Leuchtdioden
Transcrição
Leuchtdioden
BAU ELEMENTE Ti t e l s t o r y Leuchtdioden auch heute noch beliebtes Anzeigeinstrument Tim Herklots Dieser Beitrag diskutiert eine bereits 35 Jahre alte Display-Technologie, die sich gerade in der letzten Zeit stark gewandelt hat: die Leuchtdiode. Die weltweite Produktion von LEDs beträgt etwa 4 Mrd. Einheiten – pro Monat! Dieser Überblick beschreibt die Ursprünge der LED, die traditionellen Anwendungen sowie Entwicklungen, die neue Anwendungsgebiete erschlossen haben. D 600 740 Red 625 565 590 Orange Yellow 520 500 Green 500 Cyan 435 400 Blue Violet 380 ie Erforschung der LED-Technologie begann im Jahre 1962 bei Bell Labs, Hewlett-Packard, IBM, Monsanto und RCA. Im Jahre 1968 kam die erste kommerzielle Leuchtdiode auf Gallium-Arsenid-Phosphid (GaAsP)-Basis auf den Markt; ein bei 655 nm rot strahlender Typ. 1971 dann kündigte Hewlett-Packard den ersten tragbaren Frequenzzähler mit LED-Anzeige an. Anfang der Siebzigerjahre hatten numerische Displays ihre Blütezeit in Taschenrechnern von HewlettPackard, TI, Sinclair und anderen. Dank der bald eingeführen Flüssigkristallanzeige (LCD) wurden LEDs in DigitalArmbanduhren nur für sehr kurze Zeit eingesetzt. Dennoch ersetzten LEDs bald Glüh- oder Neonlampen als Statusanzeigen; als (alpha)numerische Anzeigen wurden sie bald die erste Wahl. Eine ernstzunehmende Alternative zur Leuchtdiode wurden in den Siebziger- und Achtzigerjahren die Vakuum- 700 Wavelength in nanometres (nm) Bild 1: Das sichtbare Licht reicht von violett bis rot, dies entspricht einem Wellenlängenbereich von etwa 380 nm bis 740 nm. Floureszenz-Anzeigen fahrzeuge. LCDs benöti(VFDs), deren helles, gen sehr wenig Strom, blau-grünes Licht in Verkönnen einfach kunTop Bond Wire bindung mit einem grüdenspezifisch hergeDie Mounted in Reflective Cavity nen oder blauen Filter stellt werden und sind Translucent Case hohe Intensität und erste Wahl in batterieKontrast bot. VFDs wurbetriebenen Geräten. Post den erstmals von ISE Obwohl LCDs kein Licht Anvil Electronic Corp. (auch ausstrahlen, gibt es viele unter Noritake bekannt) Anwendungen, wo das im Jahre 1967 entUmgebungslicht zum wickelt und daraufhin Erkennen ausreicht. Alzusammen mit Futaba ternativ kommt das Licht und NEC hergestellt. Zu von ein paar LeuchtBeginn wurden einstellidioden, die als Hinterge VFDs angeboten; der grundbeleuchtung einschnell wachsende gesetzt werden. Rechnermarkt ließ je- Bild 4: Querschnitt durch Wer stellt Leuchtdioden doch vielstellige Anzei- ein LED-Lämpchen. Der her? Laut Aussage des getypen folgen. Hier- Kristall befindet sich in ITIS (Industrial Technolodurch wurden die Her- der Vertiefung des Am- gy Information Service) stellkosten deutlich ge- boss (Anvil). in Taiwan kommt von drückt; und einigen Leden dort ansässigen, etsern sind sicherlich noch die populären wa 30 LED-Herstellern derzeit etwa die Casio-Taschenrechner in Erinnerung, Hälfte der weltweit produzierten die mit diesen VFDs ausgestattet wa- Leuchtdioden; gefolgt von Japan und ren. Später begann auch Samsung, den USA. Vor zehn Jahren führte Japan Fluoreszenzröhren für den Einsatz in diese Rangliste an, und Taiwan steuerte den eigenen Konsumgütern herzustel- nur etwa 10% zum Weltbedarf bei. Die len. 1993 verkaufte NEC ihre komplette meisten LED-Hersteller kaufen HalbleiVFD-Fertigung