LED-Leuchtmittel
Weiße LED
Erzeugen weißen Lichtes mit einer blauen Leuchtdiode und einem breitbandigen Fluoreszenzfarbstoff.
Erzeugen weißen Lichtes mit einer ultravioletten Leuchtdiode und Fluoreszenzfarbstoffen für rot, grün und blau.
Blaue LED mit Leuchtstoff enthaltendem Einbettungsmaterial zur Erzeugung weißen Lichtes.
Querschnitt einer weißen LED im Betrieb.
Eine weiße LED fluoresziert im Licht einer blauen InGaN LED
Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz:
■Verschiedene Chips (selten verwendet): Blaue Leuchtdioden werden mit gelben oder mit roten und grünen so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Aus praktischen Gründen werden zumindest die LED-Chips in einem Bauteil integriert.
■Lumineszenz: Eine blaue oder UV-LED wird mit photolumineszierendem Material (Fluoreszenzfarbstoff, Leuchtstoff) kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höherenergetisches Licht (blaues Licht und Ultraviolettstrahlung) in langwelligeres Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren. Seltener wird eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und blau) kombiniert, was eine gute Farbwiedergabe bis Ra = 90 erlaubt. Die Verwendung mehrerer Farbstoffe verteuert allerdings den Herstellungsprozess und reduziert die Lichtausbeute.
Für Beleuchtungszwecke wird deshalb fast immer eine blaue LED mit nur einem gelben Leuchtstoff kombiniert, meist Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver. Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen weniger als die Hälfte) und der Blauanteil sichtbar ist, ist das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Fluoreszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.
■Verschiedene Chips in Kombination mit Lumineszenz: Hersteller höherwertiger LEDs für Raumbeleuchtung (Osram, Philips) verwenden mittlerweile weiße Lumineszenz-LEDs in Kombination mit roten Power-LEDs, um einen besseren Farbraum bis hin zum Rot zu erreichen. Teilweise benutzt Philips blaue und rote LEDs unter einer lumineszierenden Kappe des einschraubbaren Leuchtkörpers.
Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid epitaktisch, meist mittels MOVPE, auf einen Träger (Substrat) aus Saphir aufgebracht. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. Die lichtemittierende Schicht besteht in der Regel aus InGaN, deren blaues Licht vom Leuchtstoff teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird. In einem neuen Verfahren[8], dessen wesentliche Grundlagen im Jahr 2000 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt wurden, wird das teure Saphirsubstrat durch Silizium ersetzt.[9] Auf das Silizium wird dann nach einer ersten AlN-Schicht das Galliumnitrid aufgewachsen. Effizient sind solche LEDs jedoch nur, wenn das lichtabsorbierende Siliziumsubstrat entfernt und durch eine hochreflektierende Schicht, meist auf Silberbasis, ersetzt wird, wie es für Hochleistungs-LEDs auf Saphirsubstraten inzwischen der Fall ist. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden und der Ablöseprozess vom Substrat wird stark vereinfacht.
Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand obiger Grafik in der rechten Hälfte deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Fluoreszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LED hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.
RGB-LEDs hingegen (in der linken Hälfte der Grafik wiedergegeben) erzeugen drei relative schmale Peaks im Spektrum, was für Licht in drei engen Frequenzbändern steht. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im Allgemeinen besser, was sich vor allem bei der Hinterleuchtung von Farb-LCDs in brillanten Farben bemerkbar macht – die Durchlasswellenlängen der Farbfilter der einzelnen einfarbigen Pixel des LCDs können an die Emissionsmaxima der Leuchtstoffe angepasst werden. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen allerdings besonders am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe.
Weiße LEDs werden wie Leuchtstofflampen auch für unterschiedliche Arten (Farbtemperaturen) weißen Lichtes gefertigt. Übliche Kategorien sind das „kaltweiße“, tageslichtähnliche Licht (Farbtemperatur 5500–6000 K) und das „warmweiße“ Licht, ähnlich dem der Glühlampen (2700–3000 K).
Pastelltöne [Bearbeiten]
Aufgrund der möglichen Verwendung in der Unterhaltungselektronik, speziell für die Tastaturbeleuchtung von Mobiltelefonen und anderen Trend-Produkten, geht man inzwischen auch dazu über, insbesondere SMD-LEDs in Pastelltönen zu produzieren. Dazu wird im Wesentlichen wie bei weißen LEDs vorgegangen, nur dass die Fluoreszenzschicht, die über den blau leuchtenden LED-Chip gelegt wird, nicht gelblich, sondern rötlich ist, wodurch dann Rosa („pink“) erzeugt wird. Um ein Pastellblau zu erzeugen, muss man nur die gelbliche Schicht etwas dünner machen als bei weißen LEDs, so dass ein höherer Blauanteil durchdringt. Da auch grüne LEDs mittlerweile zu den sehr wirtschaftlichen gehören, ist das gleiche auch mit grünen Chips möglich. Da nur Licht hoher Frequenz einen fluoreszierenden Stoff niedrigerer Frequenz zum Leuchten anregen kann, dies folgt aus der Stokesverschiebung, ist es nicht möglich, mit einer roten LED einen blau fluoreszierenden Stoff anzuregen, umgekehrt aber schon. Deswegen können für pastellfarbene LEDs praktisch nur Chips in den „Farben“ UV und Blau verwendet werden.
Klasseneinteilung
In vielen Einsatzbereichen werden durch Normen genau definierte Lichtfarben vorgegeben. Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LEDs eines Types und Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED-Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning (deutsch: Klasseneinteilung) bezeichnet. Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den sogenannten „Flux bin“, die Schwellenspannung, die Lichtausbeute sowie den Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeprägte Farbstich liegt. Bezüglich der Farblage wird nicht nur unterschieden, in welchem Bereich der Farbmischung (tendenziell mehr rot oder grün oder blau) sie liegt, sondern welche Farbtemperatur das Licht der LED bei Nennstrom aufweist. Auch farbige LEDs werden mit selektierten spektralen Toleranzen angeboten. Informationen darüber, welchem „Bin“ (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen.
