Leuchtdioden: Eine Einführung
Halbleiter, sogenannte Leuchtdioden (LEDs), wandeln elektrische Energie in Lichtenergie um. Das Halbleitermaterial und die Zusammensetzung bestimmen die Farbe des ausgegebenen Lichts, wobei LEDs häufig in drei Wellenlängen eingeteilt werden: Ultraviolett, sichtbar und Infrarot.
Die im Handel erhältlichen LEDs mit einer Einzelelement-Ausgangsleistung von mindestens 5 mW haben einen Wellenlängenbereich von 275 bis 950 nm. Unabhängig vom Hersteller wird für jeden Wellenlängenbereich eine bestimmte Halbleitermaterialfamilie verwendet. In diesem Artikel erhalten Sie einen Überblick über die Funktionsweise von LEDs und einen kurzen Blick auf die Branche. Außerdem werden verschiedene LED-Typen, die geeigneten Wellenlängen, die bei ihrer Konstruktion verwendeten Materialien und einige Verwendungsmöglichkeiten für die jeweiligen Leuchten besprochen.
UV-LEDs (ultraviolette LEDs): 240 bis 360 nm
Insbesondere für die Wasserdesinfektion, medizinische/biomedizinische Anwendungen und die industrielle Härtung werden UV-LEDs eingesetzt. Bei Wellenlängen von nur 280 nm wurden Ausgangsleistungen von mehr als 100 mW erreicht. Galliumnitrid/Aluminiumgalliumnitrid (GaN/AlGaN) mit Wellenlängen von 360 nm oder länger ist das am häufigsten verwendete Material für UV-LEDs. Bei kürzeren Wellenlängen kommen exklusive Materialien zum Einsatz. Kürzere Wellenlängen werden nur von wenigen Anbietern produziert und die Kosten für diese LEDs sind im Vergleich zum restlichen LED-Produktangebot immer noch recht hoch, auch wenn sich der Markt für Wellenlängen von 360 nm und länger aufgrund reduzierter Preise und einer großen Nachfrage stabilisiert liefern.
Grüne LEDs reichen vom nahen UV bis 530 nm
Als Material für die Waren in diesem Wellenlängenbereich kommt Indiumgalliumnitrid (InGaN) zum Einsatz. Während es technisch möglich ist, eine LED mit einer beliebigen Wellenlänge zwischen 395 und 530 nm herzustellen, konzentrieren sich die meisten großen Anbieter auf die Herstellung blauer LEDs (450 bis 475 nm) für die phosphorbasierte weiße Beleuchtung und grüner LEDs im Bereich von 520–530 nm. 530 nm Reichweite für grüne Ampelbeleuchtung. Die meisten Menschen halten die Technologie hinter diesen LEDs für fortschrittlich. In den letzten Jahren haben sich die Verbesserungen der optischen Effizienz verlangsamt oder ganz eingestellt.
LEDs von gelbgrün bis rot: 565 bis 645 nm
Die für diesen Wellenlängenbereich verwendete Halbleitersubstanz ist Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP). Es wird hauptsächlich in den Wellenlängen Ampelgelb (590 nm) und Rot (625 nm) hergestellt. Obwohl sie weniger verbreitet sind, werden in dieser Technologie auch die Farben Limonengrün (oder Gelbgrün 565 nm) und Orange (605 nm) angeboten.
Es ist bemerkenswert, dass der rein grüne (555 nm) Emitter weder bei der InGaN- noch bei der AlInGaP-Technologie vorhanden ist. Es gibt ältere, weniger wirksame Technologien in diesem Bereich des reinen Grüns, aber sie gelten nicht als effizient oder brillant. Dies ist vor allem auf mangelnde Finanzierung für die Entwicklung alternativer Materialtechnologien für diesen Wellenlängenbereich sowie mangelndes kommerzielles Interesse bzw. mangelnde Nachfrage zurückzuführen.
