Dioden und LEDs im TestLab

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Eine Halbleiterdiode hat eine p-leitende und eine n-leitende Schicht. Wo sie sich berühren, entsteht eine Sperrschicht. Ein PN-Übergang leitet in einer Richtung und sperrt in der anderen Richtung. Das gilt auch für LEDs, die nur in einer Richtung eingebaut werden müssen, um zu leuchten. Hier soll das Verhalten solcher Dioden genauer untersucht werden. Speziell geht es um die Spannung zwischen beiden Anschlüssen, wenn ein Strom fließt.

Das Verhalten einer Diode wird durch ihre Kennlinie beschrieben. Sie zeigt, dass bis zu einer gewissen Spannung kein Strom fließt, die Stromstärke dann aber exponentiell ansteigt. Im linearen Maßstab gibt es scheinbar einen Knick, der bei Si-Dioden bei ca. 0,5 V liegt und bei LEDs je nach Farbe bei ca. 2 V.



Im logarithmischen Maßstab der Stromstärke sieht man dagegen eine Gerade. Eine normale Si-Diode folgt dem exponentiellen Verlauf  sehr exak tüber viele Dekaden.



Das Verhalten von Dioden soll nun mit dem TestLab untersucht werden. Hier wird eine rote LED mit einem Vorwiderstand von 1 k an vier Ports angeschlossen, die als Eingänge mit internem Pullup-Widerstand geschaltet werden. Die Datenrichtung wird auf Eingang gestellt, Pdir = 0. Wenn nun Pout = 1 gesetzt wird, bleibt der erste Anschluss ein Eingang, gleichzeitig wird aber ein interner Widerstand von ca. 35 kOhm gegen VDD eingeschaltet. So funktioniert das bei allen ATmega-Controllern, andere Typen haben spezielle Kommandos dafür.



Zugleich wird die Spannung an der LED gemessen. Bei einer roten LED lautet das Messergebnis AD0 = 94. Wenn ich Pout = 2 schalte, wird nur der Pullup am nächsten Pin aktiv, aber es fließt der gleiche Strom. Die Helligkeit und die Diodenspannung bleiben gleich. Mit Pout = 3 schalte ich jedoch die Pullups an P0 und P1 ein, der LED-Strom wird also verdoppelt. Die Anzeige ändert sich aber nur um zwei Stufen auf 96, also um ca. 40 mV. Um die Stromstärke noch einmal zu verdoppeln, muss ich alle vier Pullups einschalten, Pout = 15. Die Anzeige springt auf AD0 = 98. Eine Verdoppelung der Stromstärke bringt also jedes Mal die gleiche Erhöhung der Spannung um 40 mV. Der Widerstand mit 1 k verfälscht die Stromstärke kaum, dient aber zum Schutz, falls die Ports einmal versehentlich voll eingeschaltet werden.


 
Man kann den Versuch auch mit der grafischen Anzeige durchführen. Hier sieht man anschaulich, dass die Spannung etwas unter 2 V liegt. Die Stufen waren Pout = 0, 1, 3, 15, also kein Strom, einfacher, doppelter, vierfacher Strom. Auch ohne Strom wird schon eine Spannung gemessen, weil die LED als Fotodiode arbeitet. Danach sieht man zwei gleiche Stufen für jede Verdopplung.



Nun wird statt der LED eine Si-Diode 1N4148 eingesetzt. Die Durchlassspannung ist viel kleiner und liegt nahe 0,6 V. Aber die Stufen sind gleich, die nummerische Anzeige ist AD0 = 28, 30, 32.




Für genauere Untersuchungen braucht man eine einstellbare Spannung. Dafür wird hier der quasi-analoge Ausgang PWM1 verwendet. Das PWM-Signal muss durch ein Tiefpassfilter mit 1 k und 22 µF geglättet werden. Eine zweite Filterstufe säubert das Signal von Resten der PWM-Frequenz.





Die Spannung kann nun über das PWM1-Ausgabefeld oder über den PWM1-Schieberegler beliebig eingestellt werden, hier noch ohne die Diode. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, einen Signalgenerator zu programmieren. Das Beispiel DDS1.pbas bildet einen Generator, der die in einem Datenarray gespeicherte  Kurvenform ausgibt. Im Testlab kann man die Kurvenformen Sinus, Dreieck oder Rechteck vorgeben. Das Programm wurde für diese Messung mit 10 ms pro Ausgabeschritt verlangsamt.