Geschichte
Nachbildung des Experiments H. J. Rounds. Eine negativ geladene Nadelspitze auf Siliziumkarbid erzeugt einen grün glimmenden Leuchtdiodenübergang.
Entwicklung des maximalen Lichtstroms kommerziell erhältlicher LEDs. Die Skala ist logarithmisch und die Gerade entspricht daher einem exponentiellen Anstieg.
Am Anfang der Entwicklung der Halbleiter stand eine wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle. Er schildert seine Versuche, bei denen er eine Metallspitze auf einen Sulfidkristall presste und herausfand, dass der Kristall in einer Richtung gut leitet und zwar umso besser, je höher der Strom ist – in die andere Richtung fließt hingegen nur wenig Strom. Da man damals nur ohmsche Leiter und Isolatoren kannte, passte dieser Gleichricht(er)effekt nicht in die damals bekannten Eigenschaften der Materie und es dauerte fast 60 Jahre, bis eine Erklärung dieser besonderen Merkmale gefunden werden konnte.[10] Henry Joseph Round (1881–1966) beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer Lichtemission fähig sind.[11] 1921 entdeckte der russische Physiker Oleg Lossew den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis 1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des Einsteinschen, photoelektrischen Effektes zu deuten ist. Georges Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.
In der Folgezeit konnte ab 1951 durch die Entwicklung des Transistors ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht werden. Weiter war es möglich, den Prozess der Lichtemission aufzuklären. Zunächst wurde allerdings weiter mit Zinksulfid experimentiert. Erfolgreicher waren jedoch die Forschungen an den als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleitern. Ab 1957 konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz auf Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis des Galliumarsenids (GaAs) und Galliumphosphids (GaP) war von Bedeutung.
Andere Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode allerdings Nick Holonyak zu und datieren sie auf 1962.[12]
Im Laufe der Entwicklung, seit den ersten LEDs 1962, wurde die Lichtausbeute um ungefähr drei Größenordnungen von unter 0,1 Lumen/Watt auf über 100 Lumen/Watt gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen gemachten Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen), auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, niederdimensionalen Strukturen (Quantentöpfe), transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er Jahre, rot-gelb), wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er Jahre, grüne LEDs) und GaN (1980er/1990er Jahre, grün bis UV) entwickelt, so dass es heute LEDs in nahezu allen Farben des Spektrums (bis auf eine Lücke im Grün-gelb-Bereich) gibt. Insbesondere nach Halbleitern, die Licht im kurzwelligen Bereich (blau, UV) effizient erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war lange Zeit das Dotieren eines p-leitenden Bereichs geeigneter breitlückiger Halbleiter, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe Akasakis in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Dieser führte zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laser, seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumkarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist.
Die Steigerung der Effizienz und die preiswertere Herstellung der Halbleiter ist das Ziel weiterer Entwicklungen. Gegenwärtig wird besonders daran gearbeitet, sowohl transparente Träger- und Halbleiter-Materialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen. Die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) decken einen Teil der aktiven Fläche ab.
Ein anderer aktueller Forschungsgegenstand sind organische Leuchtdioden, sogenannte „OLEDs“.
Stand der Technik
Lichtausbeute
Theoretische maximale Lichtausbeute für monochrome Lichtwandler.
Die effizientesten weißen LEDs erreichen derzeit (Stand Februar 2010) im optimalen Fall eine Lichtausbeute bis zu 208 Lumen/Watt[13] bzw. seit September 2010 250 lm/W.[14] Dies ist nicht weit entfernt vom theoretischen Maximum (100 % Strahlungsleistung) bei 6600 K (relativ kalt wirkend), das physikalisch nicht größer als ca. 350 lm/W sein kann. Die Ausbeute ist stark von der Lichtfarbe abhängig, bei warmweißen LED liegt sie deutlich unter der von kaltweißen.
Ein weiterer Parameter ist die Leistung pro Einheit: je höher die Leistung einer einzelnen LED wird, desto schlechter ist ihr Wirkungsgrad. Das resultiert sowohl aus Quanteneffekten als auch aus einer höheren Temperatur des LED-Chips. Aus diesem Grund werden in vielen Anwendungen die LEDs nicht bei der vom Hersteller angegebenen Nennleistung, sondern darunter betrieben. Dadurch erhöht sich die Energieeffizienz und durch die reduzierte Temperatur verlängert sich die Lebensdauer der LED, gleichzeitig vereinfacht die geringere Abwärme die Kühlung und damit die Konstruktion der Leuchte. Allerdings kann es dadurch notwendig werden, mehr LEDs einzusetzen, um die gewünschte Lichtmenge zu erreichen, wodurch ggf. eine aufwändigere Optik notwendig wird.
Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im Labor hergestellt und bald darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten „Fluxbinning“ werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten. Selbstverständlich wirbt ein Hersteller mit seiner höchsten Klasse. Wie klein der Anteil der besten Klasse an der Gesamtproduktion ist, erfährt man indirekt über den Preis und die Lieferbarkeit. Die angegebene Lichtausbeute bezieht sich einerseits auf die Anschlussschnittstelle eines LED-Bausteins, nicht auf eine LED-Lampe, bei der noch die Verluste durch das notwendige Vorschaltgerät mit 70 bis 95 % Wirkungsgrad dazukommen. Weitere Verluste entstehen durch eine (eventuell) weitere Optik in einer Lampe.
Viele erhältliche LEDs liegen derzeit bei 30–80 Lumen/Watt. Die Lichtausbeute liegt damit über der von Glüh- und Halogenlampen mit circa 13 beziehungsweise 17 lm/W[15] und teilweise unterhalb der von Leuchtstofflampen, die etwa 50 bis 70 lm/W inklusive Vorschaltgerät und Abschattungs- und Reflexionsverlusten erreichen. Da durch die Messung in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt werden (vgl. Hellempfindlichkeitskurve), erreichen LEDs in den Farben Grün bis Rot besonders hohe Werte, während beispielsweise blaue LEDs deutlich schlechter abschneiden. Im rein physikalischen Wirkungsgrad, also der Umwandlung elektrischer Energie in Licht, sind blaue LEDs nicht zwangsläufig schlechter. Physikalische Wirkungsgrade sind derzeit bis über 30 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche LED, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und ggf. Optik.
