Eigenschaften
Spektrum einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode.
RGB-SMD-LED
Spektrale Charakteristik
Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine thermischen Strahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von LEDs für allgemeine Beleuchtungszwecke (siehe den Abschnitt LED-Leuchtmittel) werden meist blaue LEDs mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.
Lange Zeit konnten LEDs nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner LEDs war für Verkehrsampeln wegen der fehlenden Technologie für die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück. Die Massenproduktion blaugrüner und in Folge blauer LEDs begann im Jahr 1993.
Elektrische Eigenschaften
Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe unten), die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung stellt sich durch Betrieb an Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuungen und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig angenähert in Form eines Vorwiderstandes) ist daher zwingend. Direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist nicht möglich, da der Arbeitspunkt nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterie-Leuchten betreiben LEDs direkt an Primärzellen – hier verlässt man sich auf einen ausreichend hohen Innenwiderstand der beigelegten Batterien.
Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute durch Optimierungen des Halbleitermaterials und der Geometrie von Halbleiterkristall und Gehäuse erhöht. Dies ermöglichte ab etwa den 1990er Jahren, LEDs mit sehr kleinem Strom zu betreiben (Low-current-LEDs) und dennoch eine sinnvolle Helligkeit zu erzielen.
Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung Uf (für englisch forward voltage) hängt von der Lichtfarbe ab und liegt zwischen 1,3 V (Infrarot-LED) und etwa 4 V (InGaN-LED, grün, blau, weiß, Ultraviolett[2]). Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel nur 5 Volt.
LEDs lassen sich über den Betriebsstrom sehr schnell (bis weit über 100 MHz) schalten und modulieren. Die hohe Modulationsgeschwindigkeit der LEDs ist beim Einsatz in der Optoelektronik (Optokoppler, Datenübertragung über Lichtleiter bzw. -Kabel aus Kunststoffen oder Glasfasern sowie Freifeld-Infrarotstrahlung) wichtig.
Richtungsabhängigkeit der Strahlungsleistung
Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkappt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen hauptsächlich zur Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall. Er setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt somit die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren, bestimmbaren Raumwinkel. Da Glas in der Regel eine höhere Brechzahl als Kunststoff und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt werden. Das nicht entspiegelte Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa 10 %, auch weil es den Kristall nicht direkt berührt.
Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel.
Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel mit der Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind mehrere Leuchtdioden notwendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende von der Kugelkalotte abgeleitete Gleichung genutzt werden.
Beispiel: Um eine starke 360°-Lampe mit einer Farbtemperatur von ungefähr 5000 K mit Leuchtdioden (Parameter: 55° Öffnungswinkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm ≈ 50 lm/W) zu realisieren, sind 18 Leuchtdioden notwendig (eine LED mit 55° Öffnungswinkel beleuchtet ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2880 Lumen, der eine Leistungsaufnahme von 54 Watt besitzt. Dieser Lichtstrom ist vergleichbar mit dem einer 300-Watt-Glühlampe.
Alterung
Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute auf die Hälfte des Anfangswertes abgesunken ist. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Die angegebene Lebensdauer reicht von vielen tausend Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu gut über 100.000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs.
Die Alterung der LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus Silikongummi gefertigt, wodurch eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erzielt wird, was etwa 11,5 Jahren Dauerbetrieb entspricht.
Spektrum einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode.
RGB-SMD-LED
Spektrale Charakteristik
Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine thermischen Strahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von LEDs für allgemeine Beleuchtungszwecke (siehe den Abschnitt LED-Leuchtmittel) werden meist blaue LEDs mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.
Lange Zeit konnten LEDs nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner LEDs war für Verkehrsampeln wegen der fehlenden Technologie für die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück. Die Massenproduktion blaugrüner und in Folge blauer LEDs begann im Jahr 1993.
Elektrische Eigenschaften
Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe unten), die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung stellt sich durch Betrieb an Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuungen und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig angenähert in Form eines Vorwiderstandes) ist daher zwingend. Direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist nicht möglich, da der Arbeitspunkt nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterie-Leuchten betreiben LEDs direkt an Primärzellen – hier verlässt man sich auf einen ausreichend hohen Innenwiderstand der beigelegten Batterien.
Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute durch Optimierungen des Halbleitermaterials und der Geometrie von Halbleiterkristall und Gehäuse erhöht. Dies ermöglichte ab etwa den 1990er Jahren, LEDs mit sehr kleinem Strom zu betreiben (Low-current-LEDs) und dennoch eine sinnvolle Helligkeit zu erzielen.
Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung Uf (für englisch forward voltage) hängt von der Lichtfarbe ab und liegt zwischen 1,3 V (Infrarot-LED) und etwa 4 V (InGaN-LED, grün, blau, weiß, Ultraviolett[2]). Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel nur 5 Volt.
LEDs lassen sich über den Betriebsstrom sehr schnell (bis weit über 100 MHz) schalten und modulieren. Die hohe Modulationsgeschwindigkeit der LEDs ist beim Einsatz in der Optoelektronik (Optokoppler, Datenübertragung über Lichtleiter bzw. -Kabel aus Kunststoffen oder Glasfasern sowie Freifeld-Infrarotstrahlung) wichtig.
Richtungsabhängigkeit der Strahlungsleistung
Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkappt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen hauptsächlich zur Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall. Er setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt somit die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren, bestimmbaren Raumwinkel. Da Glas in der Regel eine höhere Brechzahl als Kunststoff und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt werden. Das nicht entspiegelte Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa 10 %, auch weil es den Kristall nicht direkt berührt.
Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel.
Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel mit der Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind mehrere Leuchtdioden notwendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende von der Kugelkalotte abgeleitete Gleichung genutzt werden.
Beispiel: Um eine starke 360°-Lampe mit einer Farbtemperatur von ungefähr 5000 K mit Leuchtdioden (Parameter: 55° Öffnungswinkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm ≈ 50 lm/W) zu realisieren, sind 18 Leuchtdioden notwendig (eine LED mit 55° Öffnungswinkel beleuchtet ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2880 Lumen, der eine Leistungsaufnahme von 54 Watt besitzt. Dieser Lichtstrom ist vergleichbar mit dem einer 300-Watt-Glühlampe.
Alterung
Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute auf die Hälfte des Anfangswertes abgesunken ist. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Die angegebene Lebensdauer reicht von vielen tausend Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu gut über 100.000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs.
Die Alterung der LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus Silikongummi gefertigt, wodurch eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erzielt wird, was etwa 11,5 Jahren Dauerbetrieb entspricht.