Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
LED-Licht: Von der Innovation zum Stand der Technik (2)
Die Effizienz-Debatte ist „durch“. Nachdem wir es geschafft haben, dass sich nur noch effiziente Leuchtmittel und Beleuchtungstechniken auf dem Markt befinden – ob nun durch Mode, auf Grund von EU-Verordnungen oder doch tatsächlich aus Vernunft – kann man sich endlich den anderen (grundlegenden) Eigenschaften des Lichts zuwenden.
Wie jede Diode weist die LED in Durchlassrichtung eine exponentielle Kennlinie auf. Dies bedeutet, dass statt des ohmschen Gesetzes mit linearem (proportionalem) Zusammenhang zwischen Spannung und Strom ein exponentieller besteht. Dies hat tief greifende Konsequenzen für den Betrieb.
Grundlagen
So errechnet sich der Diodenstrom ID abhängig von der Spannung UD an der Diode und der (absoluten) Temperatur T an der Sperrschicht nach der so genannten Shockley-Gleichung:
[5]
Darin ist
n der Emissions-Koeffizient, praktisch ein Korrekturfaktor für die einzelne Diode;
UT = kT/q die Temperaturspannung mit:
k = 1,38 × 10-23 J/K die Boltzmann-Konstante (Naturkonstante);
q = 1,6 × 10-19 As die Elementarladung (Naturkonstante; die Ladung eines Elektrons);
T die absolute Temperatur der Sperrschicht im Moment der Messung [K];
IS der Sättigungs-Sperrstrom einer Diode.
Hiermit lässt sich die Formel zusammenfassend auch folgendermaßen schreiben:
So wird sie aber in der Literatur nicht angegeben – warum auch immer. Das ist schlecht, denn so wie oben stehend fiele sofort auf, dass die Temperatur im Nenner des Exponenten steht und das exponentielle Anwachsen des Stroms mit steigender Temperatur dämpft.
Da wundert sich der Praktiker, der schon viele „thermische Durchbrüche“ leidvoll beobachten durfte, bei denen durchweg die Leitfähigkeit von Halbleiter-Bauteilen mit zunehmender Temperatur rapide zunimmt und zur lawinenartigen Zerstörung der Halbleiter führt. Nach langem Suchen findet sich dann die ganze Wahrheit:
Auch der Sättigungs-Sperrstrom IS ist – in diesem Zusammenhang leider meist unerwähnt – keine Konstante, sondern von der Temperatur abhängig!
Diese Abhängigkeit lässt sich mit praxistauglicher Genauigkeit mathematisch beschreiben: Der Sättigungs-Sperrstrom IS verdoppelt sich näherungsweise je 10 K Temperatur-Erhöhung.
Nun kann man mit dessen Startwert (von
z. B. 20 °C) und dem Emissions-Koeffizienten n so lange jonglieren, bis sich eine Kurve ergibt, die wenigstens in grober Näherung einer praktischen Messung entspricht. Hierfür wurde eine LED zwei Mal mit zwei Reihen jeweils gleicher Stromwerte gemessen:
Bilder
