Unerwartet niedrige LED Flussspannungen in Lichterketten

[Gernstel]

Ich habe gelernt, dass weiße LEDs zumeist aus einer blauen "echten" LED mit einer Flussspannung um 3,0 V und einem gelben Leuchtstoff bestehen, und in selten Fällen aus einer RGB-LED-Kombination.

Seit einiger Zeit tauchen LEDs mit schrecklich niedriger Farbtemperatur um 1600-1700 K auf. Dieses Licht wirkt schon eher braun als weiß. Nähere Angaben dazu gibt es nicht, ich vermute einen eher rötlichen Leuchtstoff als Ursache.

Viel verwunderlicher finde ich aber Lichterketten mit weißen LEDs oder bunt gemischt mit blau leuchtenden LEDs, die bereits ab 2,5 V leuchten, spätestens aber ab 2,7 V.
Das kann keine Raketentechnologie sein, denn die kosten nur wenige Euro. Es ist kein Spannungswandler eingebaut, und selbst bei den bunten Lichterketten sind die LEDs mit allen Farben einfach parallel geschaltet, was früher allein schon wegen der je nach Farbe unterschiedlichen Flussspannungen nicht funktioniert hätte.

Es scheint neue Technologien zu geben. Für Blau wird an Zinkoxid und Zinkselenid geforscht, das wäre preiswert.
Perovskit-LEDs scheinen der neueste Schrei zu sein, aber noch nicht in Produktion.

Wegen der offenbar gleichen Flussspannung in bunten Lichterketten für Blau, Grün, Gelb und Rot und des geringen Preises habe ich noch eine andere Idee: OLED.

Welche Flussspannungen haben denn bitte organische Leuchtdioden?
2...3 V Schwellenspannung nennt https://www.elektronik-kompendium.de/si ... 208011.htm - das würde gut passen.

Ganz informativ, aber ohne zu viele Details ist https://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

Irgendwie geht die Entwicklung weiter, aber die Informationen sind dürftiger als früher.

[ALF2000]

seid ungefaehr 5 jahren gibts leds in rot und gelb, mit.phosphorschicht. dadrunter sitzen normal.blaue leds.

deshalb gibt es auch pink lila etc an farben. alle.gleiche Flussspannung.

aber welcheit 2.7v.... ? es gab mal lidl lichterketten vor zehn Jahren... Warmton leds...aber Flussspannung 2.2V wie die alten gruenen und roten LEDs.

Edit... es gibt einige aussenketten mit 30V trafo, die die LEDs bei geringem Strom halten. um 1....5mA..evtl hast du sowas? die.LEDs koennen aber auch nicht mehr als 5mA. auch schon gehabt...

[uxlaxel]

ich habe vor rund 10 jahren bereits flussspannungen um die 1,2V für weiße LEDs in ein-euro-lichterketten gehabt. da hingen paar LED einfach parallel an einer LR6 mit einem gemeinsamen vorwiderstand.

spannungen, wie wir sie mal gewohnt waren, sind schall und rauch. auch sind diese billigen LEDs auch lange nicht mehr so sauber in der flussspannung, wie es früher der fall war, wo eine LED schon mal behelfsmäßig als zenerdiode verpopelt werden konnte.

lg axel

[Gernstel]

Vielen Dank!

Also bei 2,5 V gibt es erstes Licht, bei 2,7 V fließen 2 mA je LED, es wird ordentlich hell (bei rund 120 mW Gesamtleistung) und der Strom steigt steil an bei weiterer Spannungserhöhung.

Licht aus weißen LED bei 2,2 V finde ich schon beachtlich und bei 1,2 V geradezu unfassbar. Axel, wenn Du die Lichterkette noch hast, analysier die bitte einmal. Ich hatte auch schon welche mit eingebautem Spannungswandler und kann mir 1,2 V gar nicht vorstellen. Solche LEDs hätte ich gerne.

[MatthiasK]

Die Mindestspannung, die eine LED braucht, kann man ganz einfach ausrechnen. Man braucht nur die Frequenz der Aussendung ein paar Naturkonstanten (c= 299792458 m/s, e=1.602176634e-19 C, h=6.62607015e-34 J s).

