt man die Kathode am kürzeren Anschluss oder an der abgeflachten
Seite des Gehäuserandes an der Unterseite.
\begin{figure}[!htbp]
  \begin{center}
    \includegraphics[width=4cm, height=4cm]{pics/led_polung.png}
  \end{center}
  \caption{Led Polung}
  \label{led:polung}
\end{figure}

\section{Farben und Hableitermaterial}
Die klassischen Farben sind rot, grün, gelb und orange.
Es gibt aber auch noch blau und weiss.
Je nach Farbe besteht der Halbleiterkristall einer Leuchtdiode aus unterschiedlichen Materialien.
Die Farbe des Lichts bzw. die Wellenlänge des Lichts wird vom Halbleiterkristall und von der Dotierung bestimmt.
Der Kristall besteht aus einer n- und einer p-Schicht.
Von daher unterscheidet er sich kaum von einer normalen Halbleiterdiode. \\
LEDs unterscheiden sich nicht nur in ihrer Farbe, sondern auch in ihren elektrischen Eigenschaften.
Teilweise kann man die Farben nicht untereinander tauschen.
Die Durchlassspannung ist unterschiedlich und stark vom Halbleitermaterial abhängig. \\
Rote Leuchtdioden $ ( \lambda = 0.66 \mu m ) $ haben einen besonders guten Wirkungsgrad.
Den höchsten Wirkungsgrad haben Infrarot-Leuchtdioden $ (\lambda = 0.9 bis 0.94 \mu m)$ .  \\
\\
Die LED ist je nach Farbe aus unterschiedlichen Mischkristallen aufgebaut:

\begin{itemize}
\item Galliumarsenid (GaAs)
\item Galliumarsenidphosphid (GaAsP)
\item Galliumphosphid (GaP)
\item Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP) für Rot, Rot-Orange, Amber
\item Indium-Gallium-Nitrogen (InGaN) für Grün, Cyan, Blau, Weiss
\item GalliumNitrid (GaN) für Blau
\end{itemize}

\section{Funktionweise einer LED}
Eine Leuchtdiode besteht aus einem n-leitenden Grundhalbleiter.
Darauf ist eine sehr dünne p-leitende Halbleiterschicht mit grosser Löcherdichte aufgebracht.
Wie bei der normalen Diode wird die Grenzschicht mit freien Ladungsträgern überschwemmt.
Die Elektronen rekombinieren mit den Löchern.
Dabei geben die Elektronen ihre Energie in Form eines Lichtblitzes frei.
Da die p-Schicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen.
Schon bei kleinen Stromstärken ist eine Lichtabstrahlung wahrnehmbar.
Die Lichtstärke wächst proportional mit der Stromstärke.\\
Da von dem Halbleiterkristall nur eine geringe Lichtstrahlung ausgeht,
ist das Metall unter dem Kristall halbkugelförmig.
Dadurch wird das Licht gestreut.
Durch das linsenförmige Gehäuse wird das Licht gebündelt.
So können Leuchtdioden schon mit wenigen Milliampere Strom sehr hell leuchten.

\begin{figure}[!htbp]
  \begin{center}
    \includegraphics[width=4cm, height=4cm]{pics/led_funktion.png}
  \end{center}
  \caption{Led funktionwiese}
  \label{led:funktion}
\end{figure}

\section{Schaltzeichen}

\begin{figure}[!htbp]
  \begin{center}
    \includegraphics[width=4cm, height=2cm]{pics/led_schaltzeichen.png}
  \end{center}
  \caption{Led Schaltzeichen}
  \label{led:schalt}
\end{figure}

\section{Standard-LEDs}
Standard-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 5 mm. Sie sind die häufigsten
verwendeten Leuchtdioden in elektronischen Schaltungen.
Sie beginnen bei 8 bis 12 mA zu leuchten.
Erhöht man den Strom leuchten Sie heller.
Bei 20 mA ist die maximale Leuchtkraft erreicht.
Der Unterschied zu 15 mA ist aber nur minimal.
Meist ist ein Strom von 10 mA schon ausreichend, um sie ausreichend zum Leuchten zu bringen. \\
Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die Durchflussspannung $U_F$.
Die genaue Durchflussspannung $U_F$ und Durchflussstrom $I_F$ gibt nur das Datenblatt
der Leuchtdiode Auskunft (Abbildung \ref{led:leds}). \\
Vorsicht, je nach Hersteller kann es hier Unterschiede geben.

\begin{figure}[!htbp]
  \begin{center}
    \includegraphics[width=4cm, height=4cm]{pics/led_tabelle1.png}
  \end{center}
  \caption{Standard LEDs}
  \label{led:leds}
\end{figure}


