LEDs verdrängen Glühbirnen immer mehr in fast allen Bereichen, in denen ihre Position unerschütterlich schien. Die Wettbewerbsvorteile von Halbleiterelementen waren überzeugend: niedrige Kosten, lange Lebensdauer und vor allem eine höhere Effizienz. Während Lampen einen Wirkungsgrad von weniger als 5 % hatten, geben einige LED-Hersteller an, mindestens 60 % des verbrauchten Stroms in Licht umzuwandeln. Der Wahrheitsgehalt dieser Aussagen bleibt auf dem Gewissen der Vermarkter, aber die rasante Entwicklung der Verbrauchereigenschaften von Halbleiterelementen wird von niemandem bezweifelt.
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Was ist eine LED und wie funktioniert sie?
Eine LED (Licht emittierende Diode, LED) ist eine herkömmliche Halbleiterdiodeaus Kristallen hergestellt:
- Galliumarsenid, Indiumphosphid oder Zinkselenid - für Emitter im optischen Bereich;
- Galliumnitrid - für Geräte im ultravioletten Bereich;
- Bleisulfid - für die im Infrarotbereich emittierenden Elemente.
Diese Materialien wurden ausgewählt, weil der p-n-Übergang der aus ihnen hergestellten Dioden Licht aussendet, wenn eine Gleichspannung angelegt wird. Herkömmliche Silizium- oder Germaniumdioden emittieren kaum oder gar nicht.
Die Emission von LEDs ist nicht auf den Grad der Erwärmung des Halbleiterelements zurückzuführen, sondern auf den Übergang von Elektronen von einem Energieniveau zum anderen bei der Rekombination von Ladungsträgern (Elektronen und Löcher). Das resultierende Licht ist monochromatisch.
Ein Merkmal dieser Strahlung ist ihr sehr enges Spektrum, und es ist schwierig, die gewünschte Farbe mit Lichtfiltern zu isolieren. Und einige Farben (weiß, blau) sind mit diesem Herstellungsprinzip nicht zu erreichen. Daher ist die derzeit vorherrschende Technologie, bei der die äußere Oberfläche der LED mit einem Leuchtstoff bedeckt ist und ihr Leuchten durch die Strahlung des p-n-Übergangs (die sichtbar sein oder im UV-Bereich liegen kann) ausgelöst wird.
Aufbau einer LED
Eine LED wurde ursprünglich wie eine normale Diode konstruiert - ein p-n-Übergang und zwei Stifte. Nur ein Körper aus einer transparenten Verbindung oder aus Metall mit einem transparenten Fenster, um das Leuchten zu beobachten. Aber man hat gelernt, dass zusätzliche Elemente in das Gehäuse des Geräts eingebaut werden. Zum Beispiel, Widerstände - zum Einschalten der LED In der Schaltung der erforderlichen Spannung (12 V, 220 V) ohne externe Schaltung. Oder ein Oszillator mit einem Teiler, um blinkende, leuchtende Elemente zu erzeugen. Außerdem haben sie das Gehäuse mit einem Phosphor beschichtet, der beim Zünden des p-n-Übergangs leuchtet und so die Leistungsfähigkeit der LED erhöht.
Der Trend zum stiftlosen Schalten macht auch vor den LEDs nicht halt. SMD-Bauelemente gewinnen in der Beleuchtungstechnik aufgrund ihrer fertigungstechnischen Vorteile rasch an Marktanteil. SMD-Produkte sind nicht bleifrei. Der P-n-Übergang ist auf einem Keramiksockel montiert, der mit einer Masse gefüllt und mit einem Phosphor beschichtet ist. Die Spannung wird über die Kontaktflächen angelegt.
Derzeit werden Beleuchtungsgeräte mit LEDs auf der Grundlage der COB-Technologie ausgestattet. Das Wesen dieser Technologie besteht darin, dass auf einer Platte mehrere (2-3 bis hunderte) p-n-Übergänge zu einer Matrix zusammengefügt werden. Alles wird in einem einzigen Gehäuse untergebracht (oder es wird ein SMD-Modul gebildet) und mit Phosphor beschichtet. Diese Technologie ist sehr vielversprechend, aber es ist unwahrscheinlich, dass sie andere LED-Designs vollständig verdrängen wird.
