Elektronik

Halbleiterdiode

Leuchtdioden (LED) - Einführung

  • Woraus bestehen eigentlich Dioden?
  • Welche besonderen Eigenschaften haben Dioden?
  • Wie funktionieren Leuchtdioden?
  • Warum benutzt man statt Glühbirnen heute Leuchtdioden?

Leuchtdioden (LED) - Einführung

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Leuchtdioden sind Halbleiterdioden, die Licht , Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung aussenden.
  • LEDs müssen in Durchlassrichtung geschaltet werden, damit sie leuchten.
  • LEDs sind effiziente Lichtquellen mit geringem Energiebedarf.
Schaltsymbol LED
Abb.
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Schaltsymbol einer LED

Eigenschaften von Leuchtdioden

Eine Leuchtdiode (kurz LED von englisch light-emitting diode ‚lichtemittierende Diode‘, auch Lumineszenz-Diode) ist ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement, dessen elektrische Eigenschaften einer Diode entsprechen. Fließt durch die Diode elektrischer Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab.

In den ersten drei Jahrzehnten nach ihrer Erfindung 1962 diente die LED hauptsächlich als Leuchtanzeige und zur Signalübertragung. Durch technologische Verbesserungen wurde die Lichtausbeute immer größer. Seit Ende der 1990er Jahre nahm die Anwendung von LED-Leuchtmitteln auch im Alltag ständig zu. Heute nutzen viele moderne Leuchten LEDs. Besondere Vorteile sind der geringe Energiebedarf bzw. der Hohe Wirkungsgrad von LEDs sowie ihre Verfügbarkeit in unterschiedlichen Farben.

2 Funktionsprinzip von Leuchtdioden (LED)

Funktionsweise

Um eine Leuchtdiode zum Leuchten zu bringen, musst du sie in Durchlassrichtung schalten. Durch die Schaltung in Durchlassrichtung und die entsprechende äußere Spannung werden Elektronen bzw. Löcher in die Sperrschicht des p-n-Übergangs getrieben. Hier kommt es zur Rekombination von Elektronen und Löchern. Die dabei freiwerdende Energie wird in Form von Licht von der Diode ausgesandt. Die Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes hängt dabei hauptsächlich vom Halbleitermaterial und der Dotierung ab.

Die Animation in Abb. 2 veranschaulicht die Vorgang, die bei korrekter Schaltung einer LED stattfinden.

Umgekehrtes Prinzip wie bei der Solarzelle

Die hier ablaufenden Vorgänge sind im Prinzip der umgekehrte Effekt dessen, was bei einer Solarzelle passiert. Bei der Solarzelle wird die Energie der Lichtteilchen, die in die Sperrschicht zwischen p- und n-Zone eindringen, dazu verwendet Elektron-Loch-Paare zu bilden.

Beispiele für den Einsatz von LEDs

LEDs werden inzwischen an sehr vielen Stellen im Alltag eingesetzt, z.B. bei Ampelanlagen, Informationstafeln, Straßenbeleuchtung und bei Computerbildschirmen.

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    LED Anzeige an einer Ampel
    LED Anzeige an einer Ampel

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    LED Anzeige von Benzinpreisen
    LED-Anzeige von Benzinpreisen

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    LED Anzeige Fahrgastinfo
    LED-Anzeige als Fahrgastinformation

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    Infrarot-LED an einer Fernbedienung
    Infrarot-LED an einer Fernbedienung

    Vor- und Nachteile von LEDs

    • Die Effizienz der LEDs gegenüber Glüh- oder Halogenlampen ist deutlich höher und wird laufend verbessert.
    • LEDs entwickeln im Vergleich zu Glühlampen kaum Wärme, die abgeführt werden muss.
    • LEDs benötigen wenig Raum und mehrere LEDs könne sehr eng nebeneinander platziert werden.
    • LEDs enthalten im Gegensatz zu "Energiesparlampen" kein Quecksilber.
    • Die Energie, die zum Herstellen von LEDs eingesetzt werden muss, ist noch relativ hoch.
    • LEDs besitzen eine deutlich längere Lebensdauer und einer viel bessere Robustheit als Glühlampen.
    • Zum Betrieb der LEDs benötigt man nur ungefährliche Kleinspannungen (meist \(12\,\rm{V}\)). Allerdings ist daher ein Vorschaltgerät bei Betrieb an 230V~ notwendig.
    • Da LEDs Gleichspannung benötigen, ist bei einfachen Vorschaltgeräten häufig ein Flackern des Lichtes wahrnehmbar - insbesondere bei schnellen Kopfbewegungen.
    • Der "Farbeindruck" von Weißlicht-LEDs ist für manche Menschen gewöhnungsbedürftig (vgl. Leuchtstoffröhren im Wohnbereich).
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