Leuchtdioden Glossar Leuchtdioden

Leuchtdioden
Glossar
Leuchtdioden
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Index Leuchtdioden
AMOLED, active matrix OLED
PMOLED, passive matrix OLED
Bin-Code
Power-LED
CRI, color rendering index
RC-LED, resonant cavity LED
Dreifarbige LED
SOLED, stacked OLED
Infrarot-LED
TOLED, transparent OLED
LED-Beleuchtung
UV-Leuchtdiode
Leuchtdiode,
WLED, white LED Weiße LED
OLED, organic light emitting diode
Zweifarbige LED
PLED, polymer light emitting diode
Impressum
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Leuchtdioden
AMOLED, active matrix
OLED
Aktivmatrix-OLEDs (AMOLED) sind Dünnschicht-Displays. Sie haben bessere technische
Eigenschaften als Passivmatrix-OLEDs, sind aber komplizierter herzustellen, weil jede
einzelne OLED eine eigene Stromverbindung hat und über ein aktives elektronisches
Bauelement, einen Dünnschichttransistor, gesteuert wird.
AMOLEDs bestehen aus mehreren Schichten. Auf der Anodenschicht sind die
Dünnschichttransistoren (TFT) als Array matrixförmig aufgebracht, mit denen jedes einzelne
organische Farbpixel aktiviert und deaktiviert wird. Oberhalb der organischen Schicht befinden
sich die transparenten Kathoden. Der Stromfluss über den Dünnschichttransistor bringt die
AMOLEDs zum Leuchten. AMOLEDs werden für OLED-Displays benutzt und benötigen keine
Hintergrundbeleuchtung, da sie selbstleuchtend sind. Dies führt zu wesentlich verbesserten
Kontrastwerten gegenüber Passivmatrix-OLEDs (PMOLED) mit Hintergrundbeleuchtung.
Der Vorteil von Aktivmatrix-OLEDs liegt in den guten Kontrastwerten und der besseren
Energienutzung gegenüber PMOLEDs, LCD- oder TFT-Displays. Diese ist dadurch bedingt, dass
schwarz dargestellte Pixel ausgeschaltet sind und keinen Strom benötigen. Wegen der
geringeren benötigten Energie und der kürzeren Ansprechzeit eignen sich AMOLEDs ideal für
Aufbau der Active Matrix OLED (AMOLED)
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Leuchtdioden
Displays in Mobilgeräten, wie Handys,
PDAs und Smartphones, aber auch in
größeren Displays von Fernsehgeräten
oder digitalen Bilderrahmen.
Die Leistung, die ein AMOLED-Display
AMOLED-Display mit RGBG von Nexus,
Foto: stealthcopter.com
Bin-Code
benötigt hängt sehr stark von der
dargestellten Helligkeit und den Farben
ab. Nachteilig ist, dass sich bisher der
Kontrast und die Helligkeit von AMOLEDs
mit der Zeit verschlechtern. Außerdem ist
die Lebensdauer kürzer, als die von
Passivmatrix-OLEDs.
Bin-Code ist eine Abkürzung von Binning, was im Englischen für Klasseneinteilung steht. Der
Bin-Code ist ein Code in dem die Kennwerte für das Farb- und Helligkeitsempfinden von
lichtemittierenden
Beleuchtungskörpern, Lampen und
Leuchtdioden (LED) in Klassen
zusammengefasst sind.
Der Bin-Code ist eine BuchstabenZiffern-Kombination, die sich aus der
Lichtstärke, den Farbtönen, der
Vorwärtsspannung und der
Aufbau des Bin-Codes
Emissionsfarbe zusammensetzt. Die
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Leuchtdioden
neueren Bin-Codes sind als
Farbflächen in den CIEFarbraum eingetragen. Der
erste Buchstabe des BinCode steht für die
Lichtstärke, wobei die
Abstufungen von „S“ über
„T“ bis „U“ reichen, mit „S“
als sehr gut. Die folgenden
zwei Buchstaben oder
Buchstabe-ZifferKombinationen stehen für
Wellenlängenbereiche des Bin-Codes
das Binning und sind als
Farbflächen im CIEFarbraum gekennzeichnet.
So steht „WE“ beispielsweise für „bestmöglich“. Der letzte Buchstabe steht für die
Vorwärtsspannung (Vf). Die Buchstaben, die zuerst im Alphabet genannt werden wie „G“,
kennzeichnen eine niedrige Forward Voltage (Vf) und eine bessere Ausführung als die
folgenden „H“, „J“, „K“, „M“ und „N“. Die Spannungswerte liegen dabei zwischen 2,31 V und
8,31 V.
Der Bin-Code unterscheidet bei den Emissionsfarben zwischen Weiß, Königsblau, Blaugrün,
Grün, Gelbgrün, Gelb, Gelborange, Orange und Rot, wobei die einzelnen Farben mehrfach
wellenlängenmäßig unterteilt sind. Für die Farbnuancen von Weiß kennt der Bin-Code fünf
Abstufungen zwischen grünlich bis leicht violett.
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Leuchtdioden
Der Weißbereich, der für die Entwicklung von weißen LEDs, WLEDs, besonders interessant ist,
ist in viele Farbflächen zwischen Kaltweiß, Neutralweiß und Warmweiß unterteilt, die teilweise
die gleiche korrelierte Farbtemperatur, Correlated Color Temperature (CCT), haben.