Mitte Dezember 2006 erreichte eine LED Nichias in Labortests 150 lm/W (fast 22 % Wirkungsgrad). Das entspricht der Effizienz von Natriumdampflampen, welche in verschiedenen Arten seit den 1970er Jahren verfügbar sind. Im September 2007 gelang es Cree im Labor, eine kaltweiße LED mit über 1000 lm bei einer Effizienz von 72 lm/W zu betreiben, die warmweiße Variante kam bei 760 lm immerhin noch auf 52 lm/W Lichtausbeute. Seit Mai 2009 ist eine LED Nichias auf dem Markt mit einer angegebenen Lichtausbeute von 160 lm/W, allerdings nur geringer Gesamtleistung. Cree lieferte im Dezember 2010 erste LEDs aus, die bei 1 W 160 lm/W erreichen und bei 10 W immer noch ca. 100 lm/W.
2007 galt für die Lichtausbeute handelsüblicher LED-Leuchten die Faustregel: Leistung der LED(s) multipliziert mit 4 ergibt die Leistung in Watt einer klassischen Glühlampe (5 % Wirkungsgrad). Seit 2009 eignet sich der Faktor 4 für den Vergleich mit Halogenlampen, die gegenüber Glühlampen um etwa 30 % effizienter sind. Die Leistungsfähigkeit neu in den Markt kommender Lösungen liegt darüber und nähert sich einem Faktor 10 gegenüber klassischen Glühlampen an.
Im September 2009 begann Cree mit der Auslieferung einer weißen LED mit einer Lichtausbeute (Herstellerangaben) von 132 lm/W, die bei der maximalen Leistungsaufnahme von fast 10 W auf 105 lm/W abfällt, wobei für diesen Produktionstyp Lichtstromwerte bei 350 mA in den Leistungsklassen: 114 lm; 122 lm; 130 lm und 139 lm (=132 lm/W) angeboten werden.[16] Das Unternehmen berichtet im Februar 2010[13] über eine Labor-Prototyp-LED, die 208 Lumen pro Watt bei Raumtemperatur erreiche, bei einer Farbtemperatur von 4579 K. Im Oktober 2011 konnte OSRAM Prototypen einer roten LED vorstellen, die bei 609 nm und Nennstrom von 350 mA eine Lichtausbeute von 168 lm/W erreicht.[17]
Anwendung
Da der Wirkungsgrad und die Standzeit schon seit einiger Zeit deutlich über denen von Halogenlampen liegen, schreitet die Anwendung besonders im Automobilbereich immer weiter voran. Für Blinker, Rück- und Bremsleuchten sowie Tagfahrlichter (vgl. LED-Scheinwerfer) sind Leuchtdioden seit 2001 im Einsatz, als Hauptscheinwerfer aufgrund höherer Anforderungen erst seit 2008.
Bereits jetzt ist die LED dabei, die Glühlampe in etlichen Spezialanwendungen zu verdrängen. Glühbirnen-Ersatz (10 W ≙ 100 W bei warmem Lichtton) für den Hausgebrauch steht von allen großen Herstellern zur Verfügung. Die Vorteile gegenüber der herkömmlichen Glühlampe: Die LED verbraucht weniger Energie bei gleicher Lichtmenge, erzeugt weniger Wärme, ist unempfindlich gegenüber Erschütterungen, erreicht deutlich kürzere Schaltzeiten, verkraftet ca. 1 Mio Schaltzyklen, ist ohne Farbänderung und Wirkungsgradverlust dimmbar und hat, eine niedrige Sperrschicht-Temperatur vorausgesetzt, eine hohe Lebensdauer.
Ab 2007 kamen von vielen Herstellern LED-Lampen für die üblichen E27- und E14-Glühlampensockel auf den Markt. Allerdings erreichten viele maximal 300 Lumen Helligkeit, was etwa einer 20 Watt starken konventionellen Glühlampe entspricht. Neben der für viele Zwecke ungenügenden Helligkeit wurde auch oft die bläuliche („kalte“) Lichtfarbe kritisiert. Während anfangs die Lichtfarbe noch ein Problem darstellte, erzeugen inzwischen einige LED-Leuchten auch für den Wohnbereich angenehmes Licht, welches in der Farbwiedergabe der Energiesparlampe deutlich überlegen ist.[19] Seoul Semiconductor gab Ende Februar 2008 die Entwicklung und Markteinführung ultraheller LEDs bekannt, die 900 Lumen bei 10 Watt leisten.[20] Das gleicht etwa der Helligkeit einer Glühlampe mit 75 Watt oder der einer Energiesparlampe mit 17 Watt.
Die hohen Ströme (typisch 350 mA und mehr) als Konstantstrom verlangen spezielle Treiberbausteine (Integrierte Schaltungen, Schaltregler) und elektronische Lösungen zur Ansteuerung. Der Betrieb mit niederfrequenter PWM genügt nicht allen Ansprüchen. Das thermische Management bekommt aufgrund der hohen Leistungen auf sehr kleiner Fläche (wenige mm²) und erforderlicher geringer Sperrschichttemperatur große Bedeutung – eine höhere Sperrschichttemperatur Tj (von englisch junction) hat eine Verminderung der Lebensdauer und Lichtleistung zur Folge. Eine „OSTAR LED“ nimmt beispielsweise bis zu 12 Watt auf[21] (Lichtabgabe bis zu 1120 lm, Stand Januar 2009), was über thermische Substrate (beispielsweise Metallkernleiterplatte) und einen Kühlkörper an die Umgebung abgeführt werden muss.
Eine Studie der Universität Pittsburgh aus dem Jahr 2009 verglich die Straßenbeleuchtung mit LEDs mit der mit Natriumdampf-Hochdrucklampen sowie mit Halogen-Metalldampflampen. Das Ergebnis der Studie war, dass die LED-Beleuchtung einen ähnlichen Ressourcenverbrauch über die Lebensdauer erzeugt wie die beiden anderen Technologien, dass bei den LEDs aber noch viel Potential zur Optimierung bestehe. Daher empfehlen die Autoren mittelfristig einen kompletten Umstieg auf LEDs zur Straßenbeleuchtung.