U*e=h*f
mit f=c/lambda

Einsetzen und umstellen:
U=(h*c)/(lambda*e)

(VAs2 * m/s) / (m*As)
Ein paar Werte:
650nm => 1,91V
600nm => 2,07V
550nm => 2,25V
500nm => 2,48V
450nm => 2,76V
400nm => 3,10V

Mit geringeren Spannungen reicht die Energie für den Quantensprung nicht und es können keine geeigneten Photonen gebildet werden. Wenn man jetzt nur 2V zur Verfügung hat und blaue Photonen braucht, muss man sie über thermisches Rauschen + Filter erzeugen, also eine Glühlampe mit Farblack.

[ferdimh]

Die notwendige Bandlücke ist NICHT die Mindestspannung (auch wenn das in Wikipedia so steht)!
Sonst würde eine Si-Diode auch erst bei 1,2V leiten.

Die Thermische Bewegung hilft stets mit, so dass die notwendige Flusspannung immer um ca. 0,5V unter der realen Bandlücke liegt (das gilt auch für Si-Dioden).
Auch die exponentielle Charakteristik einer Diode kommt von der Energieverteilung der einzelnen Teilchen: Man sieht nur den letzten Ausläufer der Geschwindigkeitsverteilung (der exponentiell abklingt). Bei geringen Stromdichten kann die Spannung auch geringer werden, so kriegt man durch einen 50A-Si-Gleichrichter auch schon bei 0,4V messbaren Strom durch.

Von daher ist eine blaue LED mit einer Betriebsspannung ab etwa 2,4V denkbar.
Siehe hierzu auch dieses Bild aus dem Wiki:

Dieses wurde zwar angeführt, um zu zeigen, dass die LED an 2,4V nicht leuchtet, aber real zeigt es das Gegenteil:
Wir etikettieren diese LED um, und schreiben "Max. 20mA" drauf.
Jetzt sehen wir, dass dieser bei 2,5V erreicht wird. Bei 2,4V wird schon deutlich messbarer (und sichtbarer!) Strom fließen. Damit die blaue LED die Netzhaut wegätzt, braucht sie auch nur einige 100µA.

Legen wir die Wellenlänge jetzt noch etwas weiter in Richtung "schönes Blau", sinkt die Flussspannung weiter.

[Gernstel]

Zu Herrn Planck bzw. der Lücke addiert bzw. subtrahiert sich also noch thermische Zittern der Elektronen.

Tatsächlich gibt es bei der bunten Lichterkette erstes Aufglimmen aller Farben inklusive Blau bereits ab 2,2 V. Bei 2,5 V wird es hell, dann fließen je LED ca. 100 µA.
Die Parallelschaltung verschiedenfarbiger LEDs ohne Vorwiderstände, also alle an konstanter Spannung, würde auf einen identischen Chip hindeuten und irgendeine Art der Farbmischung/Farbänderung mit Leuchtstoffen und evtl. noch Filtern.

[ferdimh]

Oder der Vorwiderstand ist im Chip integriert - Entweder durch gezielt suboptimale Positionierung der Kontakte oder sogar durch Integrieren einre JFET-Konstantstromquelle. Die müsste auf auf "Leuchtmaterial" realisierbar sein.
Hier kommt jetzt noch eine interessante Frage:
Leuchten eigentlich FETs aus direkten Halbleitermaterialien (bei Bipolartransistoren leuchtet mindestens die B-E-Strecke, der Kollektorstrom sollte mangels Rekombination eigentlich kein Licht verursachen)? Gibts GaAs-Transen und FETs im Metallgehäuse (das man aufsägen kann)?

[MatthiasK]

Wenn die halbe Leiter durch ausreichend Temperatur eine niedrigere Flussspannung bekommt, reicht es nicht mehr für hochenergetische Photonen. Die Temperatur kann man auch durch Strom erreichen, bei 2A leuchtet eine normale grüne LED rot. Und Si-Dioden leuchten gar nicht - außer sie werden extrem zu heiß und erzeugen thermisches Rauschen bis um die 500THz, aber dann haben sie auch um die 500°C und sind defekt.

[Gernstel]

Bei integrierten Vorwiderständen und unterschiedlichen LED-Chips würde ich beim langsamen Erhöhen der Spannung ein erstes Aufleuchten von Rot bei 1,6 V, dann Gelb, Grün und Blau erwarten, aber nicht simultan bei 2,2 V. Und bei so niedrigen Spannungen/Strömen wären Konstantstromquellen noch nicht im Regelbereich. Ich gehe schon von elektrisch identischen Chip-Technologien aus.

FETs gibt es einige im TO-18-Gehäuse wie 2N4091, 2N4391.