an ZEC in China. Von terscheiben oder -kristalle von Halbleidort kommt mittlerweile 95% der Jah- terwerken in Japan, USA und Taiwan, resproduktion an VFD-Anzeigen. die sie dann nur noch weiterverarbeiten Seit den Achtzigerjahren konkurrieren und in entsprechende Gehäuse packen. monochrome LCDs sehr stark mit Leuchtdioden und VFDs. Haupteinsatz- Die CIE, Lumen gebiete sind Konsumgüter und Kraft- und Candela 0.25mm 0.25mm 0.1mm Emission area Top contact metallization Bild 2: Die Empfindlichkeit des Auges ist bei der Farbe grün am höchsten. 26 Bild 3: Ein typischer LED-Kristall verfügt in der Mitte über eine Kontaktfläche für einen Bonddraht; die grau gezeigte Fläche ist der Emissionsbereich. Sicherlich ist es sinnvoll, an dieser Stelle kurz auf Radiometrie und Photometrie einzugehen. Die Radiometrie erfasst die abgestrahlte Energie bei allen Wellenlängen (sichtbar und unsichtbar), während die Photometrie die Helligkeit angibt, wie sie vom menschlichen Auge aufgenommen wird. Das Auge sieht nämlich nur den Wellenlängenbereich von 380 nm bis 740 nm – dies entspricht dem bekannten Farbspektrum (Bild 1). Die Commission Internationale de l’ Eclairage (internationale Beleuchtungskommision, kurz CIE) formulierte elektronik industrie 10-2002 BAU ELEMENTE Ti t e l s t o r y die Standards zur Messung von Licht und die Empfindlichkeit des menschlichen Auges bereits in den Dreissigerjahren. Diese Standards charakterisieren die Veränderung der Augenempfindlichkeit über den gesamten sichtbaren Bereich unter verschiedenen Lichtbedingungen wie bespielsweise Tagesoder Nachtlicht. Die CIE definierte auch die Primärfarben. In Bezug auf Displays ist es wichtig zu wissen, dass das Auge die Farbe Grün bei 555 nm am intensivsten wahrnimmt; es folgt Gelb und fällt nach Blau bei 400 nm und nach Rot bei 700 nm stark ab. Dies kann auch dem photopischen Farbendiagramm bei Tageslicht, erstellt im Jahre 1931, entnommen werden, das in vereinfachter Form in Bild 2 dargestellt ist. Die Intensität von abgestrahltem Licht (alle Wellenlängen) wird in Lumen gemessen. 683 Lumen entsprechen einem abgestrahlten monochromatischem Licht von 1 W bei einer Wellenlänge von 555 nm. Die Leuchtintensität, gemessen in Candela (cd), resultiert aus der Anwendung der Augenempfindlichkeit gemäß CIE und stellt die Messvorschrift für den sichtbaren Anteil einer Lichtquelle dar. Die Displayintensität wird deswegen in cd oder mcd angegeben und zeigt die Lichtausbeute an, die für den Betrachter brauchbar ist. (Bild 4). Der Kristall wird über leitfähiges Epoxid in einer Vertiefung mit der einen Hälfte des Trägers verbunden; wegen der Form Amboss genannt. Die Vertiefung im Amboss ist so geformt, dass das Licht nach vorne abgestrahlt wird. Der Oberflächenkontakt des Kristalls wird über einen Draht mit dem anderen Anschluss des Trägers verbunden (gebondet). Die mechanische Konstruktion des Lämpchens bestimmt die Form der Lichtstreuung. Eine enge Lichtstreuung (Bild 5) erscheint axial betrachtet sehr hell, aber der Blickwinkel ist nicht sehr weit. Ein auf breiteren Blickwinkel ausgelegte Bauform hat eine reduzierte axiale Lichtstärke. Helle LEDs mit Winkeln von 15° bis 30° sind gut geeignet für eine Frontblende direkt vor einem Bediener, während eine weiter leuchtende LED oder eine Anzeige in einem Kfz einen Winkel von bis zu 