LED - das wichtigste Fachwissen zusammengefasst
20.09.2023Die drei Buchstaben LED sind die Abkürzung für Light Emitting Diode, was so viel bedeutet wie Licht emittierende Diode
LED Beleuchtung
Leuchtdioden wurden ursprünglich als optische Anzeigen in Geräten oder Schaltkreisen eingesetzt. Nachdem sie zunächst nur in den Farben Rot, Grün und Gelb erhältlich waren, gibt es inzwischen auch blaue und weiße LEDs, die sich mit zunehmender Helligkeit als effizientes Leuchtmittel im gesamten Wohnbereich etabliert haben. Dank ihrer langen Lebensdauer, ihrer geringen Größe und der Vielfalt an Formen und Farbspektren haben LED-Lampen in kurzer Zeit Glühbirnen sowie Halogen- und Energiesparlampen verdrängt. Doch hinter jeder einzelnen LED steckt eine ausgeklügelte Technik. Diese zu kennen, ist beim Heimwerken und für individuelle Lösungen von Vorteil.
Die Funktionsweise von LEDs
LEDs erzeugen Licht durch einen Prozess namens Elektrolumineszenz, der auf anorganischen Halbleiterkristallen beruht. Das Anlegen einer elektrischen Spannung regt die Kristalle dazu an, elektromagnetische Strahlung wie Licht auszusenden. Elektrisch gesehen besteht eine LED aus einem sogenannten p-n-Übergang, das heißt sie funktioniert wie eine Diode, die Strom in eine bestimmte Richtung leitet. Dabei wird sichtbares Licht im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm erzeugt, wobei die spezifische Lichtfarbe durch die Mischung des p-n-Übergangs mit anderen Elementen beeinflusst wird. Ein typischer LED-Chip ist sehr klein, oft mit einer Grundfläche von weniger als 2 x 2 mm, und wird in eine Vertiefung auf einer metallischen Grundplatte gelötet, die gleichzeitig als Kathode dient. Die Anode ist über einen dünnen Draht, meist aus Gold, mit der Kristalloberfläche verbunden. Die Grundplatte hat außerdem die Aufgabe, die entstehende Verlustwärme auf einen Kühlkörper abzuleiten. Das emittierte Licht wird durch eine schützende Linse gebündelt und in die gewünschte Richtung gelenkt.
Wie verschiedene Lichtfarben generiert werden
Die Lichtfarbe einer LED hängt von den verwendeten Halbleitermaterialien und den Dotierungen der einzelnen Schichten ab. Diese verschiedenen Materialzusammensetzungen haben unterschiedliche Energieniveaus. Bei der Rekombination der Elektronen werden Photonen unterschiedlicher Energie freigesetzt, die die Farbe oder Wellenlänge des sichtbaren Lichts bestimmen. Beispielsweise wird kurzwelliges blaues Licht durch eine hohe Energiefreisetzung erzeugt, während langwelliges rotes Licht mit einer geringeren Energiemenge verbunden ist. Für Leuchtdioden, die nahezu jede Farbe monochromatisch (einfarbig) darstellen können, gibt es inzwischen viele geeignete Materialsysteme. Mitunter über www.gluehbirne.de können verschiedenfarbige LEDs in unterschiedlichen Ausführungen bezogen werden.
Zwei Verfahren führen zu weißem Licht
Die Erzeugung von weißem Licht, das insbesondere für Beleuchtungszwecke benötigt wird, kann mit zwei verschiedenen Verfahren erreicht werden. Das erste Verfahren ist die additive Farbmischung. Ähnlich wie ein Prisma weißes Licht in seine Spektralfarben zerlegen kann, lässt sich dieses Verfahren auch umgekehrt anwenden. Durch die Kombination verschiedenfarbiger LEDs entsteht weißes Licht. Die Überlagerung der drei Grundfarben Rot, Blau und Grün führt zu Weiß, die Kombination von Rot und Grün zu Gelb, Rot und Blau zu Magenta und Grün und Blau zu Cyan. In einer sogenannten Multicolor-Leuchtdiode befinden sich drei Halbleiterkristalle, die jeweils eine der drei Grundfarben erzeugen. Solche LEDs werden auch als RGB-LEDs bezeichnet und sind häufig in LED-Streifen mit Farbwechseloption zu finden.
Durch die unterschiedliche Leuchtkraft der Grundfarben kann eine nahezu unbegrenzte Farbpalette erzeugt werden. Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von weißem Licht ist die Lumineszenz-Technik. Dabei wird eine blaue Leuchtdiode mit einer dünnen Phosphorschicht überzogen. Ein Teil des energiereichen blauen Lichts regt den Phosphor zum Leuchten an, der seinerseits gelbes Licht mit geringerer Energie zum Leuchten anregt. Das Ergebnis der Mischung von gelbem und blauem Licht erscheint dem menschlichen Auge als weißes Licht. Der charakteristische Gelbstich des warmweißen Lichts einer weißen Leuchtdiode wird durch die Dicke der Phosphorschicht bestimmt. In Verbindung mit blauen Lichtwellen ergibt sich ein gelblicher oder bläulicher Farbton, der je nach Ausprägung den Eindruck von Wärme oder Kälte vermittelt. Diese Eigenschaft des weißen Lichts wird als Farbtemperatur gemessen und in Kelvin angegeben. In einigen Fällen werden RGB-LEDs mit weißen LEDs kombiniert, um als RGBW-LED sowohl farbiges als auch optimal weißes Licht zu erzeugen.