2011 wird erstmals in Europa ein Flughafenvorfeld mit LEDs beleuchtet: In Innsbruck leuchtet ein System mit 14 hohen Masten eine Fläche von 49.000 m² aus.
Betrieb und Anschluss von LEDs
Die Helligkeit einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Bei konstanter Halbleitertemperatur ist die Zunahme annähernd proportional. Der Wirkungsgrad sinkt mit steigender Temperatur, deshalb sinkt die Lichtausbeute an der Leistungsgrenze je nach Art der Kühlung ab. Die LED fällt aus, wenn die Temperatur des Halbleiters ein Maximum von zirka 150 °C übersteigt.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte Spannung reagiert. Bei einem ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Eine Leuchtdiode besitzt, typisch für Halbleiterdioden, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen große Stromänderungen.
Kennlinie einer weißen LED (schematisch).
Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie einer Leuchtdiode schematisch wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße Hochleistungsleuchtdiode mit einem Nennstrom von 350 mA. Diesen Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest man eine Durchlassspannung von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von etwa 1 W.
Eine LED sollte nicht unmittelbar an eine Spannungsquelle, wie eine Batterie, angeschlossen werden:
Eine weiße LED bleibt beim Anlegen einer Spannung von 2,4 V (zwei NiMh-Akkus à 1,2 V) dunkel. Bei 3 V (zwei Alkali-Mangan-Primärzellen handelsübliche nichtaufladbare „Batterien“) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku-Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %, ohne aktive Kühlung fällt die LED nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im Diagramm markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch Exemplarstreuungen der Halbleitereigenschaften beziehungsweise lokale Temperaturerhöhungen. Daher kann der Strom auch bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LEDs mit einem konstant gehaltenen Strom.
Betrieb mit Vorwiderstand
Bestimmung des Arbeitspunktes bei bekannter Diodenkennlinie
Die einfachste Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer Spannungsquelle ist, in Reihe zu ihr einen Vorwiderstand zu schalten. Der Wirkungsgrad ist prinzipiell nicht schlechter als bei einer linear geregelten Konstantstromquelle. Wird diese Anordnung mit einer Spannungsquelle betrieben, deren Spannung U0 unter Last (Nennstrom I) bekannt ist, so lässt sich der gewünschte Strom I über die Wahl des Widerstandes einstellen:
Beispiel:
Die Verlustleistung und damit die Baugröße des Widerstandes ergibt sich zu
Der nächsthöhere Normwert ist 0,5 W.
Bei einer ungeregelten Spannungsquelle wie einem Netzteil aus Transformator mit Gleichrichter und Glättungskondensator führt der Innenwiderstand der Quelle zu einer starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Laststrom. Bei der obigen Formel ist dann zu beachten, dass U0 nicht die Leerlaufspannung ist, sondern die Ausgangsspannung beim Nennstrom I, welche sich bei kleinen Transformatoren (ca. 3 VA) gegenüber der Leerlaufspannung nahezu halbieren kann.
Der Nachteil eines Vorwiderstands liegt in der starken Variabilität des Stroms bei einer veränderlichen Versorgungsspannung begründet, wie es beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen der Fall ist. Das gilt vor allem dann, wenn durch die Reihenschaltung mehrerer LEDs eine relativ geringe Spannung am Vorwiderstand abfällt, was wiederum die Verluste gering hält.
Beispiel
Es werden an das 12-V-Bordnetz drei LEDs à 3,4 V angeschlossen, sodass bei U = 12 V nur 1,8 V für den Vorwiderstand verbleiben. Mit einem Vorwiderstand von 5,2 Ω ergibt sich so ein Strom von 348 mA. Beim Laden des Akkus im Auto können aber durchaus Spannungen bis 14,4 V auftreten. Das hätte dann einen praktisch verdoppelten Strom von rund 700 mA zur Folge (der Spannungsabfall an der LED steigt ebenfalls leicht an), obwohl sich die Bordspannung nur um 16 % erhöht hat. Die gewählte Ausführung ist somit nicht betriebssicher und damit ungeeignet. Abhilfe könnte die Reduzierung der in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder der Betrieb mit Konstantstromquelle darstellen.
Betrieb an Netzspannung
Der effiziente Betrieb einer LED an Netzspannung ist mit einem Gleichrichter und einem Vorschaltkondensator möglich. Die Summe der Flussspannungen der in Reihe geschalteten LED muss dabei deutlich geringer als die Netzspannung sein, um den Strom innerhalb der Netzspannungstoleranz ausreichend konstant zu halten. Diese oft in Leuchtmitteln angewendete Lösung erfordert zusätzlich einen Widerstand zur Strombegrenzung und einen weiteren Kondensator, die den Gleichrichter beziehungsweise die LED vor dem vom Vorschaltkondensator verursachten Einschaltstromstoß sowie vor Überspannungsimpulsen im Netz schützt.
Seit 2006 werden LED-Module als „Wechselstrom-LEDs“ vermarktet, die auf der ohnehin zur Wärmeableitung nötigen Metallkern-Leiterplatte auch eine Gleichrichterbrücke unterbringen. Damit ist auch der Betrieb an Wechselspannung möglich, allerdings mit der Einschränkung, dass die Gleichrichterbrücke einen zusätzlichen Spannungsabfall von ca. 1 V verursacht. Damit ist der Betrieb solcher LED-Module an 12-V-Halogentrafos unattraktiv. Für den 230-V-Betrieb spielt dies aber nur eine untergeordnete Rolle. Außerdem ist eine Glättung des Gleichstroms, und damit der Lichtstärke, nicht möglich. Quelle: Wikipedia
Entsorgung und Recycling
Defekte oder ausgediente LED-Lampen enthalten zwar keine Schadstoffe oder Schwermetalle, müssen in Deutschland jedoch aufgrund des ElektroG im Elektronikschrott entsorgt werden. Eine spezielle Behandlung wie z. B. bei Kompaktleuchtstofflampen ist nicht nötig.