              REM DDS1
0x0400  D = 0
              L1:
0x3A00  A = [B+]
0x4300  PWM1 = A
0x3900  A = D
0x2A00  A = A + B
0x3400  B = A
0x1901  Delay ms = 10
0x2001  Goto L 1:



Hier wurde ein Sinussignal erzeugt. Mit angeschlossener Diode wird die Spannung oberhalb 2 V begrenzt. Die steile Kennlinie der Diode kann dafür eingesetzt werden, ein Spannung zu stabilisieren. Bei kleinen Spannungen fließt praktisch kein Strom, die LED ist dann aus. Man siegt das weiche Aufblinken der LED in den oberen Halbwellen.

 

Für den Vergleich interschiedlicher Dioden ist es sinnvoll, die Messungen im gleichen Diagramm darzustellen. Dazu wurde die Schaltung so geändert, dass der Controller die LEDs nacheinander einschalten kann. Die Ports P0 bis P3 stellen dabei nacheinander die Verbindung zu GND her. Für diese Aufgabe wurde ein eigenes Programm geschrieben, das viermal nacheinander jeweils die PWM-Ausgange linear hochfährt, die Spannung an der jeweiligen LED misst und an den PC sendet.

              Rem 4 LEDs
0x0800  Pout = 0
0x0900  Pdir = 0
0x1000  PWM1 = 0
0x1A02  Delay s = 2
              L1:
0x0901  Pdir = 1
0x043F  D = 63
0x2111  Gosub L2:
0x0902  Pdir = 2
0x043F  D = 63
0x2111  Gosub L2:
0x0904  Pdir = 4
0x043F  D = 63
0x2111  Gosub L2:
0x0908  Pdir = 8
0x043F  D = 63
0x2111  Gosub L2:
0x2004  Goto L1:
              L2:
0x3900  A = D
0x3300  A = Not A
0x3100  A = A Shl B
0x3100  A = A Shl B
0x4300  PWM1 = A
0x1964  Delay ms = 100
0x3C00  A = AD0
0x4200  Print A
0x2611  D*Goto L2:
0x1000  PWM1 = 0
0x1A02  Delay s = 2
0x4800  Return


Für die Darstellung am PC wird diesmal nicht das Oszilloskop verwendet, sondern der Plotter. Damit werden bis zu 250 Messwerte vom Mikrocontroller empfangen und geplottet. Im Ergebnis sieht man eine Messung mit vier LEDs der Farben Rot, Gelb, Blaugrün und Weiß. Die weiße LED ist tatsächlich eine blaue LED mit einer gelblich-weiß fluoreszierenden Bedeckung. Die Spannungen sind ungefähr proportional zur Frequenz der Lichtwellen.

Der Versuch zeigt, warum man eine rote und eine grüne LED nicht einfach parallel schalten kann. Die rote LED würde die Spannung auf ein Niveau begrenzen, bei dem die grüne LED noch nicht leuchtet.




Die Spannung jeder Halbleiterdiode sinkt mit der Temperatur um etwa 2 mV pro Grad. Man kann deshalb eine normale Si-Diode als Temperatursensor einsetzen. Hier wurde eine grüne LED untersucht. Der Kathodenanschluss, auf dem der LED-Kristall sitzt wurde mit dem Lötkolben erhitzt. Die Spannung sank deutlich sichtbar. Gleichzeitig konnte beobachtet werden, dass die Farbe des erzeugten Lichts sich erkennbar in Richtung Gelb verschob. Die Kurve zeigt auch die nachfolgende Abkühlung mit wieder steigender Spannung. Die Spannung sank um bis zu 300 mV ab. Daraus kann geschlossen werden, dass die Temperatur am LED-Kristall zeitweilig um bis zu 150 Grad über der Umgebungstemperatur lag.

Siehe auch: Dioden-Kennlinien

Weitere mögliche Messungen von Bernd
 
Wenn man zwei genaue und bekannte Ströme im Verhältnis 1:10 durch ein BE-Strecke schickt und die Spannung misst, kann man auch die Umgebungstemperatur messen.
 
LED Messung: Zuerst die Uf bei Raumtemperatur. Dann LED Umgebungstemperatur erhöhen und Uf und erhöhte Temp, messen. (Alle Halbleitermessung werden üblicherweise gepulst, um eine Eigenerwärmung zu vermeiden.) Dann wieder bei Raumtemperatur die LED betreiben inkl. Einschaltverhalten und hierbei die Uf (t) messen. Dann kannst Du auf die genaue LED-Chiptempteratur der LED zurückrechnen.
 
Wichtig ist auch der Wärmewiderstand. Es gibt LED Messgeräte, die den zeitlichen Verlauf aufnehmen und den Wärmewiderstand berechnen. Damit werden die Lötstellen und das Wärmepad bei SMD-LEDs geprüft.

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