Welche Arten von LEDs es gibt und wo sie eingesetzt werden
LEDs mit optischer Reichweite werden als Anzeigeelemente und als Beleuchtungseinrichtungen verwendet. Jedes Fachgebiet hat seine eigenen Anforderungen.
Indikator-LEDs
Die Funktion einer Anzeige-LED besteht darin, den Status eines Geräts anzuzeigen (Stromversorgung, Alarm, Sensoraktivierung usw.). LEDs mit p-n-Übergang werden in diesem Bereich häufig verwendet. Geräte mit einem Leuchtstoff sind nicht verboten, aber es gibt keinen besonderen Punkt. Dabei ist die Leuchtdichte nicht von vorrangiger Bedeutung. Im Vordergrund stehen der Kontrast und der große Betrachtungswinkel. LEDs werden auf Gerätetafeln (true hole), auf Platinen - pin-type und SMD - verwendet.
Beleuchtung LEDs
Im Gegensatz dazu werden Elemente mit einem Leuchtstoff hauptsächlich für die Beleuchtung verwendet. Dies ermöglicht einen ausreichenden Lichtstrom und naturnahe Farben. Die Ausgangs-LEDs aus diesem Bereich werden durch SMD-Elemente praktisch verdrängt. COB-LEDs sind weit verbreitet.
Geräte, die für die Übertragung von Signalen im optischen oder Infrarotbereich ausgelegt sind, können in eine eigene Kategorie eingeordnet werden. Zum Beispiel für Fernbedienungen von Haushaltsgeräten oder Sicherheitseinrichtungen. Und UV-Elemente können für kompakte UV-Quellen (Währungsdetektoren, biologische Materialien usw.) verwendet werden.
Hauptmerkmale von LEDs
Wie jede Diode haben auch LEDs allgemeine, "diodenähnliche" Eigenschaften. Grenzparameter, deren Überschreitung zum Ausfall des Gerätes führt:
- maximal zulässiger Durchlassstrom;
- Maximale Durchlassspannung;
- Maximal zulässige Rückwärtsspannung.
Die anderen Merkmale sind "dioden"-spezifisch.
Farbe der Beleuchtung
Die Farbe des Lichts - dieser Parameter charakterisiert die LEDs im optischen Bereich. In den meisten Fällen sind die Leuchten weiß mit unterschiedlichen Lichttemperatur. Bei Anzeigelampen kann dies jeder der sichtbaren Farbbereiche sein.
Wellenlänge
Dieser Parameter entspricht in gewisser Weise dem vorhergehenden, allerdings mit zwei Vorbehalten:
- IR- und UV-Geräte haben keine sichtbare Farbe, so dass dies für sie das einzige Merkmal ist, das das Emissionsspektrum charakterisiert;
- Dieser Parameter gilt eher für LEDs mit direkter Emission - Elemente mit Phosphor emittieren in einem breiten Band, so dass es unmöglich ist, ihre Lumineszenz eindeutig durch die Wellenlänge zu charakterisieren (welche Wellenlänge kann bei weißer Farbe sein?).
Daher ist die emittierte Wellenlänge eine recht aussagekräftige Zahl.
Stromverbrauch
Der absorbierte Strom ist der Betriebsstrom, bei dem das ausgestrahlte Licht seine optimale Helligkeit erreicht. Wird er geringfügig überschritten, geht das Gerät nicht gleich kaputt - das ist die Differenz zum maximal zulässigen Wert. Eine Absenkung ist ebenfalls unerwünscht - die Strahlungsintensität nimmt ab.
Strom
Der Stromverbrauch ist einfach. Bei Gleichstrom ist sie einfach das Produkt aus der Stromaufnahme und der angelegten Spannung. Für die Hersteller von Beleuchtungsprodukten ist es oft verwirrend, wenn auf der Verpackung in großen Zahlen die äquivalente Leistung einer Glühlampe angegeben wird, die den gleichen Lichtstrom wie die Leuchte hat.
Sichtbarer Raumwinkel
Der scheinbare Raumwinkel wird am einfachsten als Kegel dargestellt, der vom Zentrum der Lichtquelle ausgeht. Dieser Parameter ist gleich dem Öffnungswinkel des Kegels. Im Falle von Anzeige-LEDs bestimmt sie, wie ein Alarm von der Seite gesehen wird. Bei Leuchten bestimmt sie den Lichtstrom.