660 bis 900 nm: tiefrot bis nahes Infrarot (IRLEDs)
Der Aufbau von Geräten in diesem Bereich kann viele verschiedene Formen annehmen, sie verwenden jedoch immer Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs) oder Gallium-Arsenid (GaAs)-Elemente. Zu den Anwendungen zählen zahlreiche medizinische Anwendungen (bei 660–680 nm) sowie Infrarot-Fernbedienungen und Nachtsichtlichter.
LED-Betriebstheorie
Es muss eine elektrische Spannung angelegt werden, die ausreicht, damit sich die Elektronen über die Verarmungszone bewegen und sich mit einem Loch auf der anderen Seite zu einem Elektron-Loch-Paar verbinden können, damit LEDs, bei denen es sich um Halbleiterdioden handelt, bei elektrischer Spannung Licht emittieren können Der Strom wird in Vorwärtsrichtung des Geräts angelegt. Dadurch emittiert das Elektron ein Photon und gibt dabei seine Energie in Form von Licht ab.
Die Wellenlänge des emittierten Lichts hängt von der Bandlücke des Halbleiters ab. Materialien mit größerer Bandlücke emittieren kürzere Wellenlängen, da kürzere Wellenlängen mehr Energie haben. Auch in Materialien mit größerer Bandlücke sind für die Leitung höhere Spannungen erforderlich. Während Nah-IR-LEDs eine Durchlassspannung von 1,5 bis 2,0 V haben, haben kurzwellige UV-blaue LEDs eine Durchlassspannung von 3,5 V.
Verfügbarkeits- und Effizienzfaktoren für Wellenlängen
Marktpotenzial, Verbrauchernachfrage und branchenübliche Wellenlängen sind die wichtigsten Faktoren dafür, ob eine bestimmte Wellenlänge kommerziell rentabel ist oder nicht. Dies macht sich am deutlichsten in den Wellenlängenbereichen 420–460 nm, 480–520 nm und 680–800 nm bemerkbar. Es gibt keine Großserienhersteller, die LED-Geräte für diese Wellenlängenbereiche produzieren, da es für sie keine Großserienanwendungen gibt. Dennoch ist es möglich, kleine oder mittlere Anbieter zu finden, die Waren für diese spezifischen Wellenlängen auf maßgeschneiderter Basis anbieten.
Der Wellenlängenbereich, in dem die jeweilige Materialtechnologie am effektivsten ist, liegt nahezu in der Mitte jedes Bereichs. Der Wirkungsgrad nimmt ab, wenn der Dotierungspegel des Halbleiters den idealen Wert erhöht oder unterschreitet. Aus diesem Grund erzeugt eine blaue LED weitaus mehr Licht als eine grüne LED oder eine LED im nahen UV-Bereich, eine bernsteinfarbene LED erzeugt mehr Licht als eine gelbgrüne LED und eine LED im nahen Infrarotbereich erzeugt mehr Licht als 660 nm. Das Entwerfen für die Mitte des Spektrums und nicht für die Ränder ist immer eine bessere Option. Darüber hinaus ist es einfacher, Waren zu erhalten, die nicht die Grenzen der Materialtechnologie überschreiten.
Versorgen von LEDs mit Strom und Spannung
LEDs sind Dioden und müssen im Strommodus betrieben werden, obwohl sie Halbleiter sind und für ihre Funktion eine Mindestspannung benötigen. Bei der Verwendung von LEDs im DC-Modus gibt es zwei Hauptmethoden: Die Verwendung eines strombegrenzenden Widerstands ist die einfachste und beliebteste. Ein Nachteil dieser Technologie ist die erhebliche Wärme- und Leistungsabgabe im Widerstand. Die Versorgungsspannung muss wesentlich höher sein als die Durchlassspannung der LED, damit der Strom bei Temperaturänderungen und von einem Gerät zum anderen konstant bleibt.
Kommerzielle handelsübliche LED-Treiber werden von verschiedenen Anbietern angeboten. Zur Helligkeitssteuerung nutzen sie typischerweise das Prinzip der Pulsweitenmodulation.