Weiße LED
Erzeugen weißen Lichtes mit einer blauen Leuchtdiode und einem breitbandigen Fluoreszenzfarbstoff.
Erzeugen weißen Lichtes mit einer ultravioletten Leuchtdiode und Fluoreszenzfarbstoffen für rot, grün und blau.
Blaue LED mit Leuchtstoff enthaltendem Einbettungsmaterial zur Erzeugung weißen Lichtes.
Querschnitt einer weißen LED im Betrieb.
Eine weiße LED fluoresziert im Licht einer blauen InGaN LED
Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz:
■Verschiedene Chips (selten verwendet): Blaue Leuchtdioden werden mit gelben oder mit roten und grünen so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Aus praktischen Gründen werden zumindest die LED-Chips in einem Bauteil integriert.
■Lumineszenz: Eine blaue oder UV-LED wird mit photolumineszierendem Material (Fluoreszenzfarbstoff, Leuchtstoff) kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höherenergetisches Licht (blaues Licht und Ultraviolettstrahlung) in langwelligeres Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren. Seltener wird eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und blau) kombiniert, was eine gute Farbwiedergabe bis Ra = 90 erlaubt. Die Verwendung mehrerer Farbstoffe verteuert allerdings den Herstellungsprozess und reduziert die Lichtausbeute.
Für Beleuchtungszwecke wird deshalb fast immer eine blaue LED mit nur einem gelben Leuchtstoff kombiniert, meist Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver. Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen weniger als die Hälfte) und der Blauanteil sichtbar ist, ist das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Fluoreszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.
■Verschiedene Chips in Kombination mit Lumineszenz: Hersteller höherwertiger LEDs für Raumbeleuchtung (Osram, Philips) verwenden mittlerweile weiße Lumineszenz-LEDs in Kombination mit roten Power-LEDs, um einen besseren Farbraum bis hin zum Rot zu erreichen. Teilweise benutzt Philips blaue und rote LEDs unter einer lumineszierenden Kappe des einschraubbaren Leuchtkörpers.
Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid epitaktisch, meist mittels MOVPE, auf einen Träger (Substrat) aus Saphir aufgebracht. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. Die lichtemittierende Schicht besteht in der Regel aus InGaN, deren blaues Licht vom Leuchtstoff teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird. In einem neuen Verfahren[8], dessen wesentliche Grundlagen im Jahr 2000 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt wurden, wird das teure Saphirsubstrat durch Silizium ersetzt.[9] Auf das Silizium wird dann nach einer ersten AlN-Schicht das Galliumnitrid aufgewachsen. Effizient sind solche LEDs jedoch nur, wenn das lichtabsorbierende Siliziumsubstrat entfernt und durch eine hochreflektierende Schicht, meist auf Silberbasis, ersetzt wird, wie es für Hochleistungs-LEDs auf Saphirsubstraten inzwischen der Fall ist. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden und der Ablöseprozess vom Substrat wird stark vereinfacht.
Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand obiger Grafik in der rechten Hälfte deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Fluoreszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LED hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.
RGB-LEDs hingegen (in der linken Hälfte der Grafik wiedergegeben) erzeugen drei relative schmale Peaks im Spektrum, was für Licht in drei engen Frequenzbändern steht. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im Allgemeinen besser, was sich vor allem bei der Hinterleuchtung von Farb-LCDs in brillanten Farben bemerkbar macht – die Durchlasswellenlängen der Farbfilter der einzelnen einfarbigen Pixel des LCDs können an die Emissionsmaxima der Leuchtstoffe angepasst werden. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen allerdings besonders am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe.
Weiße LEDs werden wie Leuchtstofflampen auch für unterschiedliche Arten (Farbtemperaturen) weißen Lichtes gefertigt. Übliche Kategorien sind das „kaltweiße“, tageslichtähnliche Licht (Farbtemperatur 5500–6000 K) und das „warmweiße“ Licht, ähnlich dem der Glühlampen (2700–3000 K).
Pastelltöne [Bearbeiten]
Aufgrund der möglichen Verwendung in der Unterhaltungselektronik, speziell für die Tastaturbeleuchtung von Mobiltelefonen und anderen Trend-Produkten, geht man inzwischen auch dazu über, insbesondere SMD-LEDs in Pastelltönen zu produzieren. Dazu wird im Wesentlichen wie bei weißen LEDs vorgegangen, nur dass die Fluoreszenzschicht, die über den blau leuchtenden LED-Chip gelegt wird, nicht gelblich, sondern rötlich ist, wodurch dann Rosa („pink“) erzeugt wird. Um ein Pastellblau zu erzeugen, muss man nur die gelbliche Schicht etwas dünner machen als bei weißen LEDs, so dass ein höherer Blauanteil durchdringt. Da auch grüne LEDs mittlerweile zu den sehr wirtschaftlichen gehören, ist das gleiche auch mit grünen Chips möglich. Da nur Licht hoher Frequenz einen fluoreszierenden Stoff niedrigerer Frequenz zum Leuchten anregen kann, dies folgt aus der Stokesverschiebung, ist es nicht möglich, mit einer roten LED einen blau fluoreszierenden Stoff anzuregen, umgekehrt aber schon. Deswegen können für pastellfarbene LEDs praktisch nur Chips in den „Farben“ UV und Blau verwendet werden.
Klasseneinteilung
In vielen Einsatzbereichen werden durch Normen genau definierte Lichtfarben vorgegeben. Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LEDs eines Types und Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED-Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning (deutsch: Klasseneinteilung) bezeichnet. Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den sogenannten „Flux bin“, die Schwellenspannung, die Lichtausbeute sowie den Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeprägte Farbstich liegt. Bezüglich der Farblage wird nicht nur unterschieden, in welchem Bereich der Farbmischung (tendenziell mehr rot oder grün oder blau) sie liegt, sondern welche Farbtemperatur das Licht der LED bei Nennstrom aufweist. Auch farbige LEDs werden mit selektierten spektralen Toleranzen angeboten. Informationen darüber, welchem „Bin“ (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen.