120° benötigt. Numerische und alphanumerische Displays Die bekannten 7-Segment-Anzeigen leiden unter einem falschen Namen – fast immer existiert ein achtes Segment für den Dezimalpunkt (DP). Die weniger verbreiteten, alphanumerischen Starburst-Anzeigen sind auch als 14-Segment- oder 16-Segment-Anzeigen be- Was sind Leuchtdioden? Eine Leuchtdiode (LED) ist eine Halbleiterdiode mit pn-Übergang, die Photonen aussendet, sobald sie vorgespannt wird. Die Wellenlänge des von einer LED abgestrahlten Lichts hängt vom Halbleitermaterial ab, da die Bandlückenenergie mit dem Material variiert. Selbst in einem perfekten Halbleiterkristall rekombinieren nicht alle Minoritätsladungsträger unter Lichtemission; nicht-emittierende Rekombinationen, die bei Defekten und Versetzungen im Halbleiter auftreten, führen zu hohen Unterschieden in ansonsten identischen Dioden. In der Praxis werden Leuchtdioden daher durch Sortieren und Einteilen in Lose mit ähnlicher Leuchtstärke zusammengefasst. LEDs werden auf Siliziumscheiben hergestellt und in Einzelkristalle gesägt. Die Kristallgröße für im sichtbare Bereich leuchtenden LEDs beträgt etwa 0,18 mm2 bis 0,36 mm2 (Bild 3). Infrarot-LEDs sind oft größer, um Leistungsspitzen zu verarbeiten, und LEDs für Beleuchtungszwecke sind noch größer. Die einfachste LED in einem Gehäuse ist das Lämpchen. Diese besteht aus dem Kristall, einem Kristallträger und der Vergussmasse, die den Kristall umgibt, schützt und für die Lichtstreuung sorgt elektronik industrie 10-2002 7-Segment plus DP 14-Segment plus DP Bild 5: Abstrahlcharakteristik für eine eng strahlende LED (ca. 20°). kannt, auch hier wird der DP ignoriert. Starburst-Anzeigen bieten einen einfachen Weg, um alle 26 Zeichen des Alphabets und die zehn Ziffern anzuzeigen. Bei der 16-Segment-Anzeige ist der obere und untere Balken jeweils geteilt, einige Zeichen können so besser dargestellt werden (Bild 6). Die 5x7Matrix ist noch vielseitiger, da zusätzlich Groß- und Kleinschreibung möglich ist und einige Sonderzeichen dargestellt werden können. Der Unterschied der Anzeigequalität ist in Bild 7 dargestellt. Diese vergleicht die Zeichen, wie sie zum einen mit dem 5x7-Matrixzeichensatz der Displaytreiber MAX6952 und 53 und zum anderen mit dem identi- 16-Segment plus DP 5 x 7 Matrix Bild 6: Hier sind die gebräuchlichsten Displaytypen gezeigt (von links nach rechts): Siebensegmentanzeige, „Starburst”-14-Segment-Anzeige, „Starburst”-16-Segment-Anzeige sowie die 5x7-Matrix. . Bild 7: Vier moderne Display-Treiber von Maxim haben bereits den 104 Zeichen umfassenden ASCII-Zeichensatz als Speichertabelle integriert. Links die Darstellung mit einer 5x7-Matrix (MAX6952 und 53), rechts auf einem 16-Segment-„Starburst”-Display (MAX6954 und 55). 27 BAU ELEMENTE Ti t e l s t o r y die Kristalle entweder auf einem Träger oder Front plate einer Platine montiert und über Drähte auf ein Reflector Verbindungsmuster geConductor bondet. Die Kristalle werden mit Leitpaste Substrate LED die mounted with conductive epoxy montiert, weil das Kristallsubstrat eine der zwei Diodenanschlüsse Bild 8: Der Querschnitt durch ein Einzelsegment darstellt (Bild 8). zeigt den LED-Chip, wie er im Reflektor eingebet- Das Verbindungsmuster tet ist. führt entweder die Anoden- oder Kathodenanschen Starburst-Zeichensatz der Dis- schlüsse der LEDs zusammen, um