Das unmögliche Licht - DGZfP
Das unmögliche Licht - DGZfP
Das unmögliche Licht - DGZfP
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
DEUTSCHE<br />
GESELLSCHAFT FÜR<br />
ZERSTÖRUNGSFREIE<br />
PRÜFUNG E.V.<br />
ZfP-Sonderpreis der <strong>DGZfP</strong> beim Landeswettbewerb Jugend forscht<br />
SCHÜEX THÜRINGEN<br />
<strong>Das</strong> <strong>unmögliche</strong> <strong>Licht</strong><br />
- weiße LED`s -<br />
Wie entsteht weißes LED-<br />
<strong>Licht</strong>?<br />
Klemens Eichhorn<br />
Franz Benkert<br />
Schule:<br />
Friedrichgymnasium Altenburg<br />
Geraer Straße 33<br />
04600 Altenburg<br />
Jugend forscht 2012
<strong>Das</strong> <strong>unmögliche</strong> <strong>Licht</strong><br />
weiße LED's<br />
Wie entsteht weißes LED-<strong>Licht</strong> ?<br />
- 1 -
Kurzfassung<br />
Bei unseren letzten Experimenten mit LED's fanden wir heraus, dass die Farbe der LED's bzw. die<br />
Wellenlänge ihres <strong>Licht</strong>es spezifisch für das verwendete Halbleitermaterial ist. Weißes <strong>Licht</strong> ist aber<br />
ein Mischlicht (enthält alle Spektralfarben) – deshalb versuchten wir dieses Jahr zu erforschen , wie<br />
man dann mit LED's überhaupt weißes <strong>Licht</strong> erzeugen kann.<br />
Wir fanden heraus: eine Möglichkeit ist die Kombination von verschiedenfarbigen LED's in einem<br />
Gehäuse, die dann mit gleicher <strong>Licht</strong>stärke leuchten müssten. Dies konnten wir mit einem Versuch<br />
selbst zeigen.<br />
Bei unseren Nachforschungen stießen wir aber auch auf den Begriff „Lumineszenz“. Mit<br />
Messgeräten, einer weißen LED, Widerständen, einer Batterie und einer Steckplatte bewaffnet,<br />
nahmen wir die Kennlinie unserer weißen LED auf. Dabei ergaben die Messungen, dass ihre<br />
Kennlinie fast identisch zu der einer blauen LED ist. Also ist in der weißen LED wahrscheinlich ein<br />
Stoff, der von blauem LED-<strong>Licht</strong> angestrahlt wird und dann weiß leuchtet. Genau diesen Effekt nennt<br />
man Lumineszenz. Unsere Recherchen ergaben, dass bei der Herstellung von weißen LED's fast<br />
immer genau diese Variante verwendet wird.<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
1. <strong>Licht</strong> 3<br />
1.1 sichtbares und nichtsichtbares <strong>Licht</strong> 3<br />
1.2 Was ist weißes <strong>Licht</strong> ? 3<br />
2. Halbleitermaterialien in LED's und deren Wellenlänge 3<br />
3. Zerlegung des <strong>Licht</strong>s in Spektralfarben 4<br />
4 die Fullcolor-LED 6<br />
5. Untersuchungen an einer weißen LED 8<br />
5.1 weiße LED's unter einer Lupe betrachtet 8<br />
5.2 Kennlinie 9<br />
6 Lumineszenz 11<br />
7. Geschichte und Aufbau von weißen LED's 12<br />
8. Zusammenfassung, Anwendung, Ausblick 13<br />
9. Quellen- und Literaturverzeichnis 14<br />
10. Anhang 15<br />
- 2 -<br />
Seite
1. <strong>Licht</strong><br />
<strong>Licht</strong> ist elektromagnetische Strahlung mit Welleneigenschaften. Die Energie liegt dabei in Quanten vor, die<br />
man als Photonen bezeichnet.<br />
1.1 sichtbares und nichtsichtbares <strong>Licht</strong><br />
Ein großer Teil des <strong>Licht</strong>es ist für den Menschen sichtbar. Dieses Spektrum reicht von etwa 380nm bis<br />
780nm. Daran grenzen der infrarote und der ultraviolette Bereich an. Diese sind für das menschliche Auge<br />