Die verschiedenen LED-Bauformen
Da LEDs in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, sind unterschiedliche Bauformen erforderlich. Zu den Standardbauformen gehören bedrahtete LEDs, SMD-LEDs und COB-LEDs. Die bedrahtete LED war die erste verfügbare Bauform und ist besonders für Hobbytechniker leicht zu löten. Man findet sie unter anderem in Schaltern von Elektrogeräten. Die SMD-LED wird häufig in der Industrie eingesetzt und ist mittlerweile auch in Privathaushalten verbreitet. Diese Bauform hat ihren Namen von der Art der Montage: SMD steht für „Surface Mounted Device“, da sie direkt auf eine Platine gelötet werden kann. Sie ist flacher und kompakter und damit vielseitiger einsetzbar als beispielsweise bedrahtete LEDs. Das macht sie zur idealen Wahl für LED-Streifen, bei denen viele LEDs in einer Gruppe angeordnet sind.
Die dritte Variante, die COB-LED (Chip On Board), wird direkt auf Leiterplatten gelötet. Ein oder zwei Golddrähte verbinden die Anschlüsse des Chips mit der Leiterplatte. Diese LED zeichnet sich durch eine hohe Leistung aus und eignet sich für dicht bestückte LED-Module, wie sie zum Beispiel in LED-Röhren vorkommen. Im Gegensatz zu bedrahteten und SMD-LEDs, die bereits verkapselt sind, muss bei einer COB-LED eine spezielle Epoxidlinse aufgeklebt werden. Diese hat den Vorteil, dass der Abstrahlwinkel des Lichts individuell eingestellt werden kann. Die Leiterplatte dient gleichzeitig als Kühlkörper. Um die LED auf der Platine zu fixieren und die Wärmeableitung zu optimieren, empfiehlt sich die Verwendung von Wärmeleitkleber.
Spannungswerte – das ist zu beachten
LEDs sind nicht für den Betrieb mit hohen Spannungen ausgelegt, und die für den Betrieb einer Diode erforderliche Spannung hängt von ihrer Farbe ab. So haben Infrarot-LEDs eine Betriebsspannung von 1,2 bis 1,8 V, während rote LEDs zwischen 1,6 und 2,2 V benötigen. Grüne oder gelbe LEDs arbeiten mit einer Spannung von 1,9 bis 2,5 V und blaue oder weiße LEDs benötigen eine Spannung zwischen 2,7 und 3,5 V. UV-LEDs haben eine höhere Betriebsspannung und arbeiten im Bereich von 3,1 bis 4,5 V. Um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten, ist es wichtig, die genauen Spannungswerte sowie den erforderlichen Strom der technischen Dokumentation der jeweiligen Diode zu entnehmen. Soll beispielsweise eine bedrahtete Standard-LED, die für 2,2 V und 20 mA ausgelegt ist, an einer 12-V-Quelle betrieben werden, muss ein Vorwiderstand verwendet werden, um sowohl die Spannung als auch den Strom zu begrenzen.
Der Widerstand sollte so dimensioniert sein, dass eine Spannung von 9,8 V - das Ergebnis von 12 V minus 2,2 V - an ihm abfällt, wenn ein Strom von 20 mA durch ihn fließt. Mithilfe des Ohmschen Gesetzes kann der Widerstand berechnet werden. Je nach verwendeter Widerstandsserie entscheidet man sich in der Praxis für einen Widerstand von 510 Ω oder 560 Ω. Für superhelle Hochleistungs-LEDs legen die Hersteller nicht nur den Spannungsbereich, sondern auch den genauen Betriebsstrom fest. In solchen Fällen ist es erforderlich, spezielle LED-Treiber oder Vorschaltgeräte zu verwenden, die genau diesen vorgegebenen Strom liefern können. Ein entscheidender Punkt dabei ist, dass die gesamte Leistung aller verbundenen LEDs die Kapazität des Vorschaltgeräts nicht überschreiten darf.
Temperaturentwicklung – ein wichtiger Aspekt
Bei lichtstarken Leuchtdioden muss der Temperatur besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, da LEDs sehr empfindlich auf übermäßige Wärmeentwicklung reagieren. Der Ausfall einer Leuchtdiode ist selten auf den Halbleiterkristall selbst zurückzuführen. Häufiger ist ein übermäßiger Temperaturanstieg die Ursache, der durch einen zu hohen Betriebsstrom oder eine schlechte Verarbeitung verursacht werden kann. Diese Hitze kann die komplexe Struktur im Inneren des Halbleiterkristalls zerstören. Obwohl LEDs bei Berührung nur wenig Wärme entwickeln - im Gegensatz zu herkömmlichen Glühbirnen, bei denen die Wärme durch die Erwärmung des Materials entsteht - ist die Temperatur im Inneren einer LED nicht zu vernachlässigen.
Dort kann die Temperatur durch Nebenprodukte wie geringe Wärmemengen ansteigen, die beispielsweise durch einen zu hohen Stromfluss aufgrund eines zu kleinen Vorwiderstands oder einer falschen Schaltungsanordnung entstehen. Die Kühlung der Betriebsumgebung einer LED ist entscheidend für die Funktionsfähigkeit und Lebensdauer. Eine erhöhte Umgebungstemperatur kann die Lebensdauer deutlich reduzieren. Je nach Bauart der LED gibt es unterschiedliche Kühlmethoden. Üblicherweise wird die Wärme durch Materialien wie Aluminium oder Keramik abgeführt. So bestehen die Sockel von LED-Leuchtmitteln häufig aus einem dieser Materialien und bei SMD-LEDs bildet der Chip eine Einheit mit dem Kühlkörper.
