LED » Die Leuchtdiode kurz erklärt
LEDs begegnen uns mittlerweile überall: Egal ob Ampeln, Fernseher oder die Beleuchtung in privaten und geschäftlichen Räumen. Durch ihre lange Lebensdauer, ihre geringe Grösse sowie die variantenreichen Formen und Farbspektren haben sich LEDs in kurzer Zeit gegenüber Glühbirnen, Halogen- und Energiesparlampen durchgesetzt. Hinter jeder LED steckt ein ganzes Stück Technik, die wir Ihnen im Folgenden kurz erklären.
Die beiden Skizzen verdeutlichen den Aufbau einer Leuchtdiode am Beispiel einer bedrahteten LED.
Aufbau einer Leuchtdiode am Beispiel einer bedrahteten LED.
1 Der Halbleiterkristall (auch LED-Chip) ist das Herzstück der LED und erzeugt Licht mittels physikalischer Prozesse.
2 Die Reflektorwanne, in die der LED-Chip eingebaut ist, erhöht sowohl Wirkungsgrad als auch Lichtausbeute.
3 Die Kathode (-) ist mit der Reflektorwanne verbunden.
4 Über die Anode (+) fliesst Strom in Richtung Halbleiterkristall.
5 Ein dünner Draht (Bond Draht) verbindet den LED-Chip mit der Anode.
6 Eine Kunststofflinse umschliesst den Aufbau und beeinflusst Strahlungswinkel und Lichtausbeute. Je nach Verwendungszweck ist sie oval, dreieckig, gewölbt oder abgeflacht.
Das Schaltsymbol (Abbildung rechts) verdeutlicht den Stromfluss von Anode nach Kathode und die entstehenden Lichtwellen (Pfeile).
Ein LED-Chip besteht aus einer positiven und einer negativen Schicht.
Aufbau des LED-Chips:
Grün ist die negativ dotierte Schicht eines Halbleitermaterials (n-Schicht).
Blau ist die positiv dotierte Schicht eines Halbleitermaterials (p-Schicht).
Aus der p-Schicht treten Lichtwellen aus.
Übrigens: Bei einer Dotierung wird der Halbleiterkristall gezielt mit Fremdatomen "verunreinigt", um seine Leitfähigkeit zu verändern. Dies führt zu einem Elektronen-Überschuss in der p-Schicht und zu einem Elektronen-Mangel (Elektronenlöcher) in der n-Schicht. Dies ist die Grundlage für die Prozesse, die zur Lichterzeugung führen.
Eine LED (lichtemittierende Diode oder Leuchtdiode) gehört zu den Halbleiter-Bauelementen in die Gruppe der III/V-Halbleiter. Das heisst, dass sie aus Materialien besteht, die zur dritten und fünften Gruppe im Periodensystem gehören. Halbleitermaterialien bilden eine Diode, die den Strom nur in eine Richtung fliessen lässt. Bei einer LED fliesst der Strom von der Anode aus Richtung LED-Chip. Der Kern einer LED ist der Halbleiterkristall, der in einer Reflektorwanne sitzt.
Auf dem Halbleiterkristall befinden sich zwei Schichten von Halbleitermaterialien. Eine n-dotierte Schicht besitzt einen Überschuss an Elektronen, eine zweite, dünnere p-dotierte Schicht verfügt über zu viele Defektelektronen, auch Elektronenlöcher genannt. Erreicht die beiden Schichten über die Anode eine geringe Menge an Spannung in Flussrichtung, wandern die überschüssigen Elektronen in Richtung p-Schicht. In der sogenannten Sperrschicht treffen sie auf die Elektronenlöcher. Dort beginnen sich die ausgewanderten Elektronen und die Elektronenlöcher zu rekombinieren.
Durch diese Rekombination entsteht Energie, welche die Elektronen in Form von Lichtblitzen (Photonen) über die dünne p-Schicht freigeben. Der LED-Chip gibt diese Lichtblitze nach aussen weiter, wobei die Innenseiten der Reflektorwanne das austretende Licht verstärken. Neben Lichtblitzen entsteht während der Rekombination ausserdem eine kleine Menge an Abwärme.
Das folgende Video erklärt die Funktionsweise einer Leuchtdiode noch einmal sehr anschaulich:
Die Lichtfarbe der LED Leuchtdiode ist von den Dotierungen der Schichten sowie von den verwendeten Halbleiterstoffen abhängig. Diese unterschiedlichen Kombinationen weisen unterschiedliche Energie-Levels auf. Während der Rekombination der Elektronen werden Photonen mit unterschiedlichen Energiemengen freigesetzt. Diese bestimmen die Lichtfarbe.
So entsteht beispielsweise blaues Licht bei einer hohen Energieabgabe, rotes bei einer niedrigen Energiemenge. Mittlerweile gibt es zahlreiche geeignete Materialsysteme, sodass Leuchtdioden nahezu alle Farben monochromatisch (einfarbig) wiedergeben können. Selbst für den Menschen unsichtbare Infrarot- und UV-Strahlen sind möglich, die beispielsweise in Fernbedienungen zu finden sind.