Geschichte
Nachbildung des Experiments H. J. Rounds. Eine negativ geladene Nadelspitze auf Siliziumkarbid erzeugt einen grün glimmenden Leuchtdiodenübergang.
Entwicklung des maximalen Lichtstroms kommerziell erhältlicher LEDs. Die Skala ist logarithmisch und die Gerade entspricht daher einem exponentiellen Anstieg.
Am Anfang der Entwicklung der Halbleiter stand eine wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle. Er schildert seine Versuche, bei denen er eine Metallspitze auf einen Sulfidkristall presste und herausfand, dass der Kristall in einer Richtung gut leitet und zwar umso besser, je höher der Strom ist – in die andere Richtung fließt hingegen nur wenig Strom. Da man damals nur ohmsche Leiter und Isolatoren kannte, passte dieser Gleichricht(er)effekt nicht in die damals bekannten Eigenschaften der Materie und es dauerte fast 60 Jahre, bis eine Erklärung dieser besonderen Merkmale gefunden werden konnte.[10] Henry Joseph Round (1881–1966) beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer Lichtemission fähig sind.[11] 1921 entdeckte der russische Physiker Oleg Lossew den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis 1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des Einsteinschen, photoelektrischen Effektes zu deuten ist. Georges Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.
In der Folgezeit konnte ab 1951 durch die Entwicklung des Transistors ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht werden. Weiter war es möglich, den Prozess der Lichtemission aufzuklären. Zunächst wurde allerdings weiter mit Zinksulfid experimentiert. Erfolgreicher waren jedoch die Forschungen an den als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleitern. Ab 1957 konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz auf Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis des Galliumarsenids (GaAs) und Galliumphosphids (GaP) war von Bedeutung.
Andere Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode allerdings Nick Holonyak zu und datieren sie auf 1962.[12]
Im Laufe der Entwicklung, seit den ersten LEDs 1962, wurde die Lichtausbeute um ungefähr drei Größenordnungen von unter 0,1 Lumen/Watt auf über 100 Lumen/Watt gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen gemachten Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen), auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, niederdimensionalen Strukturen (Quantentöpfe), transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er Jahre, rot-gelb), wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er Jahre, grüne LEDs) und GaN (1980er/1990er Jahre, grün bis UV) entwickelt, so dass es heute LEDs in nahezu allen Farben des Spektrums (bis auf eine Lücke im Grün-gelb-Bereich) gibt. Insbesondere nach Halbleitern, die Licht im kurzwelligen Bereich (blau, UV) effizient erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war lange Zeit das Dotieren eines p-leitenden Bereichs geeigneter breitlückiger Halbleiter, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe Akasakis in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Dieser führte zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laser, seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumkarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist.
Die Steigerung der Effizienz und die preiswertere Herstellung der Halbleiter ist das Ziel weiterer Entwicklungen. Gegenwärtig wird besonders daran gearbeitet, sowohl transparente Träger- und Halbleiter-Materialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen. Die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) decken einen Teil der aktiven Fläche ab.
Ein anderer aktueller Forschungsgegenstand sind organische Leuchtdioden, sogenannte „OLEDs“.
Stand der Technik
Lichtausbeute
Theoretische maximale Lichtausbeute für monochrome Lichtwandler.
Die effizientesten weißen LEDs erreichen derzeit (Stand Februar 2010) im optimalen Fall eine Lichtausbeute bis zu 208 Lumen/Watt[13] bzw. seit September 2010 250 lm/W.[14] Dies ist nicht weit entfernt vom theoretischen Maximum (100 % Strahlungsleistung) bei 6600 K (relativ kalt wirkend), das physikalisch nicht größer als ca. 350 lm/W sein kann. Die Ausbeute ist stark von der Lichtfarbe abhängig, bei warmweißen LED liegt sie deutlich unter der von kaltweißen.
Ein weiterer Parameter ist die Leistung pro Einheit: je höher die Leistung einer einzelnen LED wird, desto schlechter ist ihr Wirkungsgrad. Das resultiert sowohl aus Quanteneffekten als auch aus einer höheren Temperatur des LED-Chips. Aus diesem Grund werden in vielen Anwendungen die LEDs nicht bei der vom Hersteller angegebenen Nennleistung, sondern darunter betrieben. Dadurch erhöht sich die Energieeffizienz und durch die reduzierte Temperatur verlängert sich die Lebensdauer der LED, gleichzeitig vereinfacht die geringere Abwärme die Kühlung und damit die Konstruktion der Leuchte. Allerdings kann es dadurch notwendig werden, mehr LEDs einzusetzen, um die gewünschte Lichtmenge zu erreichen, wodurch ggf. eine aufwändigere Optik notwendig wird.
Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im Labor hergestellt und bald darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten „Fluxbinning“ werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten. Selbstverständlich wirbt ein Hersteller mit seiner höchsten Klasse. Wie klein der Anteil der besten Klasse an der Gesamtproduktion ist, erfährt man indirekt über den Preis und die Lieferbarkeit. Die angegebene Lichtausbeute bezieht sich einerseits auf die Anschlussschnittstelle eines LED-Bausteins, nicht auf eine LED-Lampe, bei der noch die Verluste durch das notwendige Vorschaltgerät mit 70 bis 95 % Wirkungsgrad dazukommen. Weitere Verluste entstehen durch eine (eventuell) weitere Optik in einer Lampe.
Viele erhältliche LEDs liegen derzeit bei 30–80 Lumen/Watt. Die Lichtausbeute liegt damit über der von Glüh- und Halogenlampen mit circa 13 beziehungsweise 17 lm/W[15] und teilweise unterhalb der von Leuchtstofflampen, die etwa 50 bis 70 lm/W inklusive Vorschaltgerät und Abschattungs- und Reflexionsverlusten erreichen. Da durch die Messung in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt werden (vgl. Hellempfindlichkeitskurve), erreichen LEDs in den Farben Grün bis Rot besonders hohe Werte, während beispielsweise blaue LEDs deutlich schlechter abschneiden. Im rein physikalischen Wirkungsgrad, also der Umwandlung elektrischer Energie in Licht, sind blaue LEDs nicht zwangsläufig schlechter. Physikalische Wirkungsgrade sind derzeit bis über 30 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche LED, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und ggf. Optik.