nicht sichtbar. <strong>Das</strong> sichtbare Farbspektrum reicht von rot, gelb und grün über blau bis zu violett, wobei rot<br />
langwelligerem <strong>Licht</strong> und violett kurzwelligerem <strong>Licht</strong> entspricht.<br />
Die wahrgenommenen Farben entsprechen <strong>Licht</strong> mit bestimmten spektralen Verteilungen. Wird aus <strong>Licht</strong> mit<br />
gleichmäßiger Spektralverteilung eine bestimmte Wellenlänge absorbiert, dann entsteht aus den restlichen<br />
Spektralfarben der Farbeindruck für den Menschen.<br />
1.2 Was ist weißes <strong>Licht</strong> ?<br />
<strong>Licht</strong> mit gleichmäßiger Spektralverteilung wird von uns als „weiß“ empfunden. Es sind also alle<br />
Spektralfarben mit gleicher Intensität enthalten.<br />
Für uns Menschen entsteht der Farbeindruck „weiß“ immer dann, wenn ein Material das <strong>Licht</strong> so reflektiert,<br />
dass alle drei Zapfen in der Netzhaut des Auges in gleicher Weise und mit ausreichend hoher Intensität<br />
gereizt werden.<br />
Bei Fernsehgeräten und Computermonitoren entsteht weißes <strong>Licht</strong><br />
z.B durch eine additive Mischung gleicher Intensitäten der Farben<br />
Rot, Grün und Blau.<br />
2. Halbleitermaterialien in LED's und deren Wellenlängen<br />
Bild 1: <strong>Licht</strong>mischung<br />
Die Spannungs-Strom-Diagramme von LED's zeigen jeweils einen Kennlinienknick. Die Stelle des<br />
Kennlinienknicks ist spezifisch für die jeweilige LED-Farbe. Dadurch ergibt sich das spezielle<br />
Leuchtverhalten der LED's, nämlich, dass sie in einem ganz kleinen Spannungsbereich leuchten.<br />
Dieser Spannungsbereich ist für jede Farbe kennzeichnend und hängt mit dem Material des<br />
Halbleiterkristalls zusammen:<br />
Farbe (Halbleitermaterial) Spannungsbereich Wellenlänge in nm<br />
Infrarot (GaAs) 1,9 V > 760<br />
Rot (GaAsP) 2,1 V 610 - 760<br />
Orange (GaP) 1,8 V 590 - 610<br />
Grün (GaP) 2,1 V 500 - 570<br />
Gelb (GaP) 2,2 V 570 - 590<br />
Blau (GaN) 2,9 V 450 - 500<br />
Violett (InGaN) 3,2 V 400 - 450<br />
Ultraviolett (AIGaN) 3,8 V 230 - 400<br />
Herkömmliche LED's leuchten also nur in einem sehr engen Bereich des Farbspektrums.<br />
Da Weiß ein Mischlicht ist kann es also keine weißen LED's geben – oder doch?<br />
- 3 -
3. Zerlegung des <strong>Licht</strong>s in Spektralfarben<br />
Unser <strong>Licht</strong> in Natur und Technik besitzt unterschiedliche Wellenlängen. Es lässt sich z.B. mit einem Prisma<br />
in seine einzelnen Bestandteile zerlegen, dies sind die sogenannten Spektralfarben oder auch<br />
umgangssprachlich: die Regenbogenfarben.<br />
Im 17. Jahrhundert hat der Physiker Isaac Newton erstmals in einem Experiment gezeigt, dass weißes<br />
Sonnenlicht mittels eines dreikantigen Prismas in die Farben des Spektrums zerlegt werden kann. Der<br />
<strong>Licht</strong>strahl wird durch ein Prisma in ein farbiges Band zerlegt, das man Spektrum nennt. Dabei entstehen die<br />
Farben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett.<br />
Grund für die Zerlegung ist die unterschiedlich starke Brechung von <strong>Licht</strong> mit verschiedenen Wellenlängen<br />
beim Übergang von einem optischen Material in ein anderes.<br />
Bild 2: <strong>Licht</strong>zerlegung am Prisma<br />