die playtreiber MAX6954 und 55 darge- Anschlussanzahl für ein Digit zu verrinstellt werden. Die meisten auf LEDs ba- gern. Daher sind Anzeigen sowohl als sierenden numerischen und alphanu- Common Anode (CA)- und als Commerischen Anzeichen sind in Wirklich- mon Cathode (CC)-Typen erhältlich, keit Hybride, bei denen viele Einzel- und integrierte Displaytreiber-Bausteine LEDs in einem Gehäuse montiert wer- sind entweder für den einen oder andeden. Nur einige sehr kleine Anzeigen ren Typ spezifiziert (Bild 9). sind wirklich monolithisch ausgeführt, Der Aufbau mittels Träger ist ähnlich z.B. die Bubble-Top-Rechnerdisplays dem, der in der Herstellung von inteaus den Siebzigerjahren. In jedem Fall grierten Halbleitern angewandt wird. wird die Form jedes einzelnen Seg- Der Träger besteht üblicherweise aus ments von einem Reflektor und einer silberbeschichtetem Stahl und bietet Lichtröhre bestimmt, die um den LED- gute Wärmeableitung und LichtreflexiKristall montiert wird. Kleine Anzeigen on. Der Reflektorkanal bildet den Lichtbenutzen einen Kristall pro Displayseg- leiter für jedes Segment und wird ment, während große Anzeigen zwei während der Herstellung mit Epoxid geoder noch mehr Kristalle pro Segment füllt. Dies sorgt für mechanische Stabieinsetzen, um das Licht wirkungsvoll zu lität und bietet einen Schutz gegen Bestreuen und einheitliche Helligkeit in- schädigung. nerhalb des Segments zu erreichen. Eine preiswerte Herstellmethode nutzt Während des Herstellprozesses werden anstatt der Träger platinenähnliche Anode 1 Anode 2 Anode 3 Anode 4 Anode 5 Anode 6 Anode 7 Anode 8 Cathode 1 Cathode 2 Cathode 3 Cathode 4 Cathode 5 Cathode 6 Cathode 7 Cathode 8 Common Anode Common Cathode Bild 9: Siebensegment-Anzeigen mit gemeinsamer Anode werden Common Anode genannt (links), die mit gemeinsamer Kathode heißen Common Cathode (rechts). 100 LED Intensity Normalised to 20mA LED Forward Current (mA) 3.5 80 60 40 20 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0 0 1 2 3 4 LED Forward Voltage (V) Bild 10: Die Vorwärtsspannung verschiedenfarbiger Leuchtdioden ändern sich mit der Farbe und dem Vorwärtsstrom. 28 3.0 0 10 100 LED Forward Current (mA) Bild 11: Mit höherem Diodenstrom erhöht sich auch die Lichtintensität der LED. Bei hohen Strömen wird eine Sättigung erreicht. Substrate. Anzeigen, die damit hergestellt werden, kennt man als Stick-Typen, weil die Methode meist für mehrstellige Anzeigen genutzt wird, wie z.B. für vierstellige LED-Uhrendisplays. Stick-Aufbauten ermöglichen die Herstellung ohne Epoxidfüllung, was Kosten spart, aber die Anzeige anfällig für Umwelteinflüsse macht. Eigenschaften Das elektrische Verhalten von LEDs ist vergleichbar mit dem anderer Halbleiterdioden. Die Flussspannung ist höher und ändert sich mit der Farbe, da hier verschiedene Materialien verwendet werden (Bild 10). Die Flussspannung steigt mit dem Strom und fällt mit der Temperatur um etwa 2 mV/°C. Und, wie bei allen Halbleitern, wird die zulässige Verlustleistung bei höheren Arbeitstemperaturen geringer. Das optische Verhalten der Leuchtdiode ändert sich über Temperatur signifikant. Zunächst fällt die Menge des abgestrahlten Lichts mit steigender Chiptemperatur, weil mehr Rekombinationen von Löchern und Elektronen ohne Lichtemission stattfinden. Außerdem ändert sich die Wellenlänge, bedingt durch