\section{Low-Current-LEDs}
Low-Current-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 3 oder 5 mm.
Sie leuchten bereits bei 2 mA mit bis zu 5 mcd.
Erhöht man den Strom leuchten Sie heller.
Bei 20 mA ist die maximale Leuchtkraft erreicht. \\
Low-Current-LEDs haben die Eigenschaft, dass sie bei 2 mA noch leuchten, was Standard-LEDs nicht tun.
Die hören (je nach Hersteller) schon bei 8 bis 10 mA auf zu leuchten. \\
Low-Current bedeutet nicht, dass eine LED bei 2 mA genauso hell leuchtet wie bei 20mA,
sondern dass diese LED bis hinter zu 2 mA betrieben werden kann und zumindest schwach leuchtet. \\
Die folgende Tabelle gibt Auskunft über die Durchflussspannung $U_F$.
Die genaue Durchflussspannung $U_F$ und Durchflussstrom $I_F$ gibt nur das Datenblatt der Leuchtdiode Auskunft.\\
Vorsicht, je nach Hersteller kann es hier Unterschiede geben.
\begin{figure}[!htbp]
  \begin{center}
    \includegraphics[width=4cm, height=3cm]{pics/led_current.png}
  \end{center}
  \caption{Standard LEDs}
  \label{led:leds}
\end{figure}
\section{Übersicht: Leuchtdioden-LEDs}
\begin{figure}[!htbp]
  \begin{center}
    \includegraphics[width=0.5\textwidth]{pics/led_typ.png}
  \end{center}
  \caption{LEDs Typ}
  \label{led:typ}
\end{figure}

\section{Die Leuchtdiode in der Anwendung}
Leuchtdioden reagieren sehr empfindlich auf einen zu grossen Durchlassstrom.
Deshalb darf eine Leuchtdiode niemals direkt an eine Spannung angeschlossen werden. \\
Eine Leuchtdiode muss immer mit einem Vorwiderstand oder einem strombegrenzenden Bauteil beschaltet sein.

\begin{figure}[!htbp]
  \begin{center}
    \includegraphics[width=4cm, height=4cm]{pics/led_u.png}
  \end{center}
  \caption{LED in der Anwendung}
  \label{led:u}
\end{figure}
Mit einem Vorwiderstand wird der Durchlassstrom IF, der durch die Leuchtdiode fliesst, begrenzt.
Bei der Widerstandsbestimmung muss die jeweilige Durchlassspannung UF berücksichtigt werden.

\vspace{1cm}
$R_V =\frac{U_{ges}-U_F}{I_F}$
\vspace{1cm}

Die Formel berechnet den Vorwiderstand $R_V$ über die Gesamtspannung Uges abzüglich der Durchlassspannung
$U_F$ durch den Durchlassstrom $I_F$.
Eine Leuchtdiode brennt schon bei einem Bruchteil des maximalen Durchlassstroms.
Ausserdem müssen Leuchtdioden nicht zwingend mit ihrer vollen Leuchtstärke strahlen.
Meist reichen schon wenige mA aus um eine ausreichende Helligkeit zu erzeugen.

\section{Warum wird ein Vorwiderstand benötigt?}
LEDs müssen immer mit einem Vorwiderstand betrieben werden.
Das gilt auch dann, wenn eine Betriebsspannung zur Verfügung steht,
die der LED-Durchflussspannung entspricht.
Der Vorwiderstand dient zum einen zum Begrenzen der Spannung,
in dem sich die Betriebsspannung zwischen Vorwiderstand und LED aufteilt.
An der LED stellt sich ein fester vorher bekannter Spannungsabfall ein.
Das ist die Durchlassspannung der Leuchtdiode, die allerdings nicht allzu konstant und unter Exemplarstreuung leidet.
Am Vorwiderstand fällt dann noch der Rest der Betriebsspannung ab.
Was aber noch viel wichtiger ist, der Vorwiderstand begrenzt den Strom, der durch die LED fliesst.
Der Grund, warum eine Strombegrenzung notwendig ist, ist schnell erkärt. \\
Eine Leuchtdiode ist kein ohmscher Verbraucher, dessen Widerstand immer gleich ist.
Eine Leuchtdiode ist ein Halbleiter, dessen Widerstand nach Anlegen einer Spannung gegen Null sinkt.
Das bedeutet, der Strom steigt rein theoretisch unendlich an! \\
Das bedeutet, die Leuchtdiode ist ein sehr stromhungriger Halbleiter.
Doch zu viel Strom verträgt die Leuchtdiode nicht. Zu viel Strom zerstört die Leuchtdiode.
Vor der Zerstörung tritt erst ein Temperaturanstieg ein.
Die Leuchtdiode wird wärmer. Bekanntlich leiten warme Halbleiter besser als kalte.
Es folgt also ein weiterer Stromanstieg, der dazu führt, dass die LED heiss und letztendlich zerstört wird.
Dieser Effekt muss nicht zwangsläufig und auch nicht sofort eintreten.
Er ist in gewisserweise davon abhängig, was für eine Spannungsquelle
verwendet wird und wie lange die Leuchtdiode daran betrieben wird.
So mancher unbedarfte Anwender wird also nie mit diesem Problem konfrontiert sein.
Wer nur mal kurz eine Leuchtdiode ohne Vorwiderstand betreibt,
der wird sie dabei nicht gleich zerstören. Es kann auch sein, dass das mehrere Stunden gut geht.