CRI, color rendering
Der Color Rendering Index (CRI), ist der Farbwiedergabeindex (Ra), der zur Charakterisierung
index
Ra, Farbwiedergabeindex
von Leuchtquellen dient. Er ist ein Index für die Natürlichkeit der Farbe. Je größer der
Farbwiedergabeindex, der als CRI- oder Ra-Wert bezeichnet wird, desto natürlicher werden
Farben wiedergegeben und desto angenehmer werden sie empfunden. Die Größe des RaWertes kann zwischen 0 und 100 liegen und ist maßgeblich für die Farbwiedergabe von
beleuchteten Gegenständen.
Der Farbwiedergabeindex ist ein Vergleichswert mit dem das Beleuchtungsspektrum von
Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen und Leuchtdioden verglichen werden kann.
Sonnenlicht hat den Farbwiedergabeindex 100. Es gibt eine Klassifizierung für den
Farbwiedergabeindex; so wird ein Ra-Wert von 95 als hervorragend, einer von 90 als fair und
Spektralverteilung von weißen LEDs, Diagramme: Hera
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Leuchtdioden
einer von 80 als schlecht eingestuft. Der Farbwiedergabeindex unterscheidet sich von der
Farbtemperatur, die zwischen kaltem und warmem Licht unterscheidet.
Neben Sonnenlicht mit einem Ra-Index von 100, haben beispielsweise Energiesparlampen
einen Ra-Wert von etwa 80, Metalldampflampen bringen es auf einen CRI-Wert von 60 bis 70
und weiß leuchtende Leuchtdioden, WLEDs, haben einen CRI-Wert von 80. Eine Erhöhung des
CRI-Wertes von WLEDs wird durch „warmweiß“ leuchtende LEDs erzielt, die mit zwei
Leuchtstoffen arbeiten. Diese mit High Color Rendering (HCR) arbeitenden LEDs erreichen
CRI-Werte von 94. Je schmalbandiger und somit monochromatischer die Lichtstrahlung ist,
desto geringer ist der CRI-Wert.
Der Farbwiedergabeindex wird nach DIN in sechs Stufen mit den bereits erwähnten
Klassifizierungen angegeben. Meistens wird mit dem Farbwiedergabeindex auch die Lichtfarbe
angegeben.
Dreifarbige LED
tri-color LED
Dreifarbige Leuchtdioden bestehen aus drei unifarbenen
LEDs, die in einem Gehäuse untergebracht sind.
Normalerweise sind es die Farben Rot (R), Grün (G) und
Blau (B). Das hat den Sinn, dass man durch Farbmischung
viele Farben des RGB-Farbmodells nachbilden kann. Die
Farbmischung erfolgt dadurch, dass die drei Leuchtdioden,
deren Kathoden oder Anoden einzeln über Anschlussdrähte
Dreifarbige LED in 3 x 3 mm-Gehäuse,
Foto: directindustry.de
ausgeführt sind, mit verschiedenen Spannungen ansteuert.
Neben den drei Anschlussdrähten gibt es noch einen
vierten gemeinsamen Anschlussdraht für die Anoden- oder
Kathodenanschlüsse. Die Wellenlängen der einzelnen LED7
Leuchtdioden
Farben liegen für Rot bei 630 nm bis 650 nm, für Grün bei 520 nm bis 530 nm und für Blau bei
460 nm bis 470 nm.
Dreifarbige Leuchtdioden werden dort eingesetzt, wo sich Farbtöne kontinuierlich verändern
müssen, und die Farben nahtlos von einem Farbton in einen anderen übergehen. So
beispielsweise in Deko-Anwendungen. Außerdem können Tri-Color LEDs auch für
unterschiedliche Zustandsanzeigen mit kontinuierlichen Farbänderungen oder auch in RGBDisplays eingesetzt werden, die nicht hinreichend Platz für unifarbige Leuchtdioden haben.
Dreifarbige und zweifarbige LEDs gibt es in transparenten Plastik- oder Glas-Gehäusen mit 3
mm und 5 mm Durchmesser, für die Durchstecktechnik (THT) mit Anschlussdrähten und für die
SMT-Technik.
Infrarot-LED
Infrarot-LEDs (IR-LED) emittieren Infrarotlicht mit Wellenlängen zwischen 700 nm und 1.000
IR-LED, infrared LED
nm, dem sogenannten Near Infrared Bereich. Dieser Infrarotbereich liegt oberhalb des
sichtbaren Rotbereichs.
Die wesentlichen Unterschiede zwischen Leuchtdioden (LED) für sichtbares Licht und
Infrarotlicht bestehen darin, dass Infrarot-LEDs eine niedrigere Vorspannung haben und einen
höheren Nennstrom, was mit den Materialeigenschaften der Werkstoffe Galliumarsenid (GaAs)
und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) bei der Lichtemission zusammenhängt. So können die
Werte für den Treiberstrom von Infrarot-LEDs bei 50 mA liegen. Im Gegensatz zu normalen
LEDs wird die Emissionsleistung nicht in Candela (Cd) angegeben, da es sich nicht um
sichtbares Licht handelt, sondern in Milliwatt (mW), wobei es IR-LEDs mit Leistungswerten
von einigen hundert Milliwatt gibt. Infrarot-LEDs werden in der Unterhaltungselektronik in
Fernbedienungen, Garagenöffnungen und Bewegungsmeldern, aber auch in der
Kommunikationstechnik in IrDA und Infrarot-LANs eingesetzt.