Mitte Dezember 2006 erreichte eine LED Nichias in Labortests 150 lm/W (fast 22 % Wirkungsgrad). Das entspricht der Effizienz von Natriumdampflampen, welche in verschiedenen Arten seit den 1970er Jahren verfügbar sind. Im September 2007 gelang es Cree im Labor, eine kaltweiße LED mit über 1000 lm bei einer Effizienz von 72 lm/W zu betreiben, die warmweiße Variante kam bei 760 lm immerhin noch auf 52 lm/W Lichtausbeute. Seit Mai 2009 ist eine LED Nichias auf dem Markt mit einer angegebenen Lichtausbeute von 160 lm/W, allerdings nur geringer Gesamtleistung. Cree lieferte im Dezember 2010 erste LEDs aus, die bei 1 W 160 lm/W erreichen und bei 10 W immer noch ca. 100 lm/W.
2007 galt für die Lichtausbeute handelsüblicher LED-Leuchten die Faustregel: Leistung der LED(s) multipliziert mit 4 ergibt die Leistung in Watt einer klassischen Glühlampe (5 % Wirkungsgrad). Seit 2009 eignet sich der Faktor 4 für den Vergleich mit Halogenlampen, die gegenüber Glühlampen um etwa 30 % effizienter sind. Die Leistungsfähigkeit neu in den Markt kommender Lösungen liegt darüber und nähert sich einem Faktor 10 gegenüber klassischen Glühlampen an.
Im September 2009 begann Cree mit der Auslieferung einer weißen LED mit einer Lichtausbeute (Herstellerangaben) von 132 lm/W, die bei der maximalen Leistungsaufnahme von fast 10 W auf 105 lm/W abfällt, wobei für diesen Produktionstyp Lichtstromwerte bei 350 mA in den Leistungsklassen: 114 lm; 122 lm; 130 lm und 139 lm (=132 lm/W) angeboten werden.[16] Das Unternehmen berichtet im Februar 2010[13] über eine Labor-Prototyp-LED, die 208 Lumen pro Watt bei Raumtemperatur erreiche, bei einer Farbtemperatur von 4579 K. Im Oktober 2011 konnte OSRAM Prototypen einer roten LED vorstellen, die bei 609 nm und Nennstrom von 350 mA eine Lichtausbeute von 168 lm/W erreicht.[17]
Anwendung
Da der Wirkungsgrad und die Standzeit schon seit einiger Zeit deutlich über denen von Halogenlampen liegen, schreitet die Anwendung besonders im Automobilbereich immer weiter voran. Für Blinker, Rück- und Bremsleuchten sowie Tagfahrlichter (vgl. LED-Scheinwerfer) sind Leuchtdioden seit 2001 im Einsatz, als Hauptscheinwerfer aufgrund höherer Anforderungen erst seit 2008.
Bereits jetzt ist die LED dabei, die Glühlampe in etlichen Spezialanwendungen zu verdrängen. Glühbirnen-Ersatz (10 W ≙ 100 W bei warmem Lichtton) für den Hausgebrauch steht von allen großen Herstellern zur Verfügung. Die Vorteile gegenüber der herkömmlichen Glühlampe: Die LED verbraucht weniger Energie bei gleicher Lichtmenge, erzeugt weniger Wärme, ist unempfindlich gegenüber Erschütterungen, erreicht deutlich kürzere Schaltzeiten, verkraftet ca. 1 Mio Schaltzyklen, ist ohne Farbänderung und Wirkungsgradverlust dimmbar und hat, eine niedrige Sperrschicht-Temperatur vorausgesetzt, eine hohe Lebensdauer.
Ab 2007 kamen von vielen Herstellern LED-Lampen für die üblichen E27- und E14-Glühlampensockel auf den Markt. Allerdings erreichten viele maximal 300 Lumen Helligkeit, was etwa einer 20 Watt starken konventionellen Glühlampe entspricht. Neben der für viele Zwecke ungenügenden Helligkeit wurde auch oft die bläuliche („kalte“) Lichtfarbe kritisiert. Während anfangs die Lichtfarbe noch ein Problem darstellte, erzeugen inzwischen einige LED-Leuchten auch für den Wohnbereich angenehmes Licht, welches in der Farbwiedergabe der Energiesparlampe deutlich überlegen ist.[19] Seoul Semiconductor gab Ende Februar 2008 die Entwicklung und Markteinführung ultraheller LEDs bekannt, die 900 Lumen bei 10 Watt leisten.[20] Das gleicht etwa der Helligkeit einer Glühlampe mit 75 Watt oder der einer Energiesparlampe mit 17 Watt.
Die hohen Ströme (typisch 350 mA und mehr) als Konstantstrom verlangen spezielle Treiberbausteine (Integrierte Schaltungen, Schaltregler) und elektronische Lösungen zur Ansteuerung. Der Betrieb mit niederfrequenter PWM genügt nicht allen Ansprüchen. Das thermische Management bekommt aufgrund der hohen Leistungen auf sehr kleiner Fläche (wenige mm²) und erforderlicher geringer Sperrschichttemperatur große Bedeutung – eine höhere Sperrschichttemperatur Tj (von englisch junction) hat eine Verminderung der Lebensdauer und Lichtleistung zur Folge. Eine „OSTAR LED“ nimmt beispielsweise bis zu 12 Watt auf[21] (Lichtabgabe bis zu 1120 lm, Stand Januar 2009), was über thermische Substrate (beispielsweise Metallkernleiterplatte) und einen Kühlkörper an die Umgebung abgeführt werden muss.
Eine Studie der Universität Pittsburgh aus dem Jahr 2009 verglich die Straßenbeleuchtung mit LEDs mit der mit Natriumdampf-Hochdrucklampen sowie mit Halogen-Metalldampflampen. Das Ergebnis der Studie war, dass die LED-Beleuchtung einen ähnlichen Ressourcenverbrauch über die Lebensdauer erzeugt wie die beiden anderen Technologien, dass bei den LEDs aber noch viel Potential zur Optimierung bestehe. Daher empfehlen die Autoren mittelfristig einen kompletten Umstieg auf LEDs zur Straßenbeleuchtung.
