LED

Light Emitting Diode

Lumineszens wird in drei Arten unterteilt, Photo-, Chemo- und Elektrolumineszens, je nach Art der zugeführten Energie. Photolumineszens ist bei Leuchtstofflampen der Effekt, der UV-Licht in sichtbares Licht verwandelt. Chemolumineszens ist beispielsweise bei Glühwürmchen zu beobachten. Die Lichterzeugung einer LED basiert auf dem Wirkungsprinzip der Elektrolumineszens. Vergleichbar mit einem thermischen Strahler, wird an einen leitenden Festkörper eine Spannung angelegt und dieser von einem Strom durchflossen. Hierbei wird die aufgenommene elektrische Energie in Form von elektronischer Anregung gespeichert, im Gegensatz zum thermischen Strahler, der diese ausschließlich in Form von Gitter-Schwingungen speichert. Derzeit kommerziell erwerbbare Halbleiter-Leuchtdioden bestehen aus einem Halbleiter-Chip, der in eine Kunststofflinse (PMMA) eingebettet ist.8 Die Kunststofflinse hat dabei mehrere Funktionen.

LED Aufbau

Abb.: Aufbau einer 5mm Leuchtdiode aus den 70er Jahren

Zum einen bündelt sie das Licht und zum anderen schützt sie vor Feuchtigkeit und Korrosion. Seit 1960 verdoppelte sich der Wirkungsgrad von LEDs alle vier Jahre. Seit den 70er Jahren sind 5mm LEDs erhältlich. 1999 waren die ersten High-Flux-LEDs marktreif und besaßen einen 20- bis 50-mal höheren Lichtstrom als herkömmliche LEDs. Die meist auf dem kubischen AllnGaP oder dem hexagonalen InGaN-Halbleitertyp basierenden Leuchtdioden sind mittlerweile in fast allen Lichtfarben erhältlich. Der LED Chip selbst ist in der Umwandlung der elektrischen Leistung in Lichtstrom sehr effizient. Der Wirkungsgrad beträgt ca. 90 %, das sind ca. 600 lm/W, davon gelangen jedoch nur ca. 30 % des Lichtstroms aus dem Chip. Der restliche Lichtstrom wird innerhalb des LED-Chips absorbiert (ein Großteil wird an den Wänden des Chips reflektiert und geht in Form von Wärme verloren).

Erzeugung von weißem Licht

Um weißes Licht zu erzeugen gibt es für LEDs drei verschiedene Varianten. Zum einen können eine rote, eine grüne und eine blaue LED additiv zu weißem Licht gemischt werden. Hierbei ist von Nachteil, dass der Weißpunkt über die Lebensdauer in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur schwanken kann. Die Farbwiedergabeeigenschaften dieses additiven Lichtes sind relativ schlecht.
Als zweite Möglichkeit kann man einen blau emittierenden LED-Chip mit einem Fluoreszenzfarbstoff beschichten, und erhält ebenfalls weißes Licht. Im Gegensatz zum additiven Verfahren wird hierbei eine relativ gute Farbwiedergabe von Ra>70 erreicht. Schwankungen des Weißpunktes werden fast ausgeschlossen. Das Problem hierbei ist, den Weißpunkt in der Produktion einzustellen. Die technologisch beste Variante wäre, die Konversion eines 3-Banden-Fluoreszensfarbstoffs mit einer UV emittierenden LED. Bei dieser Möglichkeit liegt der Nachteil im Wirkungsgrad.

Halbleitermaterial für LEDs

Abb.: Seltene Erden werden u.a. zur Produktion von LEDs benötigt

 

Wirkungsgrad einer LED

Der technische Wirkungsgrad einer LED hängt von verschiedenen Parametern ab. Zum einen von der Lichtfarbe, zum anderen von der Temperatur in der aktiven Schicht im Halbleiterkristall, wie auch von der Umgebungstemperatur.

Vorteile

  • Die LED verbraucht weniger Energie bei gleicher Lichtmenge beispielsweise gegenüber einer Glühlampe
  • Sie erzeugt weniger Wärme als beispielsweise eine Glühlampe
  • unempfindlich gegenüber Erschütterung
  • hohe Lebensdauer (Voraussetzung; eine niedrige Sperrschicht-Temperatur)
  • Geringe Wartungskosten, seltener Lampenwechsel
  • kein Quecksilber enthalten
  • Effizienz noch nicht ausgeschöpft

 

Nachteile

  • Lichtfarbe wird oft als kühl empfunden, auch wenn sie im warmen Bereich liegt
  • Durch hohe Umgebungstemperaturen verkürzt sich die Lebensdauer der LED
  • Ausfälle von einzelnen LEDs können das Gesamtbild stören
  • Punktförmiger Lichtaustritt kann zu hohen Leuchtdichte und somit Blendung führen
  • Diskontinuierliches Farbspektrum (vgl. Energiesparlampe oder Leuchtstofflampe)
  • Mögliche Beeinflussung des Hormonhaushalts
  • Dimmwerte (die Farbtemperatur wird nicht wärmer, wie man es von der Glühlampe gewöhnt ist)

 

Quellen

http://www.dma.ufg.ac.at/app/link/Grundlagen:3D-Grafik/module/9329?step=1

http://www.licht.de/de/info-und-service/lichtlexikon/details-lichtlexikon/blendung/

Baer, Roland; Praktische Beleuchtungstechnik – Lampen, Leuchten, Planung, Anlagen, 1. Auflage, Berlin, 1999

Buschendorf, Hans-Georg; Lexikon Licht- und Beleuchtungstechnik, Berlin; Offenbach, vde-Verlag GmbH, 1989

Weis, Bruno; Grundlagen der Beleuchtungstechnik – Lichttechnische Größen, Gütemerkmale der Beleuchtung, Lampentechnik, München, Bad Kissingen , Berlin, Düsseldorf, Heidelberg, Richard Pflaum GmbH & Co. KG, 2001

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