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Leuchtdioden
LED-Beleuchtung
LED illumination
Unabhängig von dem Einsatzgebiet, ob in Büros, Wohnräumen, Ladengeschäften,
Kongresssälen, Hallen oder im Außenbereich, Leuchtdioden (LED) können nicht direkt
vorhandene Beleuchtungsmittel wie Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen oder
Gasentladungslampen ersetzen. Dagegen sprechen einige Kennwerte und Spezifika von
Leuchtdioden.
Da ist zum Einen die Wohlfühlatmosphäre, die von Glühlampen ausgeht. Diese
Wohlfühlatmosphäre hängt mit von der Farbwiedergabetreue und Natürlichkeit ab, mit der
Farben dargestellt werden. Als Vergleichswert dient der Farbwiedergabeindex (Ra), mit dem
die Farbwiedergabe von
beleuchteten
Gegenständen
charakterisiert wird. Die
Farbwiedergabe hängt
wiederum mit dem breiten
Wellenspektrum
zusammen, das von
Glühlampen emittiert wird
und für ein warmes Weiß
sorgt. Da Leuchtdioden
aber monochromatisches
LED-Lampen in Glühlampenform, Fotos: ledlager.de
Licht emittieren, müssen
verschiedene Techniken
angewandt, um aus
monochromatisch
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Leuchtdioden
emittierenden Farb-Leuchtdioden solche herzustellen, die weißes Licht erzeugen. Das
Emissionsspektrum von weißen LEDs (WLED) wird mittels Binning und Correlated Color
Temperature (CCT) klassifiziert. Mit diesen Methoden können LEDs entwickelt werden, die der
von Glühlampen erzeugten Wohlfühlatmosphäre entsprechen, womit eine von mehreren
Voraussetzungen für LED-Beleuchtungen in Wohnräumen, Büros, Ladenlokalen und
Warenhäuser geschaffen wäre.
Ein weiterer zu beachtender Aspekt von LED-Lampen sind die Abstrahlung und der
Abstrahlwinkel von Leuchtdioden. Leuchtdioden sind Punktstrahler, deren Lichtemission sich
auf einer Fläche von nur einem Quadratmillimeter konzentriert. Der Öffnungswinkel von LEDs
ist eingeschränkt, im Gegensatz zur Glühlampe, die eine isotrope Lichtabstrahlung hat. Daher
beleuchtet eine LED-Lampe nur eine Teilfläche, nicht die Gesamtfläche. Nur mit technischen
Maßnahmen wie Diffusionslinsen kann der Öffnungswinkel verbreitert werden. Aus mehreren
als LED-Array angeordneten LED-Punktstrahlern wird ein LED-Flächenstrahler.
Für den Einsatz von Leuchtdioden für Beleuchtungszwecke sind deren Helligkeit und
Beleuchtungseffizienz, die Luminous Efficacy, entscheidend. Was die Helligkeit und die
Beleuchtungsstärke anbetrifft, so haben Power-LEDs enorme Leistungsverbesserungen in
Bezug auf die Helligkeit vorzuweisen, die durchaus mit der Lichtleistung von Glühlampen
vergleichbar ist. So erreichen und übertreffen Power-LEDs Lichtströme von 1.000 Lumen (lm)
und was die Lichtausbeute betrifft so liegt diese mit Werten von mehr als 250 lm/W um das
Zwanzigfache höher als die von Glühbirnen.
Leuchtdiode,
LED light emitting diode
Eine Leucht- oder Lumineszenzdiode (LED) ist ein Halbleiterbauelement der Optoelektronik,
das nach dem Prinzip der Elektroluminesz Licht emittiert. Die Elektrolumineszenzdiode
wandelt durch elektrischen Strom zugeführte Energie direkt in Licht um. Darunter versteht
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Leuchtdioden
man die Fähigkeit von Halbleitern Elektronen mit gleichzeitiger Abstrahlung von Photonen zu
verlagern. Dies geschieht durch einen Elektronen- oder Quantensprung von einer Schale des
Bohrschen Atommodells auf eine andere. Ein Quantensprung erfolgt immer unter Aufnahme
oder Abgabe der Energiedifferenz.
Leuchtdioden, Farben und Halbleitermaterialien
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Leuchtdioden
Beim Quantensprung und dem damit in Zusammenhang stehenden Übergang von einer
höheren in eine niedrigere Energiestufe, wird Energie in Form eines Photons abgegeben. Den
Prozess der wechselseitigen Aufnahme von Energie und späterer Rückkehr in den Urzustand
unter Abstrahlung von Licht (Photonen) nennt man Lumineszenz. #10
Für diese Photonen-Emission werden Halbleiter aus der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems
benutzt, sogenannte III-V-Verbindungshalbleiter. Das sind Nitrate wie Galliumnitrid (GaN)
oder Indiumnitrid (InN), Phosphide wie Galliumphosphid (GaP) oder auch Arsenide wie
Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumarsenid (InAs). Diese Halbleiter oder Kombinationen daraus
bestimmen die Farbe der Lichtemission.