die Veränderung der Energiebandlücke über der Temperatur. Ansteuerung Der einfachste Weg, Mehrfach-LEDs wie Anzeigensegmente anzusteuern, ist, jede einzelne LED über einen Vorwiderstand oder mit einer Stromquell einzeln zu treiben. Man spricht von statischer Ansteuerung, weil der Diodenstrom kontinuierlich fließt. Diese Methode bietet sich zum Ansteuern von wenigen Leuchtdioden an; eine kritische Grenze liegt im Bereich von zweistelligen Siebensegment-Anzeigen. LEDs mit hohem Wirkungsgrad erreichen eine gute Helligkeit bereits bei einem Strom von etwa 2 mA und können direkt von einem Mikrocontroller-Port angesteuert werden. Sobald viele Segmente angesteuert werden müssen, erfordert die statische Ansteuerung eine unökonomisch hohe Anzahl von Treiberausgängen – nämlich einen pro LED! Eine gemultiplexte oder gepulste Ansteuerung reduziert die Anzahl von Anschlüssen, indem nur eine geringe Anzahl von Segmenten, üblicherweise nur genau eines, mittels Auftastimpulsen angesteuert werden. Das Auftasten geschieht bei einer Wiederholrate, die das menschliche Auge bereits als kontinuierliche Ausleuchtung wahrnimmt. Die LEDs müssen jedoch mit einem höheren Strom betrieben werden, um elektronik industrie 10-2002 BAU ELEMENTE Red Cathode Cathode 1 Cathode 2 Cathode 3 Cathode 4 Cathode 5 Cathode 6 Cathode 7 Cathode 8 Common Anode Bild 13: Moderne Leuchtdioden sind oberflächenmontierbar und als Module erhältlich (hier von der Firma Everlight). Bild 14: Anzeigetafeln im Außenbereich setzen meist sog. LED-Cluster ein, die aus vielen verschiedenfarbigen Einzeldioden bestehen. 30 Seg a Seg b Seg c Seg d Seg e Seg f Seg g Seg dp CC Seg a Seg b Seg c Seg d Seg e Seg f Seg g Seg dp CC Anode 1 Anode 2 Anode 3 Anode 4 Anode 5 Anode 6 Anode 7 Anode 8 Common Cathode Bild 12: Der Displaytreiber MAX6951 wechselt die Betriebsart während des Multiplexens. Daher lässt sich die Anzahl der Anschlüsse weiter reduzieren. Die Standardverdrahtung bei der gemultiplexten Ansteuerung arbeitet mit nur einem Anschluss für die gemeinsame Kathode eines jeden Digits, während die Anodensegmente jeweils über alle Digits zusammengefasst sind. Die Anzahl der benötigten Anschlüsse beträgt einer pro Digit plus einer für jedes Segment innerhalb eines Digits. Während des Multiplex-Betriebs wird immer gerade nur ein Digit angesteuert; dies macht man sich zunutze, um weitere Anschlüsse einzusparen. Indem die LED-Treiberanschlüsse die Betriebsart zwischen dem Treiben von Digits und Segmenten wechseln, können n Treiberanschlüsse n Digits mit jeweils n1 Segmenten treiben. Diese Technik wird im LED-Treiber MAX6951 benutzt. Er treibt acht numerische Digits mit nur neun Anschlüssen (Bild 12). Anwendungen für LEDs Blue Cathode Seg a Seg b Seg c Seg d Seg e Seg f Seg g Seg dp CC Segment a Segment b Segment c Segment d Segment e Segment f Segment g Segment dp Cathode 8 Cathode 7 Cathode 6 Cathode 5 Cathode 4 Cathode 3 Cathode 2 Cathode 1 Green Cathode Common Anode Seg a Seg b Seg c Seg d Seg e Seg f Seg g Seg dp CC Seg a Seg b Seg c Seg d Seg e Seg f Seg g Seg dp CC Seg a Seg b Seg c Seg d Seg e Seg f Seg g Seg dp CC Seg a Seg b Seg c Seg d Seg e Seg f Seg g Seg dp CC das reduzierte Tastverhältnis zu kompensieren. Den Vorteil, dass das menschliche Auge teilweise als Integrator und teilweise als Spitzenwert lesendes Photometer