Die Brechung des <strong>Licht</strong>s geschieht innerhalb des Mediums zur Senkrechten hin, beim Austritt in die<br />
entgegengesetzte Richtung. Daraus ergibt sich der Brechungsindex, der von der Wellenlänge abhängig ist,<br />
je kleiner die Wellenlänge ist, desto größer ist der Brechungsindex. Deshalb wird z.B. violettes <strong>Licht</strong> stärker<br />
gebrochen als rotes oder grünes.<br />
Die <strong>Licht</strong>brechung kann man auch in einem Regenbogen beobachten, wenn das Sonnenlicht in den feinen<br />
Wassertröpfchen gebrochen wird. Noch besser kann man das <strong>Licht</strong> zerlegen, indem man es durch einen<br />
feinen Doppelspalt schickt. Die beiden Spalte wirken wie zwei neue <strong>Licht</strong>quellen, und auf einem<br />
Projektionsschirm überlagern sich die verschiedenen Wellengruppen und erzeugen dabei Muster aus<br />
dunklen und hellen Streifen, den Interferenzstreifen. Wenn man die Anzahl der Spalte stark vergrößert,<br />
entstehen besonders schöne Spektren. Auf diese Weise entstehen auch die Farbspektren, wenn <strong>Licht</strong> auf<br />
die Oberfläche einer CD trifft.<br />
Bild 3: Oberfläche einer gepressten CD-ROM Bild 3a: CD-ROM<br />
- 4 -
Spektralfarben des <strong>Licht</strong>s einer Glühlampe, einer weißen LED und einer roten LED<br />
Experiment:<br />
Unseren Überlegungen zufolge lässt sich weißes <strong>Licht</strong> in Spektralfarben zerlegen, also auch weißes<br />
<strong>Licht</strong> einer LED. Dies wollten wir in einem Versuch an einer CD-ROM überprüfen und den Vergleich<br />
zu einer herkömmlichen (roten) LED herstellen.<br />
Bild 4: <strong>Licht</strong>zerlegung an einer CD-ROM (Titelbild)<br />
Aufgabe:<br />
Untersuchung der <strong>Licht</strong>zusammensetzung einer Glühlampe, einer weißen LED und einer roten LED<br />
Geräte und Hilfsmittel:<br />
CD-ROM<br />
Taschenlampe mit Glühlampe<br />
Taschenlampe mit weißer LED<br />
Laserpointer (rote LED)<br />
weißer Zeichenkarton als optischer Schirm<br />
Raumverdunkelung<br />
Fotoapparat<br />
Durchführung:<br />
Wir befestigten den Zeichenkarton an einer frei zugänglichen Wand und verdunkelten anschließend<br />
den Raum.<br />
Wir hielten die CD in einer Hand und leuchteten mit den verschiedenen <strong>Licht</strong>quellen aus<br />
verschiedenen Winkeln so auf die CD, dass sich auf dem Zeichenkarton an der Wand das Spektrum<br />
abzeichnete.<br />
Beobachtung:<br />
Glühlampe weiße LED rote LED<br />
alle Farben des<br />
<strong>Licht</strong>spektrums<br />
erkennbar<br />
alle Farben des<br />
<strong>Licht</strong>spektrums<br />
erkennbar<br />
kein Farbspektrum,<br />
nur ein roter<br />
<strong>Licht</strong>streifen<br />
Auswertung:<br />
Unsere Überlegungen waren richtig, weißes <strong>Licht</strong>, egal ob von Glühlampe oder LED, enthält alle<br />
Farben des <strong>Licht</strong>spektrums, das <strong>Licht</strong> einer herkömmlichen LED nur eine einzige Farbe, da diese<br />
sich aus den verwendeten Halbleitermaterialien ergibt.<br />
- 5 -
4. Die Fullcolor-LED<br />
Unser Experiment hat gezeigt, dass auch eine weiße LED <strong>Licht</strong> aussendet, welches alle Spektralfarben<br />
enthält. Damit stellt sich nun immer noch die Frage: Wie ist dies möglich?<br />