Da kein Halbleiter weißes Licht emittiert, erzeugen weiß leuchtende LEDs, WLED, eine blaue
Lichtemission, die eine darüber liegende Phosphorschicht wiederum zur Lichtemission anregt.
Daher kann das Licht der weiß leuchtenden LEDs blaustichig sein. Die Farbtemperatur liegt bei
etwa 5.600 Kelvin. Es gibt auch Leuchtdioden-Arrays mit einstellbarer Farbtemperatur, die das
Tageslicht von 6.500 Kelvin erzeugen können.
LED-Anwendungen: Optische Übertragungstechnik, Statusanzeigen, Displays und Drucker,
Automotive- und Beleuchtungstechnik.
Leuchtdioden werden ebenso wie Laserdioden in der Kommunikation als Lichtquelle für die
Übertragung in optischen Medien benutzt, darüber hinaus als Statusanzeigen, in LED-Displays
oder inzwischen auch in der Beleuchtungstechnik. Wichtige Kennwerte von Leuchtdioden sind
der Lichtstrom sowie die im Bin-Code zusammengefassten Kennwerte für das Farb- und
Helligkeitsempfinden. Weitere Kennwerte sind die Lichtausbeute, der Wirkungsgrad und die
Lebensdauer.
Bei den in der optischen Übertragungstechnik eingesetzten LEDs liegt die Abstrahlfläche
zwischen 50 µm und 100 µm und darüber. Sie werden daher primär in Multimodefasern
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Leuchtdioden
eingesetzt. Da die Abstrahlung größer ist als der
Kernglasbereich, spricht man bei der LED-Einkopplung
von Overfilled Launch (OFL). LEDs haben eine gewisse
Trägheit bei der optischen Signalgenerierung, die auf
ihre Schalthysterese zurückzuführen ist. Sie sind daher
Kennlinie einer roten LED
für hochbitratige Anwendungen wie sie in GigabitEthernet, 10-Gigabit-Ethernet und 100-Gigabit-Ethernet
vorkommen ungeeignet und werden durch VSEL-Laser
ersetzt.
Kennwerte und Einsatzgebiete von LEDs.
LEDs auf der Halbleiterbasis Galliumarsenid (GaAs)
strahlen auf einer Wellenlänge von 850 nm. Es gibt sie
aber auch in anderen Dotierungen für die Wellenlängen bei 1.300 nm und 1.500 nm. Die
typischen Ausgangsleistungen liegen bei 1 mW, die Koppelverluste bei -17 dB. Je nach
Einkopplung unterscheidet man bei den LEDs zwischen Flächenemitter-LEDs und
Kantenemitter-LEDs.
Leuchtdioden erzeugen diffuses (inkohärentes) Licht, das in einem relativ großen Winkel
abgestrahlt wird. Dieser liegt zwischen 40 und 90 Grad. Die spektrale Fensterbreite beträgt 70
nm und kann mit Modulationsfrequenzen von bis zu ca. 250 MHz moduliert werden. Die
generierbaren Impulsanstiegszeiten liegen bei 1 ns, wodurch der Einsatz bei
Übertragungsraten von 1 Gbit/s begrenzt ist.
Energieeffizienz und Farbwiedergabe von LEDs.
Leuchtdioden werden auch für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays entwickelt und
als Power-LEDs zunehmend als LED-Beleuchtung von Wohnräumen, Ladenlokalen, Sälen und
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Leuchtdioden
der Automotive-Technik in Form von LED-Leuchten, LED-Spots und LED-Scheinwerfern
eingesetzt. Die bereits zur Verfügung stehenden lichtstarken Leuchtdioden haben eine
Beleuchtungseffizienz von über 150 Lumen pro Watt, der von der Helligkeit her bereits im
Bereich einer 20-W-Halogenlampe liegt und einem Farbwiedergabeindex (CRI) von 95
entspricht. Ihre Lebensdauer liegt je nach Kühlung zwischen 50.000 und 100.000 Stunden,
wobei damit die Zeitspanne gemeint ist, nach der die Helligkeit auf 70 % oder 50 %
(Hersteller-abhängig) der Anfangshelligkeit abgefallen ist.
Als Weiterentwicklungen sind Organic Light Emitting Diodes (OLED), polymere LEDs (PLED),
UV-LEDs, die in der UV-Oberflächenbehandlung eingesetzt werden, und die AC-LEDs für die
Raumbeleuchtung zu nennen, die direkt an das Stromnetz angeschlossen werden können. In
diesem Zusammenhang sind auch Infrarot-LEDs (IR-LED) zu nennen, aus denen die LEDs für
sichtbares Licht hervorgegangen sind.
Neben den monochromatisch leuchtenden Leuchtdioden, gibt es noch zweifarbig und dreifarbig
leuchtende, Bi-color LEDs und Tri-color LEDs.
OLED, organic light
Organic Light Emitting Diode (OLED) ist eine Weiterentwicklung der Leuchtdiode (LED) für die
emitting diode
Display-Technik. Im Unterschied zu LEDs bestehen die farbig selbstleuchtenden OLEDs aus
organischen Halbleitern, die in einem elektrischen Feld Licht emittieren.
Aufbau von OLEDs.
OLEDs sind mehrlagige Flächenemitter. Die verschiedenen Schichten liegen auf einem
transparenten Substrat, Glas oder transparenter Plastik, auf das eine extrem dünne,
transparente und elektrisch leitende Oxidschicht, Transparent Conductive Oxide (TCO), aus
Indium-Zinnoxid (ITO) aufgebracht ist.
