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Nov
08

LEDtechnik – Einleitung (1)

Einleitung

In diesem Artikel sollen ein paar Grundlagen zur LEDtechnik vermittelt werden. Bauformen/ Packages, Leistungsklassen, Anwendungszwecke usw. unterscheiden sich ja erheblich, da ist ein Guide durch den Dschungel des aktuellen LEDmarkts vieleicht ganz sinnvoll. Den noch recht neuen und wenig verbreiteten High-Power LEDs soll dabei ein besondere Aufmerksamkeit zu Teil werden. Sie haben als erste Potential eine mögliche Alternative zu herkömmlicher Halogen oder Gasentladungslampen („Sparlampe“, Leuchtstoffröhre) zu eröffnen. Für das Verhältnis Leistung/Watt hat dies schon eine Weile Gültigkeit, die Chance stehen jedoch sehr gut, dass dies bald auch für das Preis / Leistungsverhältnis zutreffend ist. Bei ihrer Verabeitung muss man jedoch ein paar „Kleinigkeiten“ zu beachten, da sie aufgrund ihrer stark gesteigerten maximalen Bestrombarkeit andere Bedürfnisse an Kühlung und Stromversorgung haben.

Auch wenn LEDs die im Moment vielversprechendste Alternative zu den herkömmlichen Lichterzeugern sind, die Konkurrenz schläft nicht und an dieser Stelle finden sich ein paar Infos zu Alternativen zur Alternative.

Grundlagen in aller Kürze

Für die, die sich bisher noch nicht mit dem Thema beschäftigt ersteinmal eine kurze Einführung. LED steht für Light Emitting Diode, oder deutsch: Leuchtdiode und bezeichnet ein elektronisches Halbleiterbauteil. Fließt in Durchlassrichtung ein Strom, emittiert sie Licht mit einer bestimmten Wellenlänge und das nahezu monochromatisch. Die Lichtfarbe / Wellenlänge ist dabei abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial, dies gilt jedoch nicht für weiße LED´s. Bei ihnen handelt es sich um blaue LEDs, deren Licht von einer Phosphorschicht umgewandelt wird (ähnliches gilt für Pastelltöne). Die Flussspannung einer LED (forward voltage) ist ebenfalls stark vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig und kann von 1,3-4V variieren. Wie bei gewöhnlichen Dioden haben LEDs natürlich auch eine Sperrrichtung, die Durchbruchspannung liegt jedoch deutlich niedriger (~5V), ein Verpolen kann so schnell zur Zerstörung des Bauteils führen.

Stromversorgung

Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten eine LED mit Strom zu versorgen ohne das sie sich in ein stinkendes, rauchendes Etwas verwandelt. Entweder man stellt ihr eine konstante Spannung oder konstanten Strom bereit. Ein Blick auf das Spannung- vs. Strom-Diagramm zeigt jedoch, dass letztere Lösung, also konstanter Strom zu bevorzugen ist. Das Verhältnis beider Größen verändert sich nicht linear, sondern exponentiell. Eine geringe Erhöhung der Spannung kann so zu einem deutlich höheren Stromfluss führen, welcher wiederum eine stärkere Erwärmung des Chips hervorruft. Dies ist besonders dann ein Problem, wenn man eine Spannungsquelle verwendet, die nicht stabilisiert ist oder Spannungsspitzen weiterreicht usw. In diesem Fall wird die LED rasch altern oder im worst case direkt gegrillt. Bei Standardleds ist der Verlust unter Umständen nur ärgerlich, bei HP-LEDs wird es sehr schnell teuer. Es empfiehlt sich also gerade bei teuren LEDs eine Konstantstromquelle (KSQ) zu verwenden. Es gibt sie inzwischen in mannigfaltigen Varianten im Zubehörhandel: Step-Up / Step-Down, Niedervolt oder Netzspannung auf der Eingangseite, Linear- oder Schaltregler usw. Wer möchte kann sowas natürlich auch selbst bauen, Pläne gibts genug im Netz. Der einfachste aber etwas ineffiziente Ansatz wird wohl über den LM317 als linearen Stromregler laufen.

Ein kleiner Hinweis noch für die Casemodder unter den Lesern, die PC-Netzteile weisen idr. eine so hohe Qualität auf, dass ein Widerstand als Strombegrenzung völlig ausreichend ist.

Alterung

In den Datenblättern oder Beschreibungen vieler LEDs finden sich oft Angaben über die durchschnittliche Lebensdauer der Bauteile. Die Spannweite reicht dabei von einigen tausend bis zu 100.000h, gemessen bzw. hochgerechnet wird immer mit dem typischen Vorwärtsstrom (zb. 20mA, steht auch im Datenblatt). Wie bereits angesprochen, führt ein höherer Strom automatisch zu einer stärkeren thermischen Belastung des Bauteils und zu einer langsamen degradation des Halbleiters. Wenn die herstellerseitig versprochene Lebensdauer irgendwann abgelaufen ist, geht nicht schlagartig das Licht aus, wie der Begriff Degradation andeutet muss man dies als Prozess und nicht als Ereigniss verstehen. Mit der 1. Betriebssekunde verliert die LED schleichend an Leuchtkraft, nach gängiger Definition ist das Ende der Lebensdauer dann bei 50% der ursprünglichen Leuchtkraft erreicht. Manche Hersteller (CREE z.B.) gehen jedoch von 70% aus, ein Blick ins Datenblatt sollte da Klarheit verschaffen. Grundsätzlich gilt: geringe Ströme und damit thermische Belastungen wirken sich förderlich auf die Lebensdauer aus.

LED-Projekte auf Botchjob:


9 Responses to “LEDtechnik – Einleitung (1)”


  1. Dezember 10, 2008 um 11:32 am

    Hey,

    Du scheinst dich ja echt gut mit LED’s auszukennen, Respekt. Auch sehr lesenswert was du so schreibst🙂

    Ich will mir nun für das Wohnzimmer in meiner Wohnung so Lichtwürfel wie in der Bauanleitung beschrieben selber bauen und mit einfachen Würfeln kombinieren. Jetzt benutzen die in der Anleitung Stablampen mit 35 W, was mir für einen zeitgesteuerten Betrieb (also immer so das die von alleine an- & ausgeschaltet werden wenn es dämmert bzw. zur Nachtruhe) doch etwas viel ist. Meinst du man könnte da alternativ mit einer größeren Anzahl an LED’s arbeiten? Bzw. bringt das eine stark Ausleuchtung die stark genug ist? Von der Lichtverteilung sollte es ja in jedem Fall besser sein…
    Ich hoffe du kannst mir da ein wenig weiterhelfen.

    Jörg

    • 2 rbt
      Dezember 10, 2008 um 12:10 pm

      so mal ganz grundsätzlich gesehen… klar geht das
      würde da mit einer größeren anzahl von spider oder smd leds arbeiten, je nach was du verarbeiten kannst. anzahl der leds musste dir selbst ausrechnen, da gehste dann einfach von den Lumenwerten deiner 35W Lampen aus. die Ausleuchtug sollte dann in jedem Fall besser sein, die stablampen sind ja recht kurz und bauen mit der fassung da auch noch recht hoch.


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