Durch verwendete Halbleitermaterialien ist dies nicht erklärbar. Ein erster Ansatz wäre die Überlegung, dass<br />
im Gehäuse einer LED mehrere verschiedenfarbige LED-Chips untergebracht sind, die mit gleicher<br />
<strong>Licht</strong>stärke leuchten müssten. Unser nächstes Experiment sollte diese Möglichkeit nachweisen.<br />
Experiment:<br />
Mit einer Fullcolor-LED oder auch RGB-LED bzw. Multi-LED versuchten wir durch additive<br />
Überlagerung aus verschiedenen <strong>Licht</strong>farben weißes <strong>Licht</strong> zu erzeugen.<br />
Bild 5: Versuch mit einer Fullcolor-LED<br />
Aufgabe:<br />
Erzeugung von weißen LED <strong>Licht</strong> durch additive Überlagerung von rotem, blauem und grünem<br />
LED-<strong>Licht</strong>.<br />
Geräte und Hilfsmittel:<br />
Kingbright Fullcolor RGB Lamp<br />
3 Widerstände (470 Ohm)<br />
3 Potentiometer (100 kOhm)<br />
Steckplatine<br />
9V Blockbatterie<br />
Batterieclip mit Drähten<br />
Durchführung:<br />
Entsprechend der nachfolgenden Berechnungen verwendeten wir für jeden LED-Chip einen<br />
Vorwiderstand von 470 Ohm, damit die LED nicht durch zu großen Strom zerstört wird. In Reihe zu<br />
den drei Vorwiderständen schalteten wir jeweils ein Potentiometer (regelbarer Widerstand) um die<br />
Stromstärke und damit die Leuchtkraft der einzelnen LED-Chips regulieren zu können.<br />
Mit Hilfe der Potentiometer konnten wir die Intensität der drei Farben Rot, Grün und Blau einstellen.<br />
- 6 -
Berechnung der minimalen Vorwiderstände:<br />
Bild 6: Schaltbild für je eine Farbe<br />
geg: Spannungsquelle 9 V<br />
maximal zulässiger Strom der LED = 20 mA (Herstellerangabe)<br />
LED Flussspannung (bei max. 20 mA) = 2,0 V (aus Kingbright Herstellerdiagramm)<br />
ges: R<br />
Lsg: R = U / I<br />
R = ( USpannungsquelle – ULED ) / I<br />
R = ( 9 V – 2,0 V ) / 20 mA<br />
R = 7 V / 0,02 A<br />
R = 350 Ohm<br />
Antw.: Es ist ein Vorwiderstand von größer oder gleich 350 Ohm zu verwenden. Deshalb<br />
verwendeten wir jeweils 470 Ohm – Widerstände.<br />
Beobachtung:<br />
Durch nacheinander einzelnes Hochregeln lassen sich mit der Fullcolor-LED die einzelnen Farben<br />
Rot, Blau und Grün zeigen. Durch gleichzeitiges Leuchten der drei LED-Chips lässt sich mit etwas<br />
Fingerspitzengefühl ( die müssen wirklich spitz sein ) <strong>Licht</strong> gleicher Intensität erzeugen, so dass es<br />
für den Betrachter weiß aussieht. Bei näherer Betrachtung mit einer Lupe erkennt man jedoch noch<br />
die drei einzelnen Farben. Durch weiteres Verstellen der Potentiometer lassen sich alle weiteren<br />
denkbaren Farbkombinationen einstellen.<br />
Auswertung:<br />
Mit einer Fullcolor-LED lässt sich weißes <strong>Licht</strong> erzeugen.<br />
Die additive Farbmischung von Rot, Grün und Blau (RGB) oder nur Blau und Gelb kann neben allen<br />
anderen Mischfarben auch weißes <strong>Licht</strong> erzeugen. In der Fullcolor-LED werden drei verschiedene<br />
LED-Chips in einem Gehäuse kombiniert. Sie werden z.B bei hochauflösenden LED-Video-Displays<br />
oder zur Displayhintergrundbeleuchtung verwendet.<br />
Um die einzelnen Chips einzeln regeln zu können, müssen aus dem Gehäuse der LED jedoch<br />
mindestens vier Anschlussdrähte herausgeführt werden (ein gemeinsamer und je Chip ein weiterer)<br />
