Themen:
- Einführung
- Betrieb einer LED
- Leitungsspannung im Verhältnis zur Farbe der LED
- Kontrollmethoden
- Mehrfarbige LEDs
Einführung:
Eine LED ist eine häufig verwendete Halbleiterkomponente zur Lichtemission. LED steht für: Light Emitting Diode und bedeutet: Leuchtdiode. Nach ihrer Erfindung im Jahr 1962 wurde die LED hauptsächlich als Anzeigeleuchte und zur Signalübertragung eingesetzt. Seit Ende der 90er Jahre ist es durch technologische Entwicklungen möglich geworden, LEDs herzustellen, die als Lichtquelle für den täglichen Gebrauch dienen. In der Automobiltechnik werden LEDs aufgrund folgender Vorteile gegenüber Glühlampen und Halogenlampen häufig als Instrumentenbeleuchtung (Armaturenbrett), Außenbeleuchtung (Rücklichter) oder Hauptbeleuchtung (im Scheinwerfer) eingesetzt:
- Geringer Energieverbrauch: Bei gleicher Lichtintensität im Vergleich zu anderen Lampenarten verbraucht die LED deutlich weniger Energie. Die LED hat einen sehr hohen Wirkungsgrad von bis zu 80 %;
- Sicherheit: Glühlampen benötigen ca. 200 ms, um den Glühfaden aufzuheizen und Licht auszusenden. Eine LED benötigt keine Aufwärmphase, was bedeutet, dass eine LED ihre Lichtintensität schneller erreicht (in weniger als 1 Millisekunde). Beim Einsatz einer LED als Bremslicht wird eine Bremsung früher wahrgenommen und hat einen positiven Einfluss auf die Bremszeit;
- geringe Wärmeentwicklung: Da sich LEDs kaum erwärmen, können Lampengehäuse kleiner gebaut und günstigere Materialien verwendet werden, die weniger resistent gegen thermische Belastung sind;
- Hohe Lebensdauer: Eine LED hält etwa ein ganzes Autoleben. Stellt sich heraus, dass LEDs defekt sind, liegt die Ursache oft woanders, etwa bei einem Bruch im Druckweg oder einer falschen Ansteuerung. Die Helligkeit einer LED kann mit einer bestimmten Anzahl an Brennstunden abnehmen.
Das Bild unten zeigt das Symbol der Diode mit zusätzlichem Text über den Seiten „Anode“ und „Kathode“. Das Symbol einer LED ist nahezu identisch mit dem einer Diode, allerdings wurden zwei nach oben zeigende Pfeile hinzugefügt, die die Lichtausstrahlung anzeigen. Die Stromrichtung erfolgt, genau wie bei der Diode, in Pfeilrichtung. Der vertikale Strich ist die umgekehrte Richtung. Wenn der Strom in Pfeilrichtung durch die LED fließt, leuchtet sie. Umgekehrt wird es blockiert und leuchtet daher nicht.
Betrieb einer LED:
Genau wie eine „normale“ Diode besteht die LED aus zwei Halbleiterschichten:
- die negative Schicht (n-Schicht) enthält einen Überschuss an Elektronen;
- In der positiven Schicht (p-Schicht) mangelt es an Elektronen.
Der Mangel an Elektronen in der p-Schicht kann als Anzahl überschüssiger positiver Löcher angesehen werden. Im pn-Übergang (Verarmungsschicht) füllt der Elektronenüberschuss in der n-Schicht die Lücken in der p-Schicht. Da noch kein Strom fließt, ist die Ladung im NP-Übergang neutral.
Damit Strom durch die Diode fließen kann, muss zunächst die interne Spannung der Verarmungszone überwunden werden. Dies ist die sogenannte Diffusionsspannung oder Schwellenspannung der Diode. Wenn die Spannung erhöht wird, kann der Elektronenstrom von der n-Schicht zur p-Schicht fließen. In der Sperrschicht werden jedoch einige dieser Elektronen von den Löchern eingefangen. Diese Elektronen geben einen Teil ihrer Energie in Form von Lichtblitzen ab. Das erzeugte Licht kann durch die dünne p-Schicht entweichen. Die Lichtintensität wird durch die Strömung bestimmt: Je stärker die Strömung, desto intensiver das Licht.
Der Sprung der Valenzelektronen von der negativen zur positiven Schicht sorgt für das Licht, das die Diode aussendet.
Leiterspannung im Verhältnis zur Farbe der LED:
Eine LED gibt es in drei Farben: Rot, Grün und Blau. Mit diesen drei Grundfarben lassen sich durch Mischen weitere Farben erhalten. Die Zusammensetzung der Materialien in den n- und p-Schichten bestimmt die Energiemenge in den Elektronen und Löchern.
- Niederenergetische Elektronen wandeln weniger Energie in Lichtstrahlung um als ein hochenergetisches Elektron;
- Rotes Licht hat weniger Energie als blaues Licht;
- Rot entsteht durch niederenergetische Elektronen und Blau durch hochenergetische Elektronen.
Weiße LEDs können nicht hergestellt werden. Durch das Hinzufügen einer zusätzlichen fluoreszierenden Schicht zu einer blauen LED wird ein Teil des blauen Lichts in gelbes Licht umgewandelt. Die Mischung aus blauem und gelbem Licht wird vom menschlichen Auge als weißes Licht wahrgenommen. Durch Anpassen des Mischungsverhältnisses zwischen diesem gelben und blauen Licht können Sie warm- oder kaltweißes Licht abstrahlen.