Diese Schicht bildet die Anode. Zwischen dieser Anode und der zweiten Elektrode, der
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Leuchtdioden
Kathode, liegen
weitere Schichten: die
Hole Injection Layer
(HIL) und der damit
verbundenen Hole
Aufbau der OLED
Transport Layer (HTL),
die lichtemittierenden
Polymerschichten, der
Emission Layer (EML),
das ist die
emittierende
Polymerschicht, und die
Elektronen-Transportschicht, Electron Transport Layer (ETL). Die Betriebsspannung liegt
zwischen den beiden Elektroden, an der Kathode liegt die negative Spannung, an der Anode
die positive. Die Elektronen und Löcher fließen über das elektrische Feld zwischen der Anode
und der Kathode zur Mitte des Flächenemitters, wo sie in der Polymerschicht rekombinieren
und dabei Photonen aussenden. Das so erzeugte Licht gelangt durch das transparente
Substrat zur Display-Oberfläche. Dabei bestimmt das Material der Polymerschicht die
Leuchtfarbe. So leuchtet Polythiophen rot, Polyfluor blau und Polyphenylenvinyl grün.
Die wichtigsten Eigenschaften von OLEDs.
Von den elektrischen Eigenschaften her sind OLEDs durchaus mit konventionellen Dioden
vergleichbar. Liegt keine Spannung an, fließen nur geringe Sperrströme. Erst bei Erreichen
einer bestimmten Schwellspannung von einigen Volt wird der mehrlagige Flächenemitter
durchlässig und der Strom steigt schnell an. Diese Funktion ist von Bedeutung, weil die OLEDs
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Leuchtdioden
im nicht aktiven Zustand keinen Strom benötigen und schwarz darstellen. Die
Betriebsspannung liegt zwischen 5 V und 10 V und die Stromdichte bei einigen Milli-Ampere
bis hin zu einem Ampere pro Quadratzentimeter.
OLEDs zeichnen sich durch eine hohe Leuchtdichte und einen guten Kontrast aus und können
Graustufen darstellen. Ihre Leistungsaufnahme ist proportional zum Lichtstrom, sie sind
selbstleuchtend, biegsam, extrem flach und haben eine hohe Auflösung mit einer Pixelgröße
von 5 µm, die sich durch die Steuerleitungen für die Transistoren auf etwa 0,1 mm vergrößert.
Ihre Schaltgeschwindigkeit ist sehr kurz und liegt bei etwa 10 µs, darüber hinaus bieten sie
einen extremen Betrachtungswinkel von bis zu 160°. Sie können wie ein LCD-Display
angesteuert werden. Derzeit ändert
sich noch die Farbstabilität mit der
Lebensdauer, vor allem bei Blau,
wodurch sie farbstichig werden.
Dank ihrer Leuchtkraft, der
Flexibilität und der geringen
Leistungsaufnahme eignen sich
OLEDs ideal für Displays. Sie
bestehen aus matrixförmig
aufgebauten Arrays aus aktiven und
passiven OLEDs: Active Matrix
OLEDs (AMOLED) und Passive Matrix
OLEDs (PMOLED) und auch aus
transparenten OLEDs, TOLED.
OLED-Flächenstrahler, Foto: Osram
Entsprechende OLED-Displays
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Leuchtdioden
werden in mobilen Geräten, in MP3-Playern, Handys, PDAs, Kraftfahrzeugen und Smartphones
eingesetzt, größere Displays in Notebooks, Desktops und Fernsehgeräten.
Des Weiteren werden besonders hell leuchtende OLEDs als Beleuchtungselemente entwickelt.
Die Helligkeitswerte liegen bei über 100 Lumen/W, die Lichtstärke kann bis zu 100.000 cd/qm
betragen, der Farbwiedergabeindex (CRI) beträgt 95 und die Lebensdauer liegt bei über
10.000 Betriebsstunden bei 100 cd/qm. Diese OLEDs werden als White-OLEDs (WOLED)
bezeichnet. Im Vergleich dazu haben Glühlampen eine Lichtausbeute zwischen 10 lm/W und
20 lm/W.
OLEDs sind wesentlich einfacher und kostengünstiger zu produzieren als Leuchtdioden oder
Thin Film Transistors (TFT) und können auch in gedruckter Elektronik hergestellt werden.
PLED, polymer light
emitting diode
Polymer Light Emitting Diode (PLED) sind wie Light Emitting Polymer (LEP) oder OLEDs farbig
leuchtende Plastik-Komponenten für Displays. Sie unterschieden sich im Aufbau von den LEPs
dadurch, dass sie eine Licht-reflektierenden Kathode haben. Die polymere Technik
unterscheidet sich gegenüber normalen LEDs durch den Aufbau. Die PLEDs benutzen
undotierte Polymere, die zwischen zwei Elektroden angebracht sind.
Die Vorteile der polymeren Technik gegenüber Leuchtdioden sind der geringe
Energieverbrauch, die extreme Flachheit und die Biegsamkeit des Displays sowie die
hervorragenden Leuchteigenschaften. PLEDs werden u.a. in einfachen Displays von Zählern
und Überwachungsgeräten eingesetzt.