Aber unsere normalen weißen LED's besitzen nur 2 Anschlussdrähte...<br />
Es muss also noch eine andere Möglichkeit geben, weißes LED <strong>Licht</strong> zu erzeugen.<br />
Bild 7: Fullcolor LED Bild 7a: Farbspektrum<br />
- 7 -
5. Untersuchungen an einer weißen LED<br />
Da eine handelsübliche weiße LED nur eine Anode und eine Kathode hat, also nur zwei Anschlussdrähte,<br />
versuchten wir nun in das Innere der LED zu schauen. Es wäre doch immerhin noch möglich, dass in der<br />
LED drei Chips untergebracht sind, und dazu auch die notwendigen Vorwiderstände. Dies müsste man dann<br />
bei einem klaren Gehäuse sehen können.<br />
Wenn die Vorwiderstände mit im Gehäuse untergebracht sind, und wir von der LED ein Spannungs-<br />
Stromdiagramm aufzeichnen, so dürfte man keinen eindeutigen Kennlinienknick sehen.<br />
5.1 Weiße LED's unter einer Lupe betrachtet:<br />
Bild 8: unsere getesteten weißen LED's<br />
Bild 9: Fullcolor LED Bild 9a: 3-Chip-LED Bild 9b: 1-Chip-LED<br />
Ergebnis:<br />
Unter einer Lupe ist bei der Fullcolor-LED deutlich zu sehen, dass auf dem Träger drei einzelne<br />
Halbleiterkristalle platziert sind.<br />
Überrascht hat uns das Bild der weißen LED's. Wir haben eine weiße LED gefunden, bei der drei<br />
Chips zu sehen waren, alle anderen untersuchten weißen LED's haben nur einen Chip.<br />
Aus diesem Grund versuchten wir nun die Kennlinie einer weißen 1-Chip-LED aufzunehmen, um<br />
vielleicht daran ihren Aufbau ableiten zu können.<br />
- 8 -
5.2 Kennlinie einer weißen LED<br />
Bild 10: Messung von Spannung und Strom an einer weißen LED<br />
Aufgabe:<br />
Untersuche an einer weißen LED den Zusammenhang von Spannung und Strom.<br />
Geräte und Hilfsmittel:<br />
weiße LED<br />
Messgeräte für Spannung und Strom (Voltcraft VC-11)<br />
Widerstand (470 Ohm)<br />
Potentiometer<br />
Steckplatine<br />
9V Blockbatterie<br />
Batterieclip mit Drähten<br />
- 9 -<br />
Bild 11: unsere Multimeter
Durchführung:<br />
Durch Verstellen der Potentiometer (wir verwendeten ein größeres und ein kleineres in<br />
Reihenschaltung, um feiner einstellen zu können) erhöhten wir die Spannung, beginnend bei 1,7 V,<br />
in 0,1 V – Schritten. Auf dem zweiten Messgerät lasen wir die dazugehörigen Stromwerte ab. Wir<br />
erfassten alle Messwerte in unserer bereits bestehenden Tabelle anderer LED–Kennlinien.<br />
Bild 12: Schaltbild für die Strom- und Spannungsmessung<br />
Beobachtung:<br />
Ab einer bestimmten Spannung begann die LED zu leuchten. Unterhalb dieser Spannung konnten<br />
wir am Strommessgerät keinen Strom feststellen, aber bei Erhöhung der Spannung stieg die<br />
Stromstärke stark an. Im Diagrammen ist dies als Knick in der Kurve zu sehen. Dieser Knick ist dafür<br />
verantwortlich, dass die LED sehr plötzlich ihre Helligkeit erhöht.<br />
Auswertung:<br />
Der Zusammenhang von Spannung und Strom an der weißen LED ist nichtlinear, er hat einen<br />
starken Knick. Eine Änderung des Leuchtverhaltens der LED ist nur im Bereich dieses Knicks gut zu<br />
sehen. Die LED leuchtet bei geringerer Spannung nicht, bei höherer Spannung steigt der Strom<br />
schnell über den höchstzulässigen Strom der LED, (Achtung: Herstellerangabe) und zerstört diese.<br />
(Auch dieses Jahr ist unseren Tests wieder eine zum Opfer gefallen)<br />
