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Halbleiterdioden gehören zu den wichtigsten elektronischen Bauteilen. Sie treten in der Regel ganz am Anfang des Weges zur elektronischen Meisterschaft auf. Im Allgemeinen weiß jeder, wie eine Diode aussieht, aber wenn man nach ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise fragt, hat man oft ein großes Fragezeichen im Kopf.
Wie funktioniert eine Diode?
Dioden funktionieren nach dem Prinzip der Elektrolumineszenz, also der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht. Es ist ganz einfach: Wenn elektrischer Strom durch bestimmte Materialien fließt, darunter unsere Halbleiterdioden, wird Licht emittiert.
Bei Halbleiterdioden findet die Elektrolumineszenz im Sperrschichtbereich zwischen zwei Schichten mit entgegengesetzten Leitfähigkeiten statt. Wenn eine Spannung über dem Schwellenwert an die Diode angelegt wird, beginnen die Ladungsträger (Elektronen und Löcher), den Barrierebereich zu durchqueren. Bei diesem Vorgang wird elektrische Energie freigesetzt und Licht mit einer bestimmten Wellenlänge ausgesendet.
Diese Spannungsschwelle, die Sie hier später noch antreffen werden, ist der Wert, bei dem ein signifikanter Stromfluss durch die Diode auftritt. Sie hängt in der Regel von der Art der LED ab, so dass z. B. LED verschiedener Farben – rot, grün oder blau – können unterschiedliche Schwellenspannungswerte haben.
Im Normalzustand befindet sich die Diode in einem Widerstandszustand, das heißt, sie leitet keinen Strom. Wenn man die Diode jedoch in der richtigen Weise an eine externe Spannungsquelle anschließt, kann sie eingeschaltet werden und Strom fließen lassen. In einer Diode fließt der Strom nur in eine Richtung – in die entgegengesetzte Richtung. Das bedeutet, dass Strom von der n-Typ-Schicht zur p-Typ-Schicht fließen kann, aber nicht umgekehrt. Wenn die angelegte Spannung größer ist als die so genannte Schwellenspannung der Diode, beginnt sie, Strom zu leiten.
Aufbau der Diode
Wie eine Diode aufgebaut ist, ist für das Verständnis ihrer Funktionsweise von grundlegender Bedeutung. Das Grundelement einer Diode ist ein Halbleiter, der in der Regel aus Silizium oder Germanium besteht. Ein solcher Halbleiter hat zwei Schichten:
- eine p-Typ-Schicht, die von positiven Ladungsträgern (Löchern) dominiert wird,
- die n-Typ-Schicht, die von negativen Ladungsträgern (Elektronen) dominiert wird.
Der Punkt, an dem diese beiden Schichten aufeinandertreffen, wird als Barrierebereich bezeichnet. In diesem Bereich gibt es keine Ladungsträger (er leitet keinen Strom). Alles beginnt damit, dass die externe Spannung in der richtigen Weise angelegt wird. Indem die Anode der Diode (p-Typ-Schicht) mit dem Pluspol der Spannungsquelle und die Kathode der Diode (n-Typ-Schicht) mit dem Minuspol verbunden wird, kehrt die externe Spannung die Polarität der Diode um und bewirkt einen Stromfluss.
Es ist wichtig, daran zu denken, dass Dioden gepolt sind, was bedeutet, dass man sie in einem Stromkreis richtig anschließen muss, damit sie richtig funktionieren. Eine umgekehrte Polarität, d. h. ein verkehrter Anschluss der Diode, kann zu einer mangelnden Leitfähigkeit oder einer Beschädigung der Diode führen.
Wie wähle ich eine Diode aus?
Um eine Diode richtig auszuwählen, muss man ihre grundlegenden Parameter kennen und den Unterschied zwischen ihren Eigenschaften unter Berücksichtigung der vorgesehenen Anwendung verstehen. Die Wahl der Diode hängt also von der jeweiligen Anwendung ab. Hier sind einige Faktoren.
- Die bereits bekannte Durchlassspannung oder Schwellenspannung. Sie bestimmt die Mindestspannung, die an die Diode angelegt werden muss, damit sie Strom zu leiten beginnt. Je nach Anwendung muss bei der Wahl der Diode diese Spannung berücksichtigt werden.
- Konduktionsstrom. Bestimmt den maximalen Strom, den die Diode ohne Schaden leiten kann. Bei der Wahl der Diode sollte der maximale Strom berücksichtigt werden, der für die Schaltung erforderlich ist. Technische Daten und Strommessungen mit einem Multimeter helfen. Dies ist ein sehr wichtiger Punkt – alle Schaltungskomponenten wie Transistoren oder Widerstände, die für maximalen Strom ausgelegt sind, sind hier wichtig.
- Reaktionszeit. Bei einigen Anwendungen, insbesondere bei der optischen Kommunikation und bei der Signalgebung, ist es wichtig, dass die Diode eine kurze Ansprechzeit hat, d. h. eine geeignete Ein- und Ausschaltrate.