Farbige LEDs entstehen durch additive Farbmischungen.
Folgende Stoffe finden häufig Verwendung, um entsprechende Farben zu erzeugen:
Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs): Rot
Galliumphosphid (GaP): Grün
Galliumarsenidphosphid (GaAsP): Gelb
Indiumgalliumnitrid (InGaN): Blau
Entstehung von weissem LED-Licht
Nur eine Farbe kann eine Leuchtdiode nicht monochromatisch erzeugen: Weiss! Hierzu ist eine additive Farbmischung oder das physikalische Verfahren der Lumineszenz nötig:
Kombination verschiedenfarbiger LEDs:
Weisses Licht entsteht durch die Überlagerung der drei Primärfarben Rot, Blau und Grün. Innerhalb einer Leuchtdiode befinden sich also drei Halbleiterkristalle aus jeweils einer der drei Primärfarben (RGB-LEDs).
Lumineszenz:
Eine LED mit blauem Licht wird mit einer dünnen Phosphor-Schicht überzogen. Ein Teil der energiereichen, blauen Lichtwellen regen das Phosphor zum Leuchten an, wodurch energieärmeres, gelbes Licht ausgestrahlt wird. Durch die Mischung von gelbem und blauem Licht entsteht weisses.
Und so lässt sich auch eine Beleuchtung in warmweiss, kaltweiss und neutralweiss erzeugen: Je nach Dicke der Phosphorschicht entsteht Licht in einem mehr oder weniger starken Gelbton. Die Kombination mit den blauen Lichtwellen ergibt ein gelbstichiges oder blaustichiges Licht, das wärmer oder kälter wirkt.
Weisses Licht lässt sich nicht monochromatisch erzeugen.
Aufbau eines LED-Chips mit Lumineszenz-Technik:
1 Halbleiterkristall
2 Gelbe Phosphorschicht
3 Weisses Licht
4 Konversationsschicht
5 Blaues Licht
Da sie sich in vielen Bereichen nutzen lassen, sind verschiedene LED-Bauformen notwendig. Momentan gehören bedrahtete LEDs, SMD-LEDs sowie COB-LEDs zum Standard.
Bedrahtete LED
Die bedrahtete Leuchtdiode war die erste Bauform auf dem Markt und ist für Hobby-Techniker leicht zu verlöten. Man findet sie beispielsweise in Schaltern von Elektrogeräten.
SMD-LED
In der Industrie findet man oft die SMD-LED, mittlerweile ist sie auch in privaten Haushalten im Gebrauch. Ihre Bezeichnung SMD (Surface Mounted Device) hat sie von der Art ihrer Befestigung, denn sie lässt sich auf eine Platine löten. Ihre Bauform macht sie flacher, kleiner und damit vielseitiger als beispielsweise eine bedrahtete LED. Deshalb sind auch LED-Streifen mit SMD-LEDs ausgestattet, da sich eine grosse Anzahl dieser Bauform leicht gruppieren lässt.
SMD-LEDs sind durch ihre geringe Größe auf LED-Streifen zu finden.
1 Platine
2 Kühlkörper
3 Phopshoprschicht
4 Optik
5 LED-Chip
6 Bond Draht
COB-LED
Eine dritte Variante ist die COB-LED (Chip On Board), welche direkt auf Platinen zu verlöten ist. Dabei verbinden ein oder zwei Golddrähte die Chip-Anschlüsse mit der Platine. Diese LED gilt als leistungsstark und eignet sich für eng bepackte LED-Module. Diese befinden sich beispielsweise in LED-Röhren. Im Gegensatz zur bedrahteten LED und zur SMD-LED, die bereits verkapselt sind, muss bei einer COB-LED eine Epoxylinse auf die Leuchtdiode geklebt werden. Der Vorteil: Mit dieser Linse lässt sich der Abstrahlwinkel des Lichts flexibel gestalten. Darüber hinaus dient die Platine gleichzeitig der Kühlung. Empfehlenswert ist das Aufbringen von Wärmeleitkleber auf die Platine, um die Leuchtdiode zu befestigen und die Wärme noch besser abzuleiten.
COB-LEDs gelten als besonders leistungsstark.
1 Platine, die auch der Kühlung dient
2 Bond Draht
3 Epoxylinse
4 Phosphorschicht
5 Halbleiterkristall
HighPower LED
Viele LED-Hersteller nennen manche ihrer Produkte High Power LED. Gerade wenn es darum geht, sehr helles Licht auf kleiner Fläche zu erzeugen, beispielsweise bei Taschenlampen oder Scheinwerfern. Dabei gilt jedoch zu beachten, dass es keine offizielle Definition einer High Power LED gibt. Deshalb variieren die Lumen-, Watt- und Ampere-Angaben bei dieser Gruppe stark.