Ein Vergleich mit den Kennlinien verschiedener farbiger LED's zeigte ein für uns verblüffendes<br />
Ergebnis: die Kennlinie der weißen LED ist fast identisch zu der Kennlinie einer blauen LED.<br />
Daher liegt die Vermutung nahe, dass die weiße LED eigentlich eine blaue LED ist, deren <strong>Licht</strong><br />
durch einen zusätzlich im Gehäuse untergebrachten Stoff so verändert wird, dass die LED weiß<br />
leuchtet. (Kennlinien und Diagramm im Anhang)<br />
Fehlerbetrachtungen<br />
1. Messtoleranz der Messgeräte<br />
2. Fertigungstoleranzen der Leuchtdioden<br />
3. Innenwiderstand der Messgräte, dadurch Veränderungen von Stromstärke und Spannung, weil<br />
beim Spannung messen immer auch durch das Voltmeter ein geringer Strom fließt, und beim<br />
Strom messen das Amperemeter einen zusätzlichen Widerstand in Reihe darstellt<br />
4. Übergangswiderstände an Steckverbindungen und Klemmen durch unsaubere Kontaktstellen<br />
5. Umgebungslicht beeinflusst die Werte der LED<br />
- 10 -
6. Lumineszenz<br />
Um unsere Vermutung zu überprüfen, haben wir in einem abgedunkelten Raum ein mit Lecksuchmittel<br />
getränktes Wattestäbchen mit einer blauen LED angeleuchtet. Dabei konnten wir einen wunderschönen<br />
Lumineszenzeffekt beobachten (der in Wirklichkeit viel heller war als auf dem folgenden Bild zu sehen ist).<br />
Bild 13: Fluoreszenz mit Lecksuchmittel<br />
Lumineszenz ist das Aussenden von <strong>Licht</strong> durch einen Stoff, der dazu angeregt wurde durch z.B:<br />
- Strom (Elektrolumineszenz)<br />
- chemische Reaktionen (Chemolumineszenz)<br />
- chemische Reaktionen in Organismen (Biolumineszenz)<br />
- Wärme (Thermolumineszenz)<br />
- Photonen (Photolumineszenz)<br />
Bei der Photolumineszenz unterscheidet man je nach Zeitdauer zwischen Anregung und Emission des<br />
<strong>Licht</strong>es in Phosphoreszenz und Fluoreszenz.<br />
Phosphoreszenz<br />
Im Gegensatz zur Fluoreszenz kommt es bei der Phosphoreszenz nach dem Ende der Bestrahlung zu<br />
einem Nachleuchten. Dieses Nachleuchten kann zwischen Sekundenbruchteilen und mehreren Stunden<br />
dauern. Ein Beispiel dafür sind die Leuchtzahlen auf manchen Uhren.<br />
Eine „Phosphoreszenz“ wurde erstmals als lang andauerndes Nachleuchten bei dem chemischen Element<br />
Phosphor (<strong>Licht</strong>träger) in seiner weißen (hochreaktiven) Modifikation beobachtet. Da dieses Nachleuchten<br />
auf der chemischen Reaktion von Luftsauerstoff mit Phosphor beruht, handelt es sich hier genaugenommen<br />
um eine Chemolumineszenz.<br />
Fluoreszenz<br />
Fluoreszenz ist die kurzzeitige, spontane Emission von <strong>Licht</strong> beim Übergang eines elektrisch angeregten<br />
Stoffes in einen Zustand niedrigerer Energie, wobei das ausgesendete <strong>Licht</strong> energieärmer ist, als das vorher<br />
absorbierte. Fluoreszenz endet nach der Bestrahlung meist innerhalb einer Millionstel Sekunde.<br />
- 11 -
Wir haben nun die weiße LED mit einer blauen LED angeleuchtet. Wie auf den Bildern zu sehen ist,<br />
leuchtete dadurch die weiße LED, obwohl sie nicht mit dem Stromkreis verbunden war.<br />
Bild 13: weiße LED angeleuchtet Bild 13a<br />
Bei einfachen weißen LED's wird also ein Fluoreszenzeffekt ausgenutzt.<br />
7. Geschichte und Aufbau von weißen LED's<br />