PMOLED, passive matrix
OLED
Im Gegensatz zu den Active Matrix OLEDs (AMOLED) haben Passive Matrix OLEDs (PMOLED)
keine Dünnschichttransistoren für die Aktivierung. Die einzelnen Elektroden der PMOLEDs - die
Anode, die organische Schicht und die Kathode - sind streifenförmig in Zeilen aufgebaut,
17
Leuchtdioden
wobei die Zeilen der Anoden
rechtwinklig zu denen der Kathoden
angeordnet sind. Die Ansteuerung
kann über die Kathoden- und
Anodenleitung erfolgen, wobei die
OLED, die am Schnittpunkt der
Anoden- und Kathodenzeile liegt
aktiviert wird und Licht emittiert. Die
Helligkeit ist dabei abhängig von dem
eingespeisten Strom.
Eine andere Ansteuerung kann mittels
Pulsweitenmodulation (PWM)
erfolgen. Dabei werden alle
Kathodenzeilen gleichzeitig auf Masse
Passiv-Matrix-OLED mit Pulsweitenansteuerung
gelegt und die Ansteuerung der
organischen Pixel über die Anodenleitungen mit Pulsbreitenvariation durchgeführt. Diese
Ansteuerung wird als Single Line Addressing (SLA) bezeichnet. Die Helligkeit der OLEDs wird
spaltenmäßig von den Anoden aus mit Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuert. Das bedeutet,
dass bestimmte OLEDs für kürzere oder längere Zeit eingeschaltet werden und Licht
emittieren. Die gesamte Helligkeitsansteuerung ist somit abhängig von der
Zeilenaktivierungszeit und der Pulsdauer an der Anode.
OLED-Displays aus PMOLEDs verbrauchen mehr Strom als solche aus AMOLEDs, vor allem
durch die externen Steuerschaltungen. Sie eignen sich bestens für kleine Bildschirme und
Textdarstellungen, wie sie in PDAs und MP3-Playern benutzt werden.
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Leuchtdioden
Power-LED
power LED
Die rasante Entwicklung der Leuchtdioden hat lichtstarke Power-LEDs hervorgebracht, die
mehrere Watt an elektrischer Leistung verbrauchen. Diese Power-LEDs, die man auch zu LEDArrays kombiniert, werden dank ihrer Lichtstärke für die LED-Beleuchtung in Gebäuden, in
LED-Projektoren, als LED-Spots und in LED-Scheinwerfern, sowie in der Verkehrs- und
Signaltechnik und für die Straßenbeleuchtung eingesetzt werden. #0
Hochleistungs-LEDs arbeiten mit Betriebsspannungen von 3 V Strömen von 2 A und darüber,
die von den Treiberschaltungen erbracht werden müssen. Der wesentliche Unterschied zu
Energiesparlampen besteht darin, dass Leuchtdioden Punktstrahler sind, deren Lichtemission
sich auf eine Fläche von nur 1 qmm konzentriert. Das führt dazu, dass sie punktförmig eine
hohe Leuchtdichte haben, die am besten durch einen vorgesetzten Diffusor verteilt wird.
Die Vorteile von Power-LEDs gegenüber herkömmlichen Leuchtmitteln liegen in platzsparenden
Bauweise und der enormen
Lichtausbeute, der sogenannten
Efficacy, die bei über 250 lm/W liegt.
Die Helligkeit der Power-LED erreicht
Werte von bis zu 1.000 Lumen (lm) bei
einer Farbtemperatur von 6.500 K. Es
gibt auch Power-LEDs als Weiße LED
(WLED) mit kaltweißem und
neutralweißem Licht, die sich für
Lichtstrom der verschiedenen Lichtquellen bezogen auf
die Leistung
Raumbeleuchtung eignen.
Die Power-LED als Beleuchtungsmittel.
Im Vergleich zur Power-LED liegt die
Lichtausbeute der Leuchtstofflampe
19
Leuchtdioden
zwischen 50 lm/W und 80 lm/W, die von
Energiesparlampen bei etwa 30 lm/W bis 60
ml/W und die von Glühlampen bei etwa 10 lm/
W. Außerdem ist die Lebensdauer der PowerLED mit über 50.000 Betriebsstunden
wesentlich höher als die von Glühlampen oder
Leuchtstoffröhren.
Dazu ist allerdings anzumerken, dass die
Lebensdauer der Power-LEDs sehr stark von
der Sperrschichttemperatur und damit von der
Stromstärke abhängt und die
4-Chip-Power-LED mit einem Farbwiedergabeindex
von 85, Foto: dotlight.de
Lebensdauerangaben der verschiedenen
Hersteller recht unterschiedlich sind. So geben einige Hersteller als Lebensdauer die Zeit an,
bei der die Helligkeit auf 70 % der Anfangshelligkeit gefallen ist, andere geben den 50-%Wert an.
RC-LED, resonant cavity
LED
Die Resonant Cavity LED (RC-LED) ist eine Leuchtdiode, die mit einem Resonanzkörper
arbeitet und sich gegenüber der normalen Leuchtdiode durch eine geringere spektrale
Bandbreite auszeichnet. Die RC-LED leuchtet bei 650 nm mit einer spektralen Breite von 10
nm. Die übertragbare Datenrate beträgt 600 Mbit/s, der Sendepegel liegt bei -2 dBm bis -6
dBm. Die RC-LED kann in einem großen Temperaturbereich zwischen -40 °C und +85 °C
eingesetzt werden. Ihr Einsatz ist in Verbindung mit Polymerfasern und Glasfasern möglich,
mit PCS-Fasern ist er nur bedingt möglich.