Ein besonderes Augenmerk gilt es bei einer LED auf die Temperatur zu richten, gerade wenn Sie selbst Leuchtdioden verbauen möchten, da LEDs sehr empfindlich auf eine zu grosse Wärmeentwicklung reagieren. Bei fertig gekauften Produkten ist sie bereits berücksichtigt.
Funktioniert eine Leuchtdiode nicht mehr, liegt es selten direkt an einem fehlerhaften Halbleiterkristall. Vielmehr ist oftmals eine zu hohe Temperaturentwicklung verantwortlich, die durch einen zu grossen Betriebsstrom oder einer mangelhaften Verarbeitung entstehen kann. Die entstehende Hitze zerstört beispielsweise die komplexe Konstruktion im Inneren des Halbleiterkristalls.
Dies scheint verwunderlich. Denn wer eine leuchtende Leuchtdiode anfasst, wird eine sehr geringe Wärmeentwicklung spüren. Das liegt daran, dass bei der LED-Technik wenig Abwärme produziert wird, da das Licht durch das Emittieren von Photonen entsteht. Eine Glühbirne erzeugt vergleichsweise viel Wärme, da das Licht durch die Erwärmung eines Materials entsteht, und strahlt diese aus.
Aber auch wenn aussen kaum zu merken: Im Inneren einer lichtemittierenden Diode steigt die Temperatur, weil eine geringe Menge an Wärme als Nebenprodukt anfällt. Dies geschieht beispielsweise durch einen zu hohen Stromdurchfluss in Folge eines zu kleinen Vorwiderstandes oder eines falschen Schaltaufbaus. Achten Sie daher darauf, ob die LED mit fester Betriebsspannung oder mit vorgegebenem Strom funktioniert. In diesem Fall benötigen Sie gegebenenfalls einen Vorwiderstand zur Spannungsreduzierung oder eine Konstantstromquelle.
Je kühler ihre Umgebung ist, desto besser ist es für eine LED hinsichtlich Funktionsweise und Lebensdauer. Eine zu warme Umgebungstemperatur kann die Lebensdauer deutlich verkürzen. Je nach Bauform gibt es unterschiedliche Mittel der Kühlung. In der Regel wird die Wärme über ein weiteres Material wie Aluminium oder Keramik abgeleitet. So bestehen beispielsweise die Sockel von LED-Leuchtmitteln aus einem der beiden Materialien. Bei SMD-LEDs bildet der Chip eine Einheit mit dem Kühlkörper. Die Wärme von COB-LEDs leiten Verbindungsdrähte zur Platine, weitere Kühlkörper sind nicht nötig.
Vorteile
Wirtschaftlichkeit
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Geringer Energieverbrauch dank hohem Wirkungsgrad, also hellere Beleuchtung bei geringerem Stromverbrauch. Zu erkennen ist dies an der geringen Wattzahl im Vergleich zu herkömmlichen Glühbirnen.
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Hohe Lebensdauer: Abhängig von Halbleitermaterialien und Betriebsbedingungen hält eine LED in der Regel zwischen 15.000 und 50.000 Stunden. Dies entspricht bei einem Betrieb von 3 Stunden täglich einer Lebensdauer von 14 bis 45 Jahren.
Design
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Kleine Bauform, dadurch beispielsweise geringere Lieferkosten.
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Grosse Flexibilität durch Formenvielfalt, beispielsweise passen sie in herkömmliche Leuchten.
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Durch Typen und Farbenvielfalt sowie durch ihre Dimmbarkeit sind Leuchtdioden in vielen unterschiedlichen Bereichen einsetzbar. Nicht nur in Leuchten, sondern auch als Hintergrundbeleuchtung von LC-Displays, als Infrarot-LED in Lichtschranken, in der Optoelektronik oder in Signalanlagen.
Technik
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Sicherheit durch geringe Spannung.
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Stoss- und vibrationsfest.
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Geringe Einschaltverzögerung.
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Kaum Ausfallzeiten.
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Praktisch wartungsfrei während der gesamten Einsatzzeit.
Umweltverträglichkeit
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LEDs enthalten keine Giftstoffe.
Nachteile
Wirtschaftlichkeit
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Höhere Anschaffungskosten.
Technik
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Beim Einsatz in Räumen, in denen viel Feuchtigkeit entsteht, beispielsweise Bad oder Küche, können Bestandteile der LED-Leuchten korrodieren. Die LED kann so ausfallen. Gerade Metallteile, Anschlüsse und elektronische Bauteile sind empfindlich. Achten Sie beim Kauf auf den IP-Standard der LED, um eine Korrosion zu vermeiden.
Umweltverträglichkeit
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Seltene Erden sind nötig.
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Entsorgung bei Müll-Sammelstellen, nicht im Hausmüll.
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In vielen LED-Leuchten sind die Leuchtmittel fest verbaut. Das bedeutet, dass sie komplett zu entsorgen sind, sobald das Leuchtmittel defekt ist.