Der japanische Hersteller „Nichia“ entwickelte als erster 1995 die Weißlicht-LED und stellt sie seit 1997 her.<br />
Zeitgleich hat das Fraunhofer Institut in Zusammenarbeit mit der Firma „Osram“ den Fertigungsprozess für<br />
weiße LED's entwickelt. Die Produktion wurde 1998 begonnen. Seitdem haben alle anderen Hersteller von<br />
LED's nach und nach weiße LED's in ihr Programm aufgenommen.<br />
Um mit einer LED weißes <strong>Licht</strong> zu erzeugen, wird eine blaue LED verwendet, über deren Halbleiterkristall<br />
ein fluoreszierender Stoff aufgebracht ist, der blaues <strong>Licht</strong> zu einem großen Teil in weißes <strong>Licht</strong> umwandelt.<br />
Dieser Stoff wird dabei von dem blauen <strong>Licht</strong> angeregt und sendet dann weißes <strong>Licht</strong> aus. Blaues <strong>Licht</strong> wird<br />
dabei deshalb verwendet, weil es kurzwelliger als die anderen <strong>Licht</strong>farben ist und damit energiereicher. Aus<br />
diesem Grunde kann man auch weiße LED's finden, deren Kennlinien weniger mit der einer blauen LED,<br />
sondern mehr mit der Kennlinie einer UV-LED übereinstimmt. Auch diese Variante ist möglich, der<br />
fluoreszierende Stoff wird dabei von dem noch kurzwelligerem UV-<strong>Licht</strong> angeregt.<br />
Bild 14: Aufbau einer weißen LED<br />
- 12 -
8. Zusammenfassung, Anwendung, Ausblick<br />
Weißes LED–<strong>Licht</strong> ist also nicht unmöglich, es gibt aber keinen Halbleiterkristall, welcher weißes<br />
<strong>Licht</strong> aussendet. <strong>Das</strong> liegt daran, dass weißes <strong>Licht</strong> ein Mischlicht ist, das aus mehreren Farben<br />
zusammengesetzt werden muss. Deshalb gibt es LED's, bei denen mehrere verschiedenfarbig<br />
leuchtende Halbleiterkristalle in einem Gehäuse untergebracht sind und andere, in denen ein<br />
Fluoreszenzfarbstoff zum Leuchten angeregt wird.<br />
In vielen Anwendungen haben weiße LED's Vorteile gegenüber herkömmlichen Leuchtmitteln:<br />
• keine UV- und IR-Strahlung / kein „Ausbleichen“, keine Erwärmung der angestrahlten Objekte<br />
Vitrinenbeleuchtung, Bilderleuchten, Medizinische Leuchten<br />
• Farbmischung<br />
Stimmungsleuchten, Gastronomie<br />
• unempfindlich gegenüber Erschütterung<br />
Automobile, Fahrradleuchten, Arbeitsleuchten<br />
• geringe Wärmeentwicklung<br />
Möbelleuchten, Displays<br />
• hohe Lebensdauer<br />
Not- und Hinweisleuchten<br />
• kleine Spannungen<br />
Automobile<br />
• kleinste Abmaße und Bauformen<br />
• kein Flackern<br />
• hoher Wirkungsgrad, dadurch geringer Energieverbrauch<br />
Die LED-Technik ist eine der jüngsten Technologien zur Erzeugung von <strong>Licht</strong> und hat noch enormes<br />
Verbesserungspotenzial. So verdoppelt sich fast aller zwei Jahre die erreichte Ausgangsleistung.<br />
Durch den Einsatz von LED's anstelle von herkömmlichen Leuchtkörpern lassen sich aufgrund der<br />
hohen Effizienz große Energiemengen einsparen (gegenüber Glühbirnen bis zu 90%), die Umwelt<br />
schonen und geringere Energiekosten erzielen.<br />
Die besonders geringe Wärmeentwicklung ist in vielen Anwendungsfällen ein großer Vorteil<br />
gegenüber anderen Leuchtmitteln.<br />
Außerdem lassen sich weiße LED's im Niederspannungsbereich einsetzen. (Stromsparlampen und<br />