Maximale Lichtintensität
Die maximale Lichtstärke ist in den technischen Daten des Geräts in Candela angegeben. In der Praxis ist es jedoch bequemer, mit dem Konzept des Lichtstroms zu arbeiten. Der Lichtstrom (in Lumen) ist gleich dem Produkt aus der Lichtstärke (in Candela) und dem scheinbaren Raumwinkel. Zwei LEDs mit der gleichen Lichtintensität geben unter verschiedenen Winkeln unterschiedliches Licht ab. Je größer der Winkel, desto größer der Lichtstrom. Dies ist für die Berechnung von Beleuchtungsanlagen günstiger.
Spannungsabfall
Der Vorwärtsspannungsabfall ist die Spannung, die über der LED abfällt, wenn sie offen ist. Mit ihrer Hilfe kann man die Spannung berechnen, die erforderlich ist, um beispielsweise eine Reihe von Lichtelementen zu öffnen.
So erfahren Sie, für welche Spannung die LED ausgelegt ist
Der einfachste Weg, die Nennspannung einer LED herauszufinden, ist das Nachschlagen in Fachbüchern. Wird jedoch ein nicht gekennzeichnetes Gerät unbekannter Herkunft gefunden, kann es an eine geregelte Stromversorgung angeschlossen und die Spannung von Null an stufenlos erhöht werden. Bei einer bestimmten Spannung leuchtet die LED hell auf. Dies ist die Betriebsspannung der Zelle. Bei diesem Test gibt es einige Nuancen zu beachten:
- der Prüfling darf einen eingebauten Widerstand haben und für eine ausreichend hohe Spannung (bis 220 V) ausgelegt sein - nicht jedes Netzteil hat diesen Regelbereich;
- die Emission der LED kann außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen (UV oder IR) - dann ist der Zeitpunkt der Zündung nicht visuell erkennbar (obwohl das Leuchten des IR-Geräts in einigen Fällen durch eine Smartphone-Kamera gesehen werden kann);
- Beim Anschluss des Elements an eine Gleichspannungsquelle sollte die Polarität genau beachtet werden, da die LED sonst leicht durch Rückspannung zerstört werden kann, was die Leistungsfähigkeit des Geräts übersteigt.
Wenn Sie den Pin des Elements nicht kennen, sollten Sie die Spannung auf 3...3,5V erhöhen. Wenn die LED nicht aufleuchtet, entfernen Sie die Spannung, kehren Sie die Verbindung der Source-Pole um und wiederholen Sie den Vorgang.
Wie man die Polarität der LED herausfindet
Es gibt mehrere Methoden, um die Polarität der Pins zu bestimmen.
- Bei bleifreien Elementen (auch COBs) wird die Polarität der Versorgungsspannung direkt am Gehäuse angezeigt - entweder durch Symbole oder durch die Blinkzeichen auf dem Gehäuse.
- Da die LED einen herkömmlichen p-n-Übergang hat, kann sie mit einem Multimeter im Diodentestmodus geprüft werden. Einige Prüfgeräte verfügen über eine Messspannung, die ausreicht, um die LED zu zünden. Die korrekte Verbindung kann dann durch das Glühen des Elements visuell überprüft werden.
- Einige CCCP-Geräte mit einem Metallgehäuse haben einen Schlüssel (Vorsprung) im Kathodenbereich.
- Die Leitung der Kathode ist länger. Nur nicht gelötete Elemente können durch dieses Merkmal identifiziert werden. Bei gebrauchten LEDs werden die Klemmen für den Einbau beliebig gekürzt und gebogen.
- Schließlich können Sie die Position der Anode und Kathode ist mit der gleichen Methode möglich, mit der auch die Spannung der LED bestimmt wird. Die Lumineszenz ist nur dann möglich, wenn das Element richtig angeschlossen ist - die Kathode an den Minuspol der Quelle und die Anode an den Pluspol.
Die Entwicklung der Technologie steht nicht still. Vor ein paar Jahrzehnten war die LED ein teures Spielzeug für Laborexperimente. Sie ist aus dem Leben nicht mehr wegzudenken. Wie es weitergeht, wird die Zeit zeigen.
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