Beim Pulsen von LEDs im Hochstrom- und/oder Hochspannungsmodus für in Reihe und parallel geschaltete Arrays treten besondere Probleme auf. Für einen unerfahrenen Designer ist es nicht praktikabel, einen stromgesteuerten Impulsantrieb zu entwickeln, der 5 A und 20 V liefern kann. Einige Unternehmen stellen Spezialwerkzeuge für pulsierende LEDs her.
LEDs in sichtbaren Anwendungen
In Situationen, in denen LEDs direkt betrachtet oder als Leuchtmittel verwendet werden, ist die genaue Farbe wesentlich wichtiger als die genaue Ausgabe in Lumen oder Candela. Das Gehirn passt sich hervorragend an Schwankungen der Lichtintensität an, während das menschliche Auge ihnen vergleichsweise gleichgültig gegenübersteht. Die durchschnittliche Person, die beispielsweise einen LED-Videobildschirm in einem Gebäude betrachtet, wird keine 20-prozentige Verringerung der Intensität bemerken, da Teile des Bildschirms im Vergleich zu dem Teil direkt auf der Achse in einem Winkel von 10 bis 20 Grad außerhalb der Achse betrachtet werden Hierbei handelt es sich um eine allmähliche Veränderung, die nicht wahrgenommen wird, wenn sie sich dem Rand des Blickfelds nähert. Im Gegensatz dazu wird das menschliche Auge eine Farbabweichung bemerken und es als störend empfinden, wenn die LEDs eines Bereichs einen Wellenlängenunterschied von 10 nm zu denen in anderen Bereichen aufweisen.
Die meisten heute verwendeten weißen LEDs werden durch die Beimischung eines längerwelligen sichtbaren Leuchtstoffs in eine blaue LED erzeugt. Die spektrale Ähnlichkeit mit Sonnenlicht wird anhand des Farbwiedergabeindex (CRI) gemessen. Die meisten LEDs, die heutzutage in der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden, haben einen CRI von besser als 80, wobei 100 als gleichwertig mit Sonnenschein angesehen wird. Weiße LEDs werden aufgrund der Weiterentwicklung des CRI und der verbesserten optischen Effizienz zum gefragtesten Produkt für die meisten Beleuchtungsanwendungen.
Vorteile und Einsatzmöglichkeiten von LED
Im Vergleich zu gefiltertem Licht bieten LEDs mehrere Vorteile für monochromatische Anwendungen, da ihre Wellenlängenspektren genauer spezifiziert sind. Die Energieeinsparungen durch den Einsatz einer gefilterten Glühlampe für allgemeine Beleuchtungsanwendungen können potenziell 100-mal höher sein. Davon profitieren Anwendungen wie Verkehrsampeln und Architekturbeleuchtung erheblich. Ein winziges Solarpanel kann anstelle eines großen Generators problemlos tragbare LED-Schilder für Autobahnen mit geringem Stromverbrauch mit Strom versorgen, was ein klarer Vorteil ist.
Im Allgemeinen sind LEDs kostengünstiger, zuverlässiger und werden möglicherweise mit billigerer Elektronik betrieben als Laser. LEDs werden mittlerweile sowohl in den USA als auch in der Europäischen Union separat klassifiziert. Glücklicherweise sind LEDs im Gegensatz zu Lasern und Laserdioden nicht mit denselben Augensicherheitsproblemen oder Warnhinweisen verbunden. Andererseits ist es mit LEDs nicht möglich, optisch dichte, sehr kleine und stark kollimierte Punkte zu erzeugen. Bei Anwendungen, die eine außergewöhnlich hohe Leistungsdichte auf kompaktem Raum erfordern, wird fast immer ein Laser benötigt.
LEDs werden heute in den unterschiedlichsten Branchen und Anwendungen eingesetzt (Tabelle 1). Diese Geräte sind äußerst wirtschaftlich und dank ihrer großen Zuverlässigkeit, hohen Effizienz und geringeren Gesamtsystemkosten im Vergleich zu Lasern und Lampen sowohl für den Verbraucher- als auch für den Industriemarkt attraktiv. Jede einzigartige LED-Technologie und/oder Farbe wurde entwickelt, um den Anforderungen eines bestimmten Verwendungszwecks gerecht zu werden.