Leuchtstoffröhren sind deshalb z.B. im Kfz-Bereich ungeeignet)<br />
Aus diesen Gründen wird die weiße LED in der Zukunft eine wichtige Rolle als Leuchtmittel spielen.<br />
- 13 -
Quellen- und Literaturverzeichnis<br />
1. Kainka, Burkhard: Lernpaket LEDs: Alles was leuchtet und blinkt!, Franzis Verlag Poing, 2005<br />
2. Kainka, Burkhard: Schnellstart LEDs: Leuchtdioden in der Praxis, Franzis Verlag Poing, 2005<br />
3. Hanus, Bo: Experimente mit superhellen Leuchtdioden, Franzis Verlag Poing, 2004<br />
4. Huderz, Karl: Die Effizienz von weißen LEDs, GRIN Verlag, 2011<br />
5. Kainka, Burkhard: Conrad Adventskalender, Poing 2011<br />
6. http://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode, 4.12.2010, Wikipedia, Leuchtdiode<br />
7. www.ledshift.de, 18.12.2010, Markus Kottas, Heldenberg Ltd.<br />
8. Benda, Dietmar: Basiswissen Elektronik, Berlin 1992<br />
9. Bredthauer, Wilhelm: Impulse Physik 1, Stuttgart 1995<br />
10. Conrad: Hauptkatalog 2011, Hirschau 2010<br />
11. Krato, Herrmann: Aufgaben Elektrotechnik Grundstufe, Stuttgart 1991<br />
12. Reber, Friedrich: Elektro espresso! , Poing 2004<br />
13. Reichelt: Lieferprogramm 2011, Sande 2010<br />
14. Selbst ist der Mann: Elektro Installationen rund ums <strong>Licht</strong>, Hamburg 2009<br />
- 14 -
Anhang<br />
Tabelle 1: alle Messwerte der Strom- und Spannungsmessungen<br />
Strom in mA<br />
Spannung in V Strom in mA<br />
Grün Rot Orange Gelb Blau UV Weiß<br />
0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
0,20 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
0,30 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
0,40 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
0,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
0,60 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
0,70 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
0,80 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
0,90 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
1,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
1,20 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00<br />
1,30 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00<br />
1,40 0,00 0,00 0,00 0,04 0,00 0,00 0,00<br />
1,50 0,00 0,00 0,00 0,05 0,00 0,00 0,00<br />
1,60 0,00 0,03 0,00 0,07 0,00 0,00 0,00<br />
1,70 0,03 0,15 0,03 0,10 0,00 0,00 0,00<br />
1,80 0,25 1,62 0,64 0,30 0,00 0,00 0,00<br />
1,90 1,19 8,56 2,68 1,59 0,00 0,00 0,00<br />
2,00 3,69 18,49 6,60 11,60 0,00 0,00 0,00<br />
2,10 9,60 16,73 18,27 0,00 0,00 0,00<br />
2,20 16,18 18,60 0,00 0,00 0,00<br />
2,30 17,65 0,00 0,00 0,00<br />
2,40 0,00 0,00 0,00<br />
2,50 0,00 0,00 0,00<br />
2,60 0,02 0,00 0,00<br />
2,70 0,04 0,00 0,00<br />
2,80 0,07 0,03 0,00<br />
2,90 0,11 0,05 0,02<br />
3,00 0,22 0,53 0,03<br />
3,10 0,34 7,16 0,08<br />
3,20 0,66 15,03 0,23<br />
3,30 1,42 0,70<br />
3,40 3,29 1,86<br />
3,50 6,28 3,54<br />
3,60 8,87 6,48<br />
3,70 13,57 10,82<br />
20,00<br />
18,00<br />
16,00<br />
14,00<br />
12,00<br />
10,00<br />
8,00<br />
6,00<br />
4,00<br />
2,00<br />
0,00<br />
Grün<br />
Rot<br />
Orange<br />
Gelb<br />
Blau<br />
UV<br />
Weiß<br />
0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50 3,60 3,70<br />
Spannung in V<br />
Diagramm 1: Kennlinien unserer Leuchtdioden<br />
- 15 -