LED-Licht und physikalische Größen               

von Heinz D.                              
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Ein Blick auf die Umwandlung physikalischer Größen in elektrische und umgekehrt, fast ohne Formeln. Die Grafiken stammen aus frei verfügbaren Datenblättern und Schulungsunterlagen von Agilent, Avago, Kingbright, Philips usw. Dieser Beitrag soll helfen, Beleuchtung, Licht-Sensoren und deren Datenblätter zu verstehen.


Die Farbe

Seit es Farbfernseher gibt, weiß jeder, das mit den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau jede andere Farbe/Farbschattierung erzeugt werden kann, indem die Helligkeit gesteuert und die drei Farben in einem Punkt/Pixel konzentriert werden. Jede Einzelfarbe ist durch ihre Wellenlänge genau fest gelegt.






Je kürzer die Wellenlänge (Blau) umso höher ist die Energie der Photonen (in Elektronenvolt {eV}):

Blau~470nm = 1240/470=2,64eV
Grün~550nm = 1240/550=2,26eV
Rot ~630nm = 1240/630=1,97eV

Wenn unsere Augen bei grün 100% empfindlich sind, dann sind sie für Rot und Blau nur noch etwa 10% so empfindlich. Für Ultraviolett<400nm und Infrarot>700nm benötigen wir Sensoren.




Bei der Farbmischung Rot-Grün-Blau fällt auf, das nur wenig grün erforderlich ist, wg. der Augenempfindlichkeit. Weißes Licht kann auch durch Mischen von blau und gelb erreicht werden.




Die Helligkeit
 
Inzwischen findet man auf Glühbirnenpackungen die Lumen-Angabe, (Gesamt-)Lichtstrom phi {lm}. Meist möchte man jedoch die Helligkeit in einer bestimmten Entfernung wissen. Beispiel: Eine 'alte' 100W-Glühbirne hat etwa 1250lm. Sie strahlt fast in alle Richtungen (360°). Hängen wir die Birne in 1m Höhe über einen 1m*1m Tisch, so können wir rechnen -> Kugeloberfläche bei 1m Radius = 4*pi * r*r = 12,566m*m. Obwohl der Tisch nicht konkav ist, können wir annehmen, das etwa 1250lm / 12,566m*m = 100lm/m*m auf den Tisch entfallen. Damit haben wir auch die Beleuchtungsstärke E in Lux {lx} errechnet (Lichtstrom pro Fläche) -> 100lx. Mit Reflektoren und Linsen kann der Gesamtlichtstrom auf die Arbeitsfläche gerichtet werden, sodass wesentlich höhere Beleuchtungsstärken erreicht werden.

Bei LED's wird oft die Lichtstärke I in Candela {Cd} angegeben, weil die Umrechnung in Lx bei 1m Entfernung einfach ist -> E=I/(r*r) -> 100Cd/(1m*1m) = 100Lx. Insbesondere bei LED's ist die Lichtstärke mit der Angabe des Leuchtwinkel wichtig. Der Gesamtlichstrom phi einer 40000 mCd-LED mit 8° kann dann niedriger sein, als der einer 10000 mCd-LED mit größerem Abstrahlwinkel. (Wer es genauer wissen will, muss sich nochmal mit den Abschnitten der Kugeloberfläche beschäftigen.)

Die maximale Lichtausbeute ist für L=555nm (grün = max. Empfindlichkeit des Auges) mit 683 lm/W definiert. Nach den Vorstellungen der EU sollen weiße LED irgendwann 200 lm/W erreichen. Meine letzte weiße E27-Lampen hatte 10W/810lm/LED = 81 lm/W. (100W Glühbirne -> 12lm/W)


Die (farbige) LED



Durch die Kombination der verschiedenen Materialien des PN-Übergangs ist man heute in der Lage fast jede Farbe gezielt zu erzeugen. Sind die Bandabstände groß, werden (Ultra-)violette Photonen emittiert, bei kleineren Bandabständen werden (Infra-)rote Photonen erzeugt. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die Spannungen am PN-Übergang einer LED je nach Farbe in etwa den oben erwähnten Energieniveaus der Photonen entspricht!!! Bei einer blau-violetten LED, die auch bei weißen LED (mit gelbem Farbstoff) verwendet wird, ist eine Spannung von >2,7V erforderlich. Eine Grüne braucht etwa 2,2V und eine (Infra-)rote benötigt <1,9V. Ab sofort sollte es kein Problem sein, die Farbe anhand der Spannung und umgekehrt abzuschätzen. Außer bei Laserdioden haben die LED eine gewisse Bandbreite durch Rauschen. Eine gelbe LED strahlt auch rot und grün mit geringerer Intensität (550-630nm). Eine Grüne links und rechts von 550nm und eine Blaue entsprechend. Dadurch sind die Spannungen nicht sklavisch genau. Eine weiße Led (10W) hat ein durchgehendes Spektrum, während eine Leuchtstoff-Lampe aus deutlich zu unterscheidenden Einzelfrequenzen besteht.



Am Beispiel der LD271 IR-LED kann man sehen, das die physikalische Spannung nur bei kleinen Strömen stimmt. Der Innenwiderstand Ri verursacht einen erheblichen zusätzlichen Spannungsabfall. Mit anderen Worten, bei 10-fachem Strom steigt die Spannung am p-n-Übergang nur um ~10% (log), am Ri (linear) verzehnfach sich der Spannungsabfall und P ist (10*10) 100-mal so groß. Impulsbetrieb macht nur für Datenübertragung Sinn, für Beleuchtung (Mittelwert) nicht.





