Leuchtdiode - Physik
Leuchtdiode - Physik
Einleitung
Eine Leuchtdiode ist eine Diode, die bei elektrischem Strom Licht aussendet. Die Abkürzung LED stammt vom englischen Begriff Light Emitting Diode. LEDs findest Du zum Beispiel in Anzeigen, Ampeln, Taschenlampen, Bildschirmen und Lampen.
In diesem aiMOOC lernst Du, wie eine LED aufgebaut ist, warum sie nur in einer Richtung leuchtet und weshalb sie meist einen Vorwiderstand benötigt.
Was ist eine LED?
Eine LED ist ein elektronisches Halbleiterbauteil. Wie eine normale Diode besitzt sie zwei Anschlüsse und lässt Strom hauptsächlich in einer Richtung fließen. Im Unterschied zu einer gewöhnlichen Diode wandelt sie einen Teil der elektrischen Energie in Licht um. Dieser Vorgang heißt Elektrolumineszenz.
Die beiden Anschlüsse heißen:
- Anode: Anschluss auf der positiven Seite in Durchlassrichtung
- Kathode: Anschluss auf der negativen Seite in Durchlassrichtung
Bei vielen bedrahteten LEDs ist das längere Bein die Anode. Das kürzere Bein und die abgeflachte Gehäuseseite kennzeichnen häufig die Kathode. Im Zweifel hilft das Datenblatt.
Aufbau und Funktionsweise
Im Inneren der LED treffen ein p-dotierter und ein n-dotierter Halbleiter aufeinander. An diesem p-n-Übergang können Elektronen und Löcher rekombinieren. Dabei wird Energie frei und als Photon ausgesendet.
Die Energie des Photons hängt von der Bandlücke des Halbleitermaterials ab. Vereinfacht gilt:
Dabei ist die Energie, die Frequenz und die Wellenlänge des Lichts. Eine größere Photonenergie bedeutet eine kürzere Wellenlänge.
Durchlassrichtung und Sperrrichtung
Eine LED leuchtet nur, wenn sie richtig gepolt und in Durchlassrichtung betrieben wird. In Sperrrichtung fließt fast kein Strom. Eine zu hohe Sperrspannung kann die LED beschädigen.
Bei einer Gleichspannungsquelle wird die Anode über den Vorwiderstand mit dem Pluspol verbunden. Die Kathode kommt an den Minuspol.
Kennlinie und Durchlassspannung
Die LED ist kein ohmscher Widerstand. Ihre Stromstärke steigt ab einer bestimmten Durchlassspannung stark an. Diese Spannung ist von Farbe, Material und Bauart abhängig. Rote LEDs benötigen meist eine kleinere Durchlassspannung als blaue oder weiße LEDs.
Deshalb darf eine LED normalerweise nicht ohne Strombegrenzung direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen werden.
Der Vorwiderstand
Der Vorwiderstand begrenzt die Stromstärke und schützt die LED. Für eine einfache Reihenschaltung gilt:
Dabei ist die Quellenspannung, die Durchlassspannung der LED und die gewünschte Stromstärke.
Beispiel: Eine Spannungsquelle liefert 5 V. Die LED hat eine Durchlassspannung von 2 V und soll mit 10 mA betrieben werden.
Als verfügbarer Normwert kann zum Beispiel ein Widerstand mit 330 Ω gewählt werden. Beachte immer die Angaben im Datenblatt der LED.
Einfacher Schulversuch
Du benötigst eine Kleinspannungsquelle, eine LED, einen passenden Widerstand, Leitungen und gegebenenfalls ein Steckbrett. Verwende ausschließlich ungefährliche Kleinspannung und niemals Netzspannung.
- Baue LED und Widerstand in Reihe auf.
- Prüfe die Polung der LED.
- Schließe die Spannungsquelle kurz an.
- Vertausche anschließend die LED-Anschlüsse und beobachte den Unterschied.
- Beschreibe, in welcher Richtung die LED leuchtet.
Farben und weißes LED-Licht
Die Lichtfarbe hängt vor allem vom Halbleitermaterial und seiner Bandlücke ab. LEDs können unter anderem infrarotes, rotes, gelbes, grünes, blaues oder ultraviolettes Licht erzeugen.