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Leuchtdioden
SOLED, stacked OLED
Die SOLED-Technologie ist
eine Display-Technik, die sich
von der Anordnung der
Organic Light Emitting Diodes
(OLED), gegenüber anderen
OLED-Diplays unterscheidet.
Bei der Stacked-OLEDTechnologie sind die
lichtemittierenden Elektroden
Aufbau eines SOLED-Displays
und das lichtemittierende
Material der OLEDs transparent. Es handelt sich um sogenannte Transparent OLEDs (TOLED).
Da sie lichtdurchlässig sind, können die drei TOLEDs für die Primärfarben Rot, Grün und Blau
übereinander angeordnet werden, was zu der Bezeichnung Stacked OLED (SOLED) geführt hat.
Jede der drei TOLEDs wird einzeln angesteuert und kann über den zugeführten Strom in der
Helligkeit variiert werden. Werden alle drei TOLEDs mit dem gleichen Strom angesteuert, dann
leuchtet das entsprechende Pixel unbunt, zwischen weiß, grau und schwarz. Bei Erhöhung der
Lichtstärke verändert sich der Grauwert hin zu Weiß.
Da die TOLEDs übereinander angeordnet sind, besteht ein Pixel nicht aus einem Farbtripel,
sondern aus einem einzelnen in der Farbe und der Helligkeit steuerbaren Bildpunkt.
TOLED, transparent
OLED
Im Gegensatz zu den Standard-OLEDs sind bei transparenten OLEDs (TOLED) alle Schichten das Substrat, die Anode, die Löcher transportierenden Schichten, die emittierende
Polymerschicht und die Kathode - im inaktiven Zustand transparent. Wird eine transparente
OLED aktiviert, wird das emittierte Licht in beide Richtungen abgestrahlt und tritt an der
21
Leuchtdioden
Vorder- und der Rückseite aus. Die
Lichtverhältnisse des abgestrahlten Lichts
können zwischen 1:1 bis 1:5 variiert werden.
Die Betrachter können beidseitig des TOLEDDisplay die Darstellung verfolgen.
Transparente OLEDs (TOLED), vorne: deaktiviert,
hinten: aktiviert, Foto: Siemens
UV-Leuchtdiode
UV-LED, ultraviolet light
emitting diode
Eine solche TOLED kann sowohl als Active
Matrix OLED (AMOLED) und auch als Passive
Matrix OLED (PMOLED) aufgebaut sein. Die
TOLED-Technik kann für Head-up-Displays und
für großformatige OLED-Displays eingesetzt
werden.
UV-Leuchtdioden (UV-LED) leuchten ultraviolett. Der UV-Bereich ist nach DIN 5031 unterteilt
in die Wellenlängenbereiche UV-A mit Wellenlängen zwischen 315 nm und 380 nm, UV-B
zwischen 280 nm und 315 nm und UV-C mit Wellenlängen zwischen 100 nm und 280 nm. UVLEDs gibt es für Wellenlängen zwischen etwa 380 nm und 240 nm. Der Wirkungsgrad von UVLEDs sinkt mit kürzer werdenden Wellenlängen rapide ab und liegt bei Wellenlängen unterhalb
von 280 nm bei 2 % bis 3 %. Entsprechend gering sind die erzielbaren UV-Leistungen,
nämlich einige Milliwatt.
Wie konventionelle Leuchtdioden benutzen UV-LEDs als Basismaterial Galliumnitrid, das durch
andere Metalle angereichert wird, aber auch Aluminiumnitrid (AIN) und Aluminiumgalliumnitrid
(AlGaN). Durch die Anreicherung können die Emissionswellenlängen verschoben werden.
UV-LEDs werden auch für die Herstellung von weißen LEDs, WLEDs, benutzt. Dazu wird die
UV-LED mit einem RGB-Konverter versehen, der das UV-Licht in den Primärfarben Rot, Grün,
22
Leuchtdioden
Blau (RGB) emittiert. Das
Farbemission der einzelnen Farben
ist breitbandiger, was einen höheren
Farbwiedergabeindex zur Folge hat.
Allerdings ist die Umwandlung des
UV-Lichts in die Einzelfarben mit
einem Energieverlust verbunden, der
als Wärme abgeführt wird.
Eingesetzt werden UV-LEDs in Form
von UV-Lampen in der
Oberflächenbehandlung, in
medizinischen Laboren für die
Lichtemission einer UV-A-LED
WLED, white LED Weiße
LED
Desinfektion und Luftaufbereitung
sowie zum Prüfen von Banknoten
und zum Aushärten von Klebern.
Die Spektralcharakteristiken von Leuchtdioden (LED) haben bei bestimmten Farben ihr
Maximum. Das können die Farben Rot, Grün oder Orange sein, aber nicht Weiß. Das für Weiß
erforderliche breite Wellenlängenspektrum kann nur indirekt mit HalbleiterLeuchtkomponenten erzeugt werden. Es gibt mehrere Techniken um Warm-Weiß mit
Leuchtdioden zu erzeugen. Bei diesen Techniken wird die Lichtemission unterschiedlich
strahlender Leuchtdioden oder Phosphore miteinander kombiniert.