In der Kennlinie sehen wir die Spannung, die sich in der Verarmungszone aufbaut und somit die Leitungsspannung der jeweiligen Farb-LED ist. Wenn Strom durch eine LED geleitet wird, fällt die Spannung nahezu konstant ab.
Kontrollmethoden:
In der Automobiltechnik können wir LEDs mit a Vorwiderstand oder in Reihenschaltung, damit wir die gewünschte Steuerspannung erreichen.
LED mit Vorwiderstand:
Würden wir eine LED direkt an Plus und Minus der Batterie anschließen, würde die LED sofort ausfallen. Es sollte immer einen geben Vorwiderstand in Reihe mit der LED geschaltet werden.
Der Wert des Vorwiderstands wird durch zwei Faktoren bestimmt: den Strom und die Versorgungsspannung. Sobald die Betriebsspannung von 1,5 Volt erreicht ist, leuchtet eine rote LED auf und es fließen ca. 20 mA durch sie.
Die bereitgestellte Versorgungsspannung ist abhängig von der Anwendung. In der Automobilindustrie können das 5, aber auch 12 oder 24 Volt sein. Der erforderliche Widerstand kann mithilfe des Ohmschen Gesetzes ermittelt werden. Subtrahieren Sie die Betriebsspannung von der Versorgungsspannung und teilen Sie sie durch den Strom.
- Bei einer Versorgungsspannung von 5 Volt wird für die rote LED ein Vorwiderstand von (5 - 1,5) / 0,02 = 175 Ohm benötigt.
- bei einer Versorgungsspannung von 12 Volt und einer roten LED: (12 – 1,5) / 0,02 = 525 Ohm (ein um einen Faktor höherer Widerstand).
LEDs mit Vorwiderständen begegnen uns vor allem bei nachgerüsteten LED-Beleuchtungen (Retrofit). Die schnellen Ein- und Ausschaltzeiten und die Helligkeit einer LED können ein Grund sein, Glühlampen durch LEDs zu ersetzen. Aus Energieeffizienzgründen ist dies nicht notwendig, da der Vorwiderstand auch eine Verlustleistung verursacht, die teilweise so groß ist wie die Verlustleistung der Originallampe.
LEDs in Reihe schalten:
Durch die Reihenschaltung der LEDs ist kein Vorwiderstand oder ein Vorwiderstand mit niedrigem Widerstandswert erforderlich. Der Innenwiderstand der LEDs selbst sorgt dafür, dass die Versorgungsspannung in der Reihenschaltung auf die LEDs verteilt wird. Je mehr LEDs in Reihe geschaltet werden, desto kleiner kann der Vorwiderstand ausgelegt werden. In der Abbildung sind sechs LEDs in Reihe geschaltet und zwei Reihen parallel geschaltet.
Die in Reihe geschalteten LEDs finden sich in Rücklichteinheiten oder dritten Bremslichteinheiten. Dies ist eine häufig eingesetzte Regelungsmethode in der Automobiltechnik.
Lichtintensität anpassen:
Mit einem Mikrocontroller können wir die Ansteuerung einer LED mit einem Impuls steuern. Wir nennen das: Pulsweitenmodulation (PWM).
Der Arbeitszyklus bestimmt den Zeitpunkt, zu dem die LED aktiviert wird. Durch den Wechsel der Ein-Aus-Impulse zwischen 3,3 und 0 Volt mit hoher Geschwindigkeit leuchtet die LED mit einer geringeren Helligkeit.
Diese Steuerungsmethode ist bei einer Glühbirne mit mehreren Funktionen dieselbe, wie zum Beispiel:
- 50 % Helligkeit bei eingeschaltetem Licht;
- 100 % helles Licht bei eingeschaltetem Bremslicht.
In einem praktischen Aufbau mit einem Arduino kann man mit der PWM-Ansteuerung der LEDs am Arduino oder extern angeschlossener LEDs (ausgestattet mit Vorwiderständen) experimentieren.
Mehrfarbige LEDs:
Alle Farben können aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zusammengesetzt werden. Dies lässt sich durch die Kombination von zwei oder drei LEDs sinnvoll nutzen. Nachfolgend sind drei Prinzipien dargestellt, die verwendet werden, um über einen Stromkreis mehrere Farben zu erhalten.
Zweifarbige LED:
Das Diagramm zeigt zwei parallel geschaltete LEDs mit Rückwärts- und Vorwärtsrichtung. Die Stromrichtung bestimmt, welche LED leuchtet: grün (oben) oder rot (unten). Die Polarität wird durch einen externen Schaltkreis oder ein Steuergerät umgekehrt.
Dreifarbige LED:
Dieses Diagramm zeigt auch zwei parallel geschaltete LEDs. In der Schaltung kann eine Versorgungsspannung an eine der beiden LEDs (grün oder rot) oder an beide gleichzeitig angelegt werden. In diesem Fall kommt es zu einer Farbmischung und die rote und grüne LED werden gelb.
RGB-LED:
Bei RGB-LEDs sind drei LEDs mit jeweils eigener Farbe in einem Gehäuse untergebracht. Die Farben können separat gesteuert werden. Zur Ansteuerung der RGB-LED sind drei PWM-Ansteuerungen erforderlich, die an jedem Power-Pin ein einstellbares An-/Aus-Verhältnis erzeugen. Neben den verschiedenen Farben lässt sich auch die Lichtintensität anpassen.
Im nächsten Bild sehen wir drei LEDs, jede mit ihrem eigenen Anodenanschluss (A1 bis A3) und einer gemeinsamen Kathode.