Weißes Licht entsteht häufig dadurch, dass eine blaue LED einen Leuchtstoff anregt. Der Leuchtstoff gibt zusätzlich Licht mit längeren Wellenlängen ab. Zusammen wirkt das Licht für das Auge weiß. Eine andere Möglichkeit ist die Mischung von rotem, grünem und blauem Licht.
Anwendungen, Vorteile und Grenzen
LEDs werden als Signalleuchten, in Displays, Ampeln, Fahrzeugleuchten und zur Raumbeleuchtung eingesetzt.
Wichtige Vorteile sind ein geringer Energiebedarf, kleine Bauformen, schnelles Schalten und eine lange mögliche Nutzungsdauer. Grenzen entstehen unter anderem durch Wärme, falsche Stromstärke, ungeeignete Kühlung und die notwendige elektronische Ansteuerung.
Merksätze
- Eine LED ist eine lichtaussendende Halbleiterdiode.
- Sie muss richtig gepolt werden.
- Ein Vorwiderstand oder eine andere Stromregelung schützt sie.
- Die Bandlücke bestimmt die Photonenergie und damit die Lichtfarbe.
- Die LED-Kennlinie ist nicht linear.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Wofür steht die Abkürzung LED? (Light Emitting Diode) (!Low Energy Display) (!Linear Electric Device) (!Light Electron Detector)
In welcher Richtung leuchtet eine korrekt angeschlossene LED? (In Durchlassrichtung) (!In Sperrrichtung) (!In beiden Richtungen gleich) (!Nur bei Wechselstrom)
Welches Bauteil schützt eine einfache LED-Schaltung vor zu großer Stromstärke? (Ein Vorwiderstand) (!Ein Lautsprecher) (!Ein Transformator ohne Last) (!Ein Schalter allein)
Was wird bei der Rekombination im LED-Halbleiter ausgesendet? (Ein Photon) (!Ein Proton) (!Ein Neutron) (!Ein Schallquant)
Wie heißt der negative Anschluss einer LED in Durchlassrichtung? (Kathode) (!Anode) (!Basis) (!Kollektor)
Welche Größe bestimmt wesentlich die Farbe des LED-Lichts? (Die Bandlücke des Halbleiters) (!Die Länge des Anschlussdrahts) (!Die Größe des Vorwiderstands allein) (!Die Form der Batterie)
Wie verhält sich eine LED in Sperrrichtung? (Sie blockiert den Strom weitgehend) (!Sie leuchtet immer heller) (!Sie wird zum ohmschen Leiter) (!Sie erzeugt Wechselspannung)
Welche Formel berechnet den Vorwiderstand einer einfachen LED-Reihenschaltung? (Quellenspannung minus Durchlassspannung geteilt durch Stromstärke) (!Quellenspannung mal Durchlassspannung) (!Stromstärke geteilt durch Gesamtspannung) (!Durchlassspannung plus Stromstärke)
Wie kann weißes LED-Licht häufig erzeugt werden? (Durch eine blaue LED mit Leuchtstoff) (!Durch eine rote LED ohne Zusatz) (!Durch einen Drahtwiderstand) (!Durch Sperrbetrieb)
Welche Aussage zur LED-Kennlinie ist richtig? (Die Stromstärke steigt ab der Durchlassspannung stark an) (!Die Kennlinie ist immer eine Gerade durch den Ursprung) (!Die Stromstärke bleibt bei jeder Spannung null) (!Die LED besitzt keinen Spannungsabfall)
Memory
| Anode | Anschluss auf der positiven Seite |
| Kathode | Anschluss auf der negativen Seite |
| Photon | Lichtquant |
| Bandlücke | bestimmt die Lichtfarbe |
| Vorwiderstand | begrenzt die Stromstärke |
| Elektrolumineszenz | Lichterzeugung durch elektrische Anregung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Bedeutung |
|---|---|
| Anode | Anschluss am höheren elektrischen Potential |
| Kathode | Anschluss am niedrigeren elektrischen Potential |
| Vorwiderstand | Schutz durch Strombegrenzung |
| Durchlassrichtung | Betriebsrichtung mit möglichem Leuchten |
| Sperrrichtung | Betriebsrichtung mit weitgehender Stromblockade |
Kreuzworträtsel
| Halbleiter | Aus welcher Stoffklasse besteht der aktive Bereich einer LED? |
| Anode | Wie heißt der positive Anschluss in Durchlassrichtung? |
| Kathode | Wie heißt der negative Anschluss in Durchlassrichtung? |
| Photon | Wie heißt ein Lichtquant? |
| Bandlücke | Welche Energiegröße beeinflusst die Lichtfarbe? |
| Widerstand | Welches Bauteil begrenzt in der Reihenschaltung den Strom? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- LED-Symbol: Zeichne das Schaltzeichen einer LED und beschrifte Anode und Kathode.