arbeitet, macht sich die gepulste Ansteuerung zunutze. Als Ergebnis nimmt das Auge schnell gepulstes Licht irgenwo zwischen maximaler und durchschnittlicher Helligkeit auf. Ein intensiver Puls mit niedrigem Tastverhältnis erscheint heller als ein dem Durchschnitt des gepulsten Signals entsprechendes Gleichstromsignal. Daher ist die Verbesserung der Displayintensität bei gemultiplexter Ansteuerung ein Vorteil bei einer gegebenen, durchschnittlichen Leistungsaufnahme. Der Wirkungsgrad einer LED steigt üblicherweise mit dem Vorwärtsstrom, vorausgesetzt, die Chiptemperatur bleibt konstant. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, daher sollten LED-Datenblätter sorgfältig in Bezug auf den optimalen Spitzenstrom verglichen werden (Bild 11). Bei gemultiplexter Ansteuerung steigen die internen Chiptemperaturen mit dem Treiberstrom. Ab einem bestimmten Punkt bewirkt der Temperaturanstieg einen erhöhten Abfall an Lichtausbeute, der die eigentlich erwünschte, erhöhte Lichtausbeute durch den höheren Strom überwiegt. Ab da kann höherer Treiberstrom sogar einen Rückgang der Lichtstärke bewirken. Seg a Seg b Seg c Seg d Seg e Seg f Seg g Seg dp CC Ti t e l s t o r y Die Herstellprozesse für LEDs änderten sich in den Achtzigerjahren schnell durch Einführung von Typen mit hohen Wirkungsgraden wie GaAlAs- oder InGaAlP-LEDs. Innerhalb kürzester Zeit erreichten Leuchtdioden einige Prozent an Wirkungsgrad, alle Primärfarben (RGB) waren verfügbar, und die Zuverlässigkeit war zumindest genauso gut wie bei anderen Displaytechnologien. Oberflächenmontierbare LEDs sind verfügbar in Einzelfarben (inklusive weiß), zweifarbig (meist rot und grün) und dreifarbig (Bild 13); deren Einsatz schließt Hintergrundbeleuchtung für kleine LCD-Panels, Gerätepanels und Hinweistafeln innerhalb von Gebäuden ein. Hinweistafeln außerhalb von Gebäuden auf LED-Basis arbeiten mit LEDClustern, wo Einzel-LEDs so dicht angeordnet werden, dass die Lichtpunkte sich bündeln und einen Pixel von etwa 25 mm2 erzeugen (Bild 14). Diese Hinweistafeln werden für Werbung oder als Verkehrszeichen eingesetzt. Ein anderer, schnell wachsender Markt ist der Einsatz in Ampeln. Bisher benötigte eine Ampelglühlampe – abhängig von Größe und Farbe – eine Leistung von 75 W bis 150 W und wurden aus Sicherheitsgründen jedes Jahr einmal gewechselt. LED-basierende Leuchtscheiben benötigen nur etwa 7 W bis 15 W und müssen nur alle fünf Jahre ausgetauscht werden. Zukünftige Anwendungen Derzeitige, superhelle LEDs übertreffen die Lichtausbeute von Glüh- und Halogenlampen und müssen weniger gewartet und seltener ausgetauscht werden wie dies bei herkömmlichen Birnen der Fall ist. Weiterhin können LEDs durch Pulsbreitenmodulation oder andere Techniken einfach gedimmt werden. Das Ziel von LED-Entwicklern ist eine extrem helle, weiße Leuchtdiode, die ökonomisch genug ist, um für Hausbeleuchtungen eingesetzt werden zu können. Derzeit besteht bei Hotel- oder auch Firmenbetreibern hohes Interesse an effizienten Beleuchtungskörpern mit hoher Lebensdauer, da nicht nur die Elektrizität für die Beleuchtung ein Kostenfaktor ist, sondern auch der Aufwand für Austausch, Pflege und Wartung von Leuchtkörpern. Maxim 727 Tim Herklots arbeitet bei Maxim Integrated Products in Sunnyvale, Kalifornien als Corporate Application Engineer. elektronik industrie 10-2002