Verfahren zur Erzeugung von weißem Licht.
Ein Verfahren nennt sich Phosphor Conversion. Bei dieser Technik wird eine ultraviolett oder
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Leuchtdioden
blau strahlende UV-LED mit einem
gelben oder multichromatisch
fluoreszierenden Phosphor beschichtet.
Der gelbe Phosphor bildet eine
Konversionsschicht. Er wird von den
Photonen der blau strahlenden
Leuchtdiode aktiviert und konvertiert die
blaue Strahlung in ein gelblich-weißes
Licht mit einem breiten
Wellenlängenspektrum. Die
Farbtemperatur dieser Pseudo-WhiteUltraweiße LED (WLED), Foto: Osram Opto Semiconductors
LEDs kann man beim Fertigungsprozess
festlegen. Sie gibt es in warmweißem (ww), neutralweißem und kaltweißem (cw) Licht mit
Farbtemperaturen zwischen 2.500 Kelvin und 10.000 Kelvin.
Andere Techniken arbeiten mit LED-Arrays aus roten, grünen und blauen LEDs, die so zum
Leuchten angeregt werden, dass die Kombination der drei Lichtquellen weißes Licht emittiert.
Die drei LEDs werden in einem gemeinsamen Gehäuse dicht beieinander angebracht und
können in ihrer Farbtemperatur einzeln gesteuert werden. Dadurch kann die Farbtemperatur für
Weiß eingestellt werden.
Lichtausbeute und Farbwiedergabeindex.
Damit die Lichtausbeute von Leuchtdioden möglichst groß ist, wird das emittierte Licht in der
LED durch eine Verspiegelung nach außen reflektiert. Weiße LEDs können über die
Farbtemperatur, den Farbwiedergabeindex (CRI) und über die Farbstichigkeit bewertet werden.
Was die Farbtemperatur betrifft, so gibt es ultraweiße LEDs mit Farbtemperaturen zwischen
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Leuchtdioden
5.700 K und 6.500 K, neutralweiße und warmweiße
LEDs mit Farbtemperaturen zwischen 2.700 K und
4.500 K. Der Farbwiedergabeindex liegt bei
kaltweißen LEDs zwischen 70 und 80, bei
warmweißen werden Werte von über 90 erreicht.
Die Farbstichigkeit wird durch den Bin-Code und
die Correlated Color Temperature (CCT) festgelegt.
In diesen Kennwerten ist das Farb- und
Farbtemperaturen weißer Lichtquellen
Helligkeitsempfinden der Leuchtdioden (LED)
zusammengefasst, da der Weißton diverse
Farbnuancen haben kann, die von grünlich, gelblich, bläulich bis hin zu violett reichen können.
Die Lichtausbeute von WLEDs beträgt typischerweise 150 lm/W. Spitzenwerte liegen bei über
250 lm/W. Dieser Wert steht für die Lichtstärke an der LED-Oberfläche. Was den
Farbwiedergabeindex betrifft, so ist dieser beim Phosphor Conversion höher als bei
dreifarbigen WLEDs.
Zweifarbige LED
bi-color LED
Zweifarbige LEDs sind die gleichen Leuchtdioden wie einfarbige, mit dem Unterschied, dass in
einem Gehäuse zwei LEDs mit verschiedenen Farben untergebracht sind. Sie haben die
gleichen Charakteristika und Kennwerte wie einfarbige LEDs. Das bezieht sich auf die
Helligkeitswerte, den Abstrahlwinkel, die Lebensdauer und alle anderen LED-Kennwerte.
Bi-Color LEDs können zwei oder drei Anschlussdrähte haben, je nachdem wie sie intern
verdrahtet sind. Bei der zweiadrigen Ausführung sind die beiden Leuchtdioden parallel
geschaltet, allerdings in umgekehrter Richtung. Dabei ist die Anode der einen Leuchtdiode,
beispielsweise einer roten LED, mit der Kathode der zweiten LED, beispielsweise einer grünen
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Leuchtdioden
Schaltzustände einer zweifarbigen LED mit zwei Anschlüssen, Foto: Respotec
LED, verbunden. Liegt an der Parallelschaltung keine Spannung an, bleiben die LEDs dunkel,
ebenso, wenn an beiden Anschlussdrähten die gleiche positive Spannung anliegt. Liegt an der
Anode der roten Elektrode eine positive Spannung die über der Durchbruchspannung liegt,
dann leuchtet sie rot. wird die Spannung umgepolt und liegt an der Anode der grünen LED
eine positive Spannung, dann leuchtet sie grün.
Die farbliche Kombination von Bi-Color LEDs ist vielfältig und reicht und umfasst die
komplette Farbpalette von Rot, Grün und Blau in den verschiedensten Ausprägungen: Rot/,
grün, rot/orage, rot/blau usw.
Zweifarbige Leuchtdioden werden dort eingesetzt, wo zwei Zustände angezeigt werden
müssen.
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Impressum
Leuchtdioden
Urheber
Klaus Lipinski
Datacom-Buchverlag GmbH
84378 Dietersburg
ISBN: 978-3-89238-247-8
Leuchtdioden
E-Book, Copyright 2012
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keine Haftung übernommen.
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