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Was sind eigentlich LED?

Technik und Wirkungsweise von LED Leuchtmitteln
LED ist eine Abkürzung und steht für „Light Emitting Diode“, zu deutsch: Licht aussendende Diode. Wie bei einer (normalen) Diode, die dazu dient, Strom möglichst nur in einer Richtung fließen zu lassen, was beispielsweise beim Gleichrichter zum Einsatz kommt, ist auch die LED ein Halbleiter-Bauelement. Das bei Stromfluss ausgesandte Licht bzw. dessen Wellenlänge ist abhängig von der Wahl des Halbleitermaterials und auch von dessen Dotierung.

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Das Funktionsprinzip
Auch eine Leuchtdiode ist in ihrem Aufbau im Prinzip eine (normale) p-n-Halbleiterdiode. Allein das verwendete Halbleitermaterial ist hier nicht Silicium, Selen oder Germanium, sondern es wird sehr häufig Gallium in drei- und fünfwertiger Form verwendet. Bei Anlegen einer Spannung (richtige Polung in Durchflussrichtung) werden Elektronen aus dem n-dotierten Bereich in Richtung Grenzschicht des p-n-Übergangs getrieben. Angekommen im p-dotierten Bereich füllt es ein so genanntes Elektronenloch auf, was auch als Rekombination bezeichnet wird. Bei diesem Prozess wird in einem so genannten direkten Halbleiter Energie frei in Form einer elektromagnetischen Welle im Frequenzbereich des sichtbaren Lichts. Der Physiker würde sagen, es wird ein Photon abgestrahlt.

Konkret
Für den Bastler soll an dieser Stelle gleich ganz praktisch voraus geschickt werden, dass eine LED sinnvollerweise an Gleichstrom anzuschließen ist und nicht verpolt werden darf. Zur eindeutigen Unterscheidung von Kathode(-) und Anode(+) ist das Anschlussbeinchen der Kathode etwas kürzer. Es gilt also die einfache Merkregel Kathode = kurz ! Der Stromfluss ist unbedingt auf 20 mA zu begrenzen, ansonsten verkürzt sich die Lebensdauer einer LED enorm. Gemäss des Ohm’schen Gesetzes ist die Sannungsversorgung also richtig zu wählen, meistens sind das nur wenige Volt.

SMD-Bauweise
Die meisten LED sind so aufgebaut, dass der Halbleiterkristall am Boden eines kleinen kegelförmigen Metallbechers angelötet ist. Dabei ist die Becherwand auch gleichzeitig ein Reflektor für das Licht, das den Kristall ja in alle Richtungen verlässt. Es ist allerdings so, dass auch LEDs, ähnlich wie Glühbirnen, nur einen Teil der elektrischen Leistung in Licht umsetzen, ein anderer Anteil geht als Wärme verloren, die geschickt abgeführt werden muss. Um den empfindlichen Halbleiterkristall zu schützen, wird als Anschluss meistens ein Stahldraht mit einer etwas geringeren Wärmeleitfähigkeit verwendet, um den (heißen) Moment des Einlötens zu überstehen.

Im Fall von Hochleistungs-Leuchtdioden (H-LED) sind etwas höhere Strömen als 20 mA zugelassen, was aber auch eine noch effektivere Methode der Wärmeabführung erfordert.
Bei „COB-LED“ (chip on board LED) handelt es sich um die Bündelung sehr vieler, verschiedener LEDs wie das z. B. bei LED-Displays erforderlich ist.

Mehrfarbigkeit erreicht man durch den Einbau mehrerer Leuchtdioden innerhalb eines Gehäuses, d.h. sie hängen an einer gemeinsamen Anode oder Kathode, und der zweite Pol wird dann (zeitlich) gezielt für den Farbwechsel angesteuert. Es besteht auch die Möglichkeit, einzelne LEDs entgegengesetzt zu polen, so dass bei einem entsprechend eingestellten Wechselstrom immer gerade jene LED aufleuchtet, die dann gerade richtig gepolt ist.

2 Gedanken zu „Was sind eigentlich LED?“

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