Treiberlösungen für LEDs Ansteuerung von LEDs: Auf die richtige Stromversorgung kommt es an

Autor / Redakteur: Dr. Michael Würkner und Shane Callanan * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der Treiberbaustein versorgt die LED mit der notwendigen Energie. Bei der Wahl der Treiberlösung soll die LED mit der größtmöglichen Effizienz betrieben werden.

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LEDs ansteuern: Welche Stromversorgung eignet sich für meine Beleuchtungslösung?
LEDs ansteuern: Welche Stromversorgung eignet sich für meine Beleuchtungslösung?
(Cree)

Mit hohem Tempo erfolgt derzeit in vielen Beleuchtungs-Anwendungen der Ersatz konventioneller Leuchtstoff- oder Glühlampen durch LEDs. Anders als althergebrachte Leuchtmittel lassen sich LEDs nicht direkt an die Netzspannung anschließen.Wir gehen zunächst auf die wichtigsten Eigenschaften von LEDs ein und beschreiben, wie LEDs angesteuert werden müssen und wie man die richtige Stromversorgung findet.

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CompuMess als Partner von LED-Netzteilen

Seit 20 Jahren liegt die Kompetenz von CompuMess Elektronik (www.compumess.de) in der Stromversorgung und der Messtechnik. Zum Produktprogramm gehören AC/DC-Netzteile und DC/DC-Wandler für den OEM-Einsatz. Unterstützt werden Kunden bei Entwicklungsentscheidungen mit technischem Know-how und Produktqualität. In Deutschland vertreibt CompuMess seit 10 Jahren AC/DC- und LED-Netzteile des irischen Herstellers Excelsys.

Ebenso wie herkömmliche Dioden bestehen LEDs aus Halbleitermaterial, das dotiert, also gezielt mit Unreinheiten versehen wird, um eine pn-Sperrschicht (positiv/negativ) herzustellen. Während ein Stromfluss von der p-Seite (Anode) zur n-Seite (Kathode) problemlos möglich ist, sperrt die LED in der umgekehrten Richtung.

Elektronen und Löcher – die Energiedifferenz

Befindet sich die LED in einem Stromkreis, der von einer externen Stromquelle gespeist wird, so fließt ein Strom. Ladungsträger (Elektronen und Löcher) fließen dabei aus den Elektroden der LED, die sich auf unterschiedlichem Potenzial befinden, in die erwähnte Sperrschicht. Elektronen und Löcher sind durch eine als Bandlücke bezeichnete Energiedifferenz getrennt. Trifft ein Elektron auf ein Loch, so fällt es vom höheren auf das niedrigere Energieband, wobei die der Breite der Bandlücke entsprechende Energie in Form eines Photons freigesetzt wird.

Die Bandlücken-Energie gezielt festlegen

Die Wellenlänge des Photons richtet sich nach der Energie der Bandlücke, wobei die folgende Gleichung gilt:

In der Formel bedeuten: E die Bandlücken-Energie, h das Plancksche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit. Bei der Herstellung einer LED können die Bandlücken-Energie und damit die Wellenlänge bzw. Farbe gezielt festgelegt werden. Dabei helfen unterschiedlich starke Dotierungen, indem die Zusammensetzung des Halbleitermaterials genau kontrolliert wird. Das Einbringen von mehr Unreinheiten verringert die Bandlücken-Energie und verlängert gleichzeitig die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts.

Die Bandlücken-Energie einer LED ändert sich auch in Abhängigkeit von der Temperatur. Das Ausmaß dieser Änderung lässt sich mit der Varshni-Formel vorhersagen, die auf empirisch gemessenen Werten beruht. Der Zusammenhang wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

Es bedeuten: Eg die Bandlücken-Energie, T die Temperatur (in K) und α, β die Varshni-Parameter. Die Parameter α und β sind für eine bestimmte LEDs konstant. Deshalb nimmt die Bandlücken-Energie der LED mit steigender Temperatur geringfügig ab. Wie bereits gezeigt, nimmt mit abnehmender Bandlücken-Energie die Wellenlänge des emittierten Lichts zu, sodass sich die Lichtfarbe ändert. Man bezeichnet das als temperaturabhängige Spektralverschiebung.

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Die Performance-Eigenschaften von LEDs

Die Strom-Spannungs-Kennlinie einer LED in Durchlassrichtung wird von der Shockley-Gleichung beschrieben:

Darin sind ID der Strom in Durchlassrichtung, IS der Sättigungsstrom in Sperrrichtung (Sperrstrom der Diode), VD die Spannung in Durchlassrichtung (Flussspannung der Diode), n der Idealitätsfaktor der Diode, VT die Temperaturspannung, k die Boltzmann-Konstante, q die Elementarladung und T die Temperatur. Aus der Shockley-Gleichung lässt sich ebenfalls entnehmen, dass die Flussspannung einer LED temperaturabhängig ist. Bei konstantem Diodenstrom ID nimmt die Flussspannung VD einer LED jedoch mit zunehmender Temperatur ab. Das liegt daran, dass der Sättigungsstrom IS ebenfalls temperaturabhängig ist. Er lässt sich mithilfe der folgenden Gleichung abschätzen:

Aus den empirischen Daten der Strahlungsfluss-Strom-Kennlinie (Bild 3) und der Strahlungsfluss-Temperatur-Kennlinie (Bild 4) einer LED lassen sich zwei wichtige Schlüsse ziehen.

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