Die (Licht-) Sensoren
 
Der bekannteste Sensor ist die Solarzelle und besteht aus einem PN-Übergang. Somit sind alle Dioden, LED und Transistoren lichtempfindlich. Verschiedene Materialien des Alltags sind für verschiedenen Wellenlängen undurchlässig. Die meisten klaren Kunststoffe (Plexiglas) sind lichtdurchlässig bis etwa 400nm, für UV also nicht. Fensterglas (Mikroskop-Gläser) sind für Infrarot (ab ~700nm) undurchlässig.



BPW34


BPW21


BPW61

Ein universeller Sensor ist die BPW34. Im Datenblatt sieht man die Empfindlichkeits-Kurve von ~400nm bis ~1000nm. Die hohe Empfindlichkeit für (Infra-)rot stört bei Messungen der Helligkeit von Glühbirnen und Sonnenlicht, weil die Wärmeabstrahlung für unser Auge kein Helligkeitsgewinn darstellt. Durch Filtern mit einem Mikroskopglas erreicht man fast die gleiche Eigenschaft des Tageslichtsensors BPW21.

LED's sind als Sensor eingeschränkt tauglich. Klare Gehäuse halten UV zurück. Gefärbte Gehäuse dämpfen die jeweils anderen Farben. Bei weißen LED ist der Farbstoff nutzlos für Farben von grün bis IR (~500-1000). Sie sind daher meist nicht besser als blaue. LED's sind nicht ausschließlich für ihre Farbe empfindlich!

Ein weiterer Sensor ist der LDR (Lichtempfindlicher Widerstand R). Er besteht meist aus Cadmium-Sulfit (CdS). Bei Beleuchtung verringert er seinen Widerstand. Obwohl jedes Photon die Leitfähigkeit verbessern sollte (=linear), ist auch der LDR für (Infra-)rot empfindlicher.

Ein RGB-Sensor (180381-SMD_RGB_FARBSENSOR) wird erst durch Farbfilter nützlich. Dahinter sind normale 'Solarzellen' angebracht. Man misst (wie beim BPW21/34) den Sperrstrom, der sich linear verhält, nicht die Spannung, die sich fast logarithmisch verhält.




Da die Farbfilter nicht rechteckig/scharfkantig sind, werden auch Ströme bei den Nachbarfarben verursacht.




Es macht Spaß sich mit LED-Beleuchtung zu beschäftigen. Etwa 90% der Gesamtenergie wird für Heizung und Fortbewegung gebraucht, 9% für Maschinen in der Produktion und nur 1% für die Beleuchtung!


Nachtrag: LEDs als Lichtsensoren

www.umnicom.de/Elektronik/Projekte/Wetterstation/Sensoren/Spektrometer/Spektrometer.htm

Schon vor 10 Jahren hat sich Uwe Mnich auf seiner Seite www.umnicom.de/ die Mühe gemacht LDR und LED als Lichtsensoren für seine Wetterstation zu untersuchen. LDR's sind, wie ich vermutete, für den sichtbaren Bereich (Material 'CdS60' für 600n) bis zum nahen IR empfindlich, für UV weniger (grüne und violette Kurve). Glühbirnen und Sonnenlicht können auch hier höhere Helligkeiten vortäuschen. Das Material 'CdS72' ist für 720nm max. empfindlich. Im PDF von Conrad 183563 finden Sie weitere Hinweise zum LDR.

Sie sehen dort, dass LEDs meist (nicht immer) für kürzere Wellenlängen, als die emittierte Farbe empfindlich sind. Da die kürzeren Wellenlängen energiereicher sind, ist der Zusammenhang logisch. Es gibt keine allgemein gültige Regel! Betrachtet man nur die gemessenen roten LED, sind die verschiedenen Typen von orange bis UV als Empfänger empfindlich. Die gemessene weiße LED ist auffällig für (Ultra-)violett und IR empfindlich, nicht für das sichtbare Spektrum!

Leider wurde die Empfindlichkeit der LED nicht mit Photodioden verglichen. Deshalb gibt es keine Nachbau-Empfehlung, die bezüglich der Farbe und Empfindlichkeit reproduzierbar ist. Ein fertiger RGB-Sensor macht nicht so viel Arbeit, außer der Tatsache, dass er nur sehr sehr kleine Ströme (5nA-..!) abgibt. Das bedingt eine saubere Verdrahtung.

www.umnicom.de/Elektronik/Schaltungssammlung/Licht/Emission/Spektren.htm



Nachtrag LEDs im PKW von B.K.


Seit einiger Zeit fallen mir immer öfter LEDs in Autos auf, wo früher Glühlampen verwendet wurden. Für den Innenraum gibt es LED-Leuchtmittel mit üblichen Lampensockeln. Der geringere Strom hilft, dass nicht immer gleich die Batterie leer ist, wenn man mal ein Licht angelassen hat.  In Anhängern haben sich LEDs ebenfalls bewährt. Dazu muss die PKW-Anhängerkupplung mit einem Elektrosatz ausgerüstet sein, um Blinker und Leuchten anzuschließen. In einigen Fällen werden Rücklichter mit roten LEDs verwendet, die zwei Helligkeitsstufen haben und gleichzeitig als Bremslicht dienen. Die Helligkeit wird oft über PWM gesteuert, was unangenehme Folgen hat. Weil im Straßenverkehr der Blick immer wieder hier und dahin schweift, sieht man unterbrochene Punktlinien, die irritieren. Auch das Standlicht vieler Scheinwerfer arbeitet so. Die Farbwiedergabe wird allerdings immer besser. Oft frage ich mich bei gelben Blinkern, ist das noch eine Glühlampe oder schon eine LED? 


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