2011 wird erstmals in Europa ein Flughafenvorfeld mit LEDs beleuchtet: In Innsbruck leuchtet ein System mit 14 hohen Masten eine Fläche von 49.000 m² aus.
Betrieb und Anschluss von LEDs
Die Helligkeit einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Bei konstanter Halbleitertemperatur ist die Zunahme annähernd proportional. Der Wirkungsgrad sinkt mit steigender Temperatur, deshalb sinkt die Lichtausbeute an der Leistungsgrenze je nach Art der Kühlung ab. Die LED fällt aus, wenn die Temperatur des Halbleiters ein Maximum von zirka 150 °C übersteigt.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte Spannung reagiert. Bei einem ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Eine Leuchtdiode besitzt, typisch für Halbleiterdioden, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen große Stromänderungen.
Kennlinie einer weißen LED (schematisch).
Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie einer Leuchtdiode schematisch wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße Hochleistungsleuchtdiode mit einem Nennstrom von 350 mA. Diesen Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest man eine Durchlassspannung von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von etwa 1 W.
Eine LED sollte nicht unmittelbar an eine Spannungsquelle, wie eine Batterie, angeschlossen werden:
Eine weiße LED bleibt beim Anlegen einer Spannung von 2,4 V (zwei NiMh-Akkus à 1,2 V) dunkel. Bei 3 V (zwei Alkali-Mangan-Primärzellen handelsübliche nichtaufladbare „Batterien“) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku-Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %, ohne aktive Kühlung fällt die LED nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im Diagramm markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch Exemplarstreuungen der Halbleitereigenschaften beziehungsweise lokale Temperaturerhöhungen. Daher kann der Strom auch bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LEDs mit einem konstant gehaltenen Strom.
Betrieb mit Vorwiderstand
Bestimmung des Arbeitspunktes bei bekannter Diodenkennlinie
Die einfachste Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer Spannungsquelle ist, in Reihe zu ihr einen Vorwiderstand zu schalten. Der Wirkungsgrad ist prinzipiell nicht schlechter als bei einer linear geregelten Konstantstromquelle. Wird diese Anordnung mit einer Spannungsquelle betrieben, deren Spannung U0 unter Last (Nennstrom I) bekannt ist, so lässt sich der gewünschte Strom I über die Wahl des Widerstandes einstellen:
Beispiel:
Die Verlustleistung und damit die Baugröße des Widerstandes ergibt sich zu
Der nächsthöhere Normwert ist 0,5 W.
Bei einer ungeregelten Spannungsquelle wie einem Netzteil aus Transformator mit Gleichrichter und Glättungskondensator führt der Innenwiderstand der Quelle zu einer starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Laststrom. Bei der obigen Formel ist dann zu beachten, dass U0 nicht die Leerlaufspannung ist, sondern die Ausgangsspannung beim Nennstrom I, welche sich bei kleinen Transformatoren (ca. 3 VA) gegenüber der Leerlaufspannung nahezu halbieren kann.
Der Nachteil eines Vorwiderstands liegt in der starken Variabilität des Stroms bei einer veränderlichen Versorgungsspannung begründet, wie es beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen der Fall ist. Das gilt vor allem dann, wenn durch die Reihenschaltung mehrerer LEDs eine relativ geringe Spannung am Vorwiderstand abfällt, was wiederum die Verluste gering hält.
Beispiel
Es werden an das 12-V-Bordnetz drei LEDs à 3,4 V angeschlossen, sodass bei U = 12 V nur 1,8 V für den Vorwiderstand verbleiben. Mit einem Vorwiderstand von 5,2 Ω ergibt sich so ein Strom von 348 mA. Beim Laden des Akkus im Auto können aber durchaus Spannungen bis 14,4 V auftreten. Das hätte dann einen praktisch verdoppelten Strom von rund 700 mA zur Folge (der Spannungsabfall an der LED steigt ebenfalls leicht an), obwohl sich die Bordspannung nur um 16 % erhöht hat. Die gewählte Ausführung ist somit nicht betriebssicher und damit ungeeignet. Abhilfe könnte die Reduzierung der in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder der Betrieb mit Konstantstromquelle darstellen.
Betrieb an Netzspannung
Der effiziente Betrieb einer LED an Netzspannung ist mit einem Gleichrichter und einem Vorschaltkondensator möglich. Die Summe der Flussspannungen der in Reihe geschalteten LED muss dabei deutlich geringer als die Netzspannung sein, um den Strom innerhalb der Netzspannungstoleranz ausreichend konstant zu halten. Diese oft in Leuchtmitteln angewendete Lösung erfordert zusätzlich einen Widerstand zur Strombegrenzung und einen weiteren Kondensator, die den Gleichrichter beziehungsweise die LED vor dem vom Vorschaltkondensator verursachten Einschaltstromstoß sowie vor Überspannungsimpulsen im Netz schützt.
Seit 2006 werden LED-Module als „Wechselstrom-LEDs“ vermarktet, die auf der ohnehin zur Wärmeableitung nötigen Metallkern-Leiterplatte auch eine Gleichrichterbrücke unterbringen. Damit ist auch der Betrieb an Wechselspannung möglich, allerdings mit der Einschränkung, dass die Gleichrichterbrücke einen zusätzlichen Spannungsabfall von ca. 1 V verursacht. Damit ist der Betrieb solcher LED-Module an 12-V-Halogentrafos unattraktiv. Für den 230-V-Betrieb spielt dies aber nur eine untergeordnete Rolle. Außerdem ist eine Glättung des Gleichstroms, und damit der Lichtstärke, nicht möglich. Quelle: Wikipedia
Entsorgung und Recycling
Defekte oder ausgediente LED-Lampen enthalten zwar keine Schadstoffe oder Schwermetalle, müssen in Deutschland jedoch aufgrund des ElektroG im Elektronikschrott entsorgt werden. Eine spezielle Behandlung wie z. B. bei Kompaktleuchtstofflampen ist nicht nötig.