Die Technik wird sowieso immer unbegreiflicher. Wenn jetzt Chips mit 2 nm Strukturbreite entwickelt werden, entspricht das doch sieben Si-Atomen in der Breite, die den Stromfluss in einer solchen Struktur tragen müssen. Und wenn der Strom über die Dotierung springt, und ich mal 5% Dotierung annehme, dann läge ja erst nach drei Si-Atomen ein Dotierungsatom im Strompfad. Also wenn Atome unteilbar und verankert in einer Kristallstruktur liegen, dann ist das reichlich schwer vorstellbar für mich.

[ferdimh]

Wir brauchen halt FETs aus GaAs oder GaN (oder SiC).
Silizium kann nicht leuchten. Daws ist was mit Wellenvektoren und Übergängen und Zeug. Das kann vielleicht jemand erklären, der es nicht nur studiert, sondern auch verstanden hat...

von 2nm Strukturbreite sind wir noch WEIT weg - und 5% Dotierung sind auch völlig unrealistisch. das ist weit unter 1 Promille.
Das funktioniert auch nur, weil sich der Kram dreidimensional verteilt, und weil diese Digitaltransistoren wirklcih nichts können müssen außer "irgendwie leiten" und "irgendwie nicht leiten".
Schon die Isolation durch Diodenstrecken klappt nicht mehr wirklich, weswegen sich man mit SOI (also Silicon on Insulator), faktisch einem Glassubstrat behilft.

[Desinfector]

Bei den Batteriedingern bildet die (kalte) Batterie den Vorwiderstand.

[nero]

sondern auch verstanden hat...

Ein Prof meinte mal: "Sie werden das nicht verstehen, aber sie gewöhnen sich daran".

Der wusste von was er sprach. War Viele Jahre in der Halbleiterenticklung bis Siemens 8% Ziele ausgegeben hat.


Zum Thema:
Es gibt mittlerweile viele Möglichkeiten Dinge Leuchten zu lassen. Auf einem LED Chip könnte auch eine viele Transistor große Schaltung untergebracht sein. Neuartige Leuchtstoffe....
Bei den Lichterketten würde ich in die Richtung suchen was am billigsten herstellbar ist.

[Fritzler]

Die Technik wird sowieso immer unbegreiflicher. Wenn jetzt Chips mit 2 nm Strukturbreite entwickelt werden, entspricht das doch sieben Si-Atomen in der Breite, die den Stromfluss in einer solchen Struktur tragen müssen. Und wenn der Strom über die Dotierung springt, und ich mal 5% Dotierung annehme, dann läge ja erst nach drei Si-Atomen ein Dotierungsatom im Strompfad. Also wenn Atome unteilbar und verankert in einer Kristallstruktur liegen, dann ist das reichlich schwer vorstellbar für mich.

Die nm Angaben sind nurnoch Marketing!
Es machen aber alle Halbleiterhersteller mit wie TSMC, Intel, Samsung etc.
Bei TSMC hat man so langsam begriffen, das die nm Angabe etwas sinnlos geworden ist und die neuen Prozesse heißen jetzt: N6, N5, N3, etc.

Hier mal die reelle Strukturbreite von 14nm Intel und 7nm AMD (TSMC):
Teil1: https://www.youtube.com/watch?v=z8l3FrcVp7A
Teil2: https://www.youtube.com/watch?v=uXu_1zXOZdY
Teil3: https://www.youtube.com/watch?v=_wAeL3f3iV4 <- hier wirds erklärt

Ältere Serie, nur Intel:
Teil1: https://www.youtube.com/watch?v=eEfdUW06P98
Teil2: https://www.youtube.com/watch?v=HXBUVXwrYZw
Teil3: https://www.youtube.com/watch?v=Agaoo-1MEHI

Zum Thema:
Es wurde ja schon viel rchtiges zu geschrieben, daher nur zusammenfassend.
Das was man als die Flussspannung für Farbe x kennt ist meist die Spannung für ~20mA Stromfluss.
Alte LEDs leuchteten dann gemütlich vor sich hin.
Neue LEDs sind allerdings so effiziennt, dass es einem dann die AUgen wegbrnnt und daher geht man mit der Spannung runter, denn der Strom tuts dann auch.

Bei mir im Flur hängt sone "10V" 10W weiße LED vom Chinamann über 4,7k am 12V NT des Servers.
Leuchtet hell genug um sich nich den Zeh an der Badtür zu zertrümmern.