- Alltagsbeobachtung: Fotografiere oder skizziere vier Anwendungen von LEDs in Deiner Umgebung und erkläre ihre Funktion.
- Polung: Untersuche mit einer sicheren Kleinspannung, bei welcher Polung eine LED leuchtet, und protokolliere Deine Beobachtung.
- Lernplakat: Gestalte ein Plakat mit den fünf wichtigsten Merksätzen zur Leuchtdiode.
Standard
- LED-Schaltung: Baue eine Reihenschaltung aus Spannungsquelle, Vorwiderstand und LED auf und dokumentiere sie mit Schaltplan und Foto.
- Kennlinie: Miss bei mehreren Spannungen Stromstärke und LED-Spannung und stelle die Messwerte in einem Diagramm dar.
- Farbvergleich: Vergleiche rote, grüne und blaue LEDs hinsichtlich ihrer Durchlassspannung und formuliere eine Erklärung.
- Erklärvideo: Produziere ein kurzes Video, das die Funktion des p-n-Übergangs in einfachen Worten erklärt.
Schwer
- Schaltungsplanung: Plane eine LED-Anzeige für eine 9-V-Quelle und berechne passende Vorwiderstände für zwei LED-Farben.
- Spektralanalyse: Untersuche das Spektrum einer weißen LED mit einem einfachen Spektroskop und erkläre auffällige Bereiche.
- Energievergleich: Vergleiche LED-Lampe und Glühlampe nach Energieumwandlung, Wärmeentwicklung und Einsatzmöglichkeiten.
- Ampelmodell: Entwickle ein funktionsfähiges LED-Ampelmodell mit Schaltplan, Bauteilliste, Sicherheitsprüfung und Präsentation.
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Lernkontrolle
- Fehlersuche: Eine LED leuchtet in einer Schaltung nicht. Entwickle eine sinnvolle Reihenfolge zur Prüfung von Polung, Spannungsquelle, Vorwiderstand und Bauteil.
- Widerstandsberechnung: Berechne für eine vorgegebene Spannungsquelle einen passenden Vorwiderstand und begründe die Wahl des nächsten Normwerts.
- Kennlinienanalyse: Erkläre anhand einer LED-Kennlinie, weshalb eine kleine Spannungserhöhung einen starken Stromanstieg verursachen kann.
- Farbtransfer: Begründe, warum zwei verschiedenfarbige LEDs bei gleicher Stromstärke unterschiedliche Spannungsabfälle besitzen können.
- Anwendungsentscheidung: Entscheide, ob eine LED für eine Fahrradlampe, eine Heizquelle oder einen Lichtsensor geeignet ist, und begründe jede Entscheidung.
- Nachhaltigkeitsbewertung: Bewerte den Einsatz von LEDs unter Berücksichtigung von Energiebedarf, Lebensdauer, Herstellung und Entsorgung.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- das LED-Schaltzeichen erkennst und die Anschlüsse richtig zuordnest,
- Durchlassrichtung und Sperrrichtung erklären kannst,
- den Zusammenhang zwischen p-n-Übergang, Rekombination und Photon beschreibst,
- einen Vorwiderstand mit berechnest,
- eine sichere LED-Schaltung aufbaust und dokumentierst,
- Messwerte oder eine Kennlinie auswertest,
- Anwendungen und Grenzen von LEDs begründet vergleichst.
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