Arbeiten mit LEDs

Dieses Buch steht im Regal Elektrotechnik.

„Arbeiten mit LEDs“ ist nach Einschätzung seiner Autoren zu 70 % fertig

Zusammenfassung des Projekts

Zielgruppe: Elektrotechnik-Einsteiger, Jugendliche die mit Leuchtdioden experimentieren wollen. Der Umgang mit dem Lötkolben sollte bereits bekannt sein. (Oder von einem Lehrer erklärt werden)

Lernziele: Umgang mit verschiedenen LEDs, elektrische Grundlagen und Wissen über die Dimensionierung einer LED-Schaltung vermitteln. Der Leser soll in die Lage versetzt werden, funktionierende LED-Schaltungen mit Kleinspannung (bis 24 Volt) selbständig zu konzeptionieren und zu realisieren.

Buchpatenschaft / Ansprechperson: SvH

Einleitung

Ich schreibe dieses Buch für alle Schüler, Studenten und Lehrer, die einen leichten Einstieg in die Elektrotechnik wollen. Anhand von Leuchtdiodenschaltungen wird erklärt, was ein einfacher Stromkreis ist und wie man sich am Besten die Zusammenhänge von Spannung, Strom und elektrischem Widerstand vorstellen sollte, um ein passendes Denkmodell zu diesem Thema zu bekommen, um anschließend selbst in der Lage zu sein, solch einfache Schaltungen zu planen und praktisch aufbauen zu können.

Das vermittelte Wissen soll die erste Hürde zum Fachgebiet der Elektrotechnik verringern, um es möglichst jedem so einfach wie möglich zu machen, später eine Ausbildung in dieser Richtung einzuschlagen. Dafür ist nur ein wenig Vorstellungsvermögen und ein wenig einfache Mathematik nötig.

Was ist eine LED?

Eine Licht emittierende Diode (engl. Light emitting diode) ist grob gesagt ein Kristall, der zu leuchten anfängt, wenn an ihn eine elektrische Spannung angelegt wird. In der Natur sind solche Kristalle nicht zu finden, sie werden in einem aufwendigen Prozess aus Halbleitermaterial hergestellt.

Metalle leiten den Strom sehr gut. Deshalb sind elektrische Leitungen aus Metall hergestellt. Metalle zählen zu den elektrischen Leitern. Ein Stein leitet keinen elektrischen Strom. Deshalb sind Steine Nichtleiter. Halbleiter sind Nichtleiter, die mit einem technischen Verfahren zu einem elektrischen Leiter umgewandelt werden können. Dann wird aus einem Nichtleiter ein Halbleiter. Das Verfahren nennt man Dotierung.

Bei der Dotierung werden bei sehr hohen Temperaturen über den Nichtleiter gasförmige Atome geleitet. Diese setzen sich dann in dessen Oberfläche fest und bilden mit dem sonst nichtleitenden Material eine leitfähige Schicht.

Die Forschung an Leuchtdioden hat seit 1962 immer leistungsfähigere Halbleiter hervorgebracht. Die ersten Leuchtdioden haben eher schwach geglimmt als geleuchtet und waren sehr empfindlich gegen Überlastung oder falsche Polung beim Anschluss. Heutige Materialien sind um ein vielfaches leuchtkräftiger und weniger anfällig. Heutige Leuchtdioden vertragen eine Rückwärtsspannung von bis zu 9 Volt. Die Rückwärtsspannung bezeichnet die Spannung, die eine LED maximal in Verpolungsrichtung aushält.

Es gibt mittlerweile genügend starke Leuchtdioden, um Glühlampen ("...aus Taschenlampen", stand hier noch 2015, doch nun gilt das allgemein) zu verdrängen. Die Umwandlung von elektrischer Leistung in Lichtenergie ist bei Leuchtdioden viel effizienter als bei Glühlampen und zwischenzeitlich ( ab ca 2012) auch schon doppelt so effizient wie Leuchtstoffröhren (Energiesparlampen). Deshalb halten Batterien bei LED-Lampen viel länger, als bei konventionellen Taschenlampen.

Moderne Leuchtdioden haben einen Wirkungsgrad von 25 Prozent, Glühlampen nur 2 Prozent. Das bedeutet, dass von der elektrischen Energie, die in die LED fließt, 25 Prozent in Licht und 75 Prozent in Wärme umgewandelt werden.

Grüne LED sind aus GaP oder GaN, also einem Gemisch aus Gallium und Phosphor bzw. Gallium und Stickstoff.

Rote LED sind aus AlGaAs oder aus AlInGaP hergestellt, also den Chemikalien Aluminiumgalliumarsenid und Aluminiumindiumgalliumphosphid.

Blaue LED wurden aus SiC (Siliziumcarbid) hergestellt. Die heutigen sind meist aus InGaN (Indiumgalliumnitrid), da dieses Material effektiver als SiC ist. Ultraviolette LEDs werden aus Indiumgalliumnitrid (InGaN) und/oder Galliumnitrid (GaN) (je nach Frequenzbereich) hergestellt.

Weiße LEDs sind blaue LEDs mit einer Phosphorschicht, die als Lumineszens-Konverter wirkt und einen Teil des blauen Lichtes in gelbes Licht verwandelt. Beide Farben gemischt ergeben weißes Licht.

Genug der Theorie! Wir bauen uns eine LED-Beleuchtung

LED-Beleuchtungen können vielfältig eingesetzt werden. Mit drei bis acht LEDs kann ein Nachtlicht gebaut werden, das nur minimal Strom verbraucht und den Weg zur Toilette weist. Als Beleuchtung für makroskopische und mikroskopische Fotografien eignet sich ein Cluster mit weißen oder farbigen LEDs. Als Stimmungslicht in der Zimmerecke, als Außenbeleuchtung für die Hausfassade oder den Garten kommen Hochleistungsleuchtdioden zum Einsatz.

Beispielschaltungen:

Beleuchtung

Ein Nachtlicht - Wenig Licht mit großem Nutzen
LED-Cluster - Viel Licht mit wenig Wärmeabstrahlung

kleine Schaltungen mit Funktion

Polaritätsanzeige - Wo ist Plus und wo ist Minus?
Sendeindikator mit Low-current LED - Überwachung der Abstrahlung von Mobiltelefonen
Fernbedienungstester
Ultraschnelles Blitzlicht mit Hochleistungsleuchtdiode

Mikrocontroller-Schaltungen

RGB - Eine kleine Lichtorgel mit Mikrocontroller
LED-Matrix