Bei Leuchtdioden (light emitting diode, LED) (siehe auch S. 36 und Abb. 39.1) läuft der zur Solarzelle umgekehrte Vorgang ab. Fließt durch die Diode elektrischer Strom, so strahlt die Diode in Abhängigkeit von Material und Dotierung Licht in unterschiedlichen Wellenlängen aus. LEDs werden als Anzeigeelemente und als Leuchtmittel (Raum- oder Straßenbeleuchtung, Fahrradlichter, …) eingesetzt. Außerdem werden LEDs zur Hintergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen verwendet. LED-Lampen: Früher dominierten im Wohnbereich elektrische Glühbirnen als Leuchtmittel. Mit dem kontinuierlichen Spektrum des metallischen Glühfadens war eine gute Wiedergabe aller Farben möglich. Allerdings wurden im Betrieb nur etwa 5 % der Energie in Licht, aber 95 % in Wärme umgewandelt (Wirkungsgrad = 5 %). Daher dürfen diese Lampen (außer Restbestände) seit 2012 EU-weit nicht mehr verkauft werden. Energiesparlampen waren ein kurzfristiger Ersatz, jedoch enthalten sie Spuren von Quecksilber und können dadurch die Umwelt schädigen. Lange Zeit gab es nur rote und grüne LEDs. Durch die Entwicklung leistungsstarker blauer LEDs – wofür im Herbst 2014 drei japanische Forscher den Nobelpreis erhielten – wurden kompakte LED-Lampen mit guter Farbwiedergabe möglich. Für die gleiche Lichtleistung benötigen sie derzeit etwa nur 15 % des elektrischen Leistungsbedarfs von Glühlampen. Im Gegensatz zu Energiesparlampen sind LEDs (genauso wie Glühbirnen) frei von Quecksilber. Fernbedienungen (für Fernseher, Musikanlagen, …) sind Beispiele optoelektronischer Übertragung von Signalen über kurze Distanzen. In Museen ermöglichen aufgestellte Infrarotsender zusammen mit Kopfhörern und tragbaren Empfängern individuelle Führungen (Audioguides). Für die Nachrichtenübermittlung über weite Distanzen bieten sich Glasfasern an. Dabei wird das Signal mittels LED oder Laser eingespeist und mit Photodioden empfangen. Die Signaldämpfung ist gering, Verstärker sind nur etwa alle 200 km notwendig, Signale werden durch elektrische Impulse (z. B. Gewitter) nicht gestört, und es können über eine Glasfaser mit einem Durchmesser von 0,1 mm gleichzeitig 100 000 Telefongespräche laufen (1 g Glasfaser ersetzt bis zu 100 kg Kupferkabel). Die Vernetzung von Computern erfolgt meist mit Glasfaserkabeln, da störungsfrei große Datenmengen (100 Gbit/s) übertragen werden können. 39.1 Aufbau einer LED. Die Kathode (−) ist durch den kürzeren Anschlussdraht gekennzeichnet. ausgesendetes Licht Golddraht Halbleiterkristall Reflektorwanne Kunststoffgehäuse Anode Kathode 39.2 Komponenten einer Digitalkamera LCD-Monitor Blitzlicht Objektiv Platine für Signalverarbeitung Platine für die Optik Bildsensor (CCD) Speichermedium Batterie Auslöser Autofokusmotor Motor (Verschluss) USB-Anschluss Infrarot-Schärfesensor Datenkabel 39.3 Ein Bildsensor, wie er für astronomische Aufnahmen verwendet wird. 39.4 Bildsensoren beim digitalen Fotografieren arbeiten nach dem Konzept der so genannten Bayer-Matrix. Da die lichtempfindlichen Zellen einer einzelnen Fotozelle auf dem Halbleiter nur Helligkeitswerte erfassen können, wird – um Farbinformationen zu erhalten – vor jeder einzelnen Zelle ein winziger Farbfilter in einer der drei Grundfarben aufgebracht. Sensor Farbfilter Mikrolinsen sichtbares Licht Digitale Bilder: Fotografieren mit Sensor und Speicherkarte Ob mit Fotoapparat oder Handy, die digitale Aufnahme von Bildern und Filmen hat in den letzten Jahren die früher übliche analoge Fotografie fast gänzlich abgelöst. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass Digitalkameras (39.2) anstatt eines Films einen elektronischen Bildsensor und ein digitales Speichermedium besitzen und daher mit ihnen nahezu unbegrenzt viele Fotos gemacht werden können. Bildsensoren (39.3) sind lichtempfindliche elektronische Bauelemente, die aus dotierten Halbleitern bestehen. Über dem Halbleiter liegt eine durchsichtige, elektrisch isolierende Schicht, auf der eine Matrix aus winzigen Fotodioden aufgebracht ist. Das einfallende Licht setzt Elektronen frei, deren Anzahl proportional zur Lichtintensität ist (vgl. Funktionsweise Photodiode). Die Helligkeit eines Bildes lässt sich also aus der aufgebauten Spannung bestimmen. Der Bildsensor liefert demnach das Rohmaterial eines digitalen Bildes, die so genannten Pixel (picture elements). Je nachdem, wie viele lichtempfindliche Dioden auf einem Sensor angebracht sind, wird das Bild gröber oder feiner in Pixel aufgeteilt. Die Farben eines Bildes werden mittels vorgesetzter Filter ermittelt. Pro Pixel erfasst die Kamera die Primärfarben Rot, Grün und Blau und errechnet aus dieser Information und denen der Nachbarpixel den Gesamtfarbwert des Bildpunktes (39.4). Die Bilddaten werden entweder in einem fest eingebauten internen Speicher oder auf einem wechselbaren Speichermedium gespeichert. Von diesen Medien können die gespeicherten Daten dann auf einen Computer übertragen werden. Die in großer Vielfalt angebotenen Digitalkameras unterscheiden sich vor allem in ihren Eigenschaften: Bedienung, Abmessung, Gewicht, Systemgeschwindigkeit, Lichtstärke des Objektivs, Zoom, Akku-Art, Speichermedium oder Zusatzfunktionen wie Panoramabildaufnahmen, Videofunktion oder dergleichen. Zudem können die geografischen Koordinaten des Aufnahmestandorts direkt beim Fotografieren mittels eines GPS-Empfängers bestimmt und mit dem Bild gespeichert werden („Geotagging“). 39 Erweiterung 3 Halbleiter Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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