- Lichteigenschaften. Wenn die Diode als Lichtquelle und nicht nur als Teil einer nicht spezifizierten Schaltung verwendet werden soll, ist es sinnvoll, ihre Leuchteigenschaften, d. h. Lichtspektrum und Helligkeit, zu berücksichtigen.
- Temperatur. Hohe Temperaturen können die Leistung der Diode beeinträchtigen, daher ist es wichtig, eine Diode zu wählen, die der Betriebstemperatur der Umgebung standhält. Die immer beliebter werdende Installation von LEDs in der Küche oder im Bad hat ihre Nachteile: Man möchte nicht, dass der Dampf vom häufig benutzten Herd oder der Spüle zu ihnen aufsteigt, was auf lange Sicht auch die Leuchte selbst beschädigt.
Lichteigenschaften einer Diode - was hat es damit auf sich?
Ein Begriff, auf den wir bei der Suche nach den bestmöglichen Dioden im Geschäft stoßen. Er wird oft von einer grafischen Darstellung des Verhältnisses zwischen dem durch die Diode fließenden Strom und der Intensität des von ihr abgegebenen Lichts begleitet – so etwas wie ein farbkodiertes Diagramm mit der Energieeffizienz von Kühlschränken. Dies ist ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl von LEDs für verschiedene Anwendungen im Haushalt, im Büro oder in der Werkstatt.
Die Leuchteigenschaften einer Diode werden in der Regel in einem Diagramm dargestellt, wobei auf der horizontalen Achse der Strom, in der Regel in Ampere, und auf der vertikalen Achse die Helligkeit des Lichts, in der Regel in Lumen und etwas seltener in Candela (cd), angegeben wird. Diese Grafik zeigt, wie sich die LED unter verschiedenen Betriebsbedingungen verhält. Beachten Sie die Mindestspannung, bei der die Diode zu leuchten beginnt. Unterhalb dieser Spannung verhält sich die Diode wie ein normales Halbleiterelement und sendet kein Licht aus. Je größer der Strom ist, der durch die Diode fließt, desto heller ist sie. Die Leuchtcharakteristik gibt an, wie sich die Helligkeit mit dem Strom verändert. Wir wiederholen die Warnung, dass die Diode überhitzt und ausfällt, wenn der Strom zu hoch ist. Die Leuchteigenschaften können bzw. sollten Informationen über die Lichtausbeute der Diode enthalten, d. h. die Menge des ausgestrahlten Lichts im Verhältnis zum verbrauchten Strom. Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet eine höhere Energieabgabe der Diode.
Welche Dioden für den Haushalt wählen?
Wahrscheinlich die am häufigsten gestellte Frage – schade, dass sie so allgemein gehalten ist, aber auch hier kann man Ratschläge geben. Legen Sie zunächst fest, für welchen Zweck Sie die LEDs in Ihrem Haus benötigen. Möchten Sie sie als Allgemeinbeleuchtung, dekorative Beleuchtung oder als Spotbeleuchtung installieren? Oder geht es um die Beleuchtung von Möbeln oder Regalen? Die Wahl der LEDs hängt von der Art der Beleuchtung ab, die Sie realisieren wollen. Überlegen Sie, wie intensiv die Beleuchtung im Raum sein soll. Die Helligkeit von LEDs wird in der Regel in Lumen (lm) gemessen. Je höher der Lumenwert, desto heller ist das Licht, das die LED ausstrahlt. Wählen Sie LEDs mit der richtigen Helligkeit, um die Beleuchtung an Ihre Bedürfnisse anzupassen. Bei der Farbe des Lichts können Sie Ihrer Fantasie freien Lauf lassen, denn LEDs gibt es in verschiedenen Farben wie Warmweiß, Neutralweiß, Kaltweiß, Rot, Blau oder Grün. Wählen Sie die Lichtfarbe, die am besten zum Ambiente und dem Stil passt, den Sie für den Raum wünschen.
Es wird davon ausgegangen, dass LEDs mit neutralen oder warmen Farben visuell nicht ermüdend sind. Warmes Weiß (Farbbereich 2700K bis 3000K) ähnelt traditionellen Glühbirnen mit einem gelblichen Farbton. Sie strahlen ein angenehmes, warmes Licht aus, das häufig zur Beleuchtung von Wohn-, Schlaf- oder Wohnzimmern verwendet wird.
Neutralweiß (Farbbereich 3500K bis 4500K) ist dem natürlichen Tageslicht ähnlicher. Es strahlt daher neutralweißes Licht aus und wird häufig an Arbeitsplätzen, in Büros, Küchen oder Bädern eingesetzt.
Kalte Weißtöne über 5000K sind bläulicher und intensiver. Sie strahlen ein kühles, helles Licht aus und werden häufig in Bereichen eingesetzt, die eine gute Beleuchtung erfordern, z. B. in Lagerhallen, Parkhäusern und bei der Außenbeleuchtung. Blaues Licht hat jedoch den Nachteil, dass es die Augen ermüdet, vor allem bei längerem Gebrauch in einer häuslichen Umgebung.
