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LED: Licht fürs 21. Jahrhundert

Seit den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts sind Transistoren aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Heutzutage bilden sie zusammen mit anderen  Halbleiterelementen das Grundgerüst des modernen Lebens. Sie arbeiteten unermüdlich in Computern, Geräten der Unterhaltungselektronik, Kraftfahrzeugen, Küchenmaschinen, medizinischen Geräten, Werkzeugen, Weltraumsatelliten, Parkuhren … - eigentlich überall dort, wo Strom fließt. Im Vergleich zu anderen Halbleiterelementen wie Transistoren haben LEDs (lichtemittierende Halbleiterelemente) erst vergleichsweise spät, nämlich erst gegen Mitte der 1990er Jahre, ihren Siegeszug in breitem öffentlichen Einsatz antreten können. Zwar wurden bereits zuvor LEDs aufgrund ihrer kompakten Bauweise als Signalgeber oder Statusanzeiger genutzt, für die Nutzung als betriebliches Leuchtmittel war die Lichtausbeute jedoch noch zu gering. Inzwischen haben LEDs nochmals einen enormen Entwicklungsschub bekommen und können heute nahezu problemlos die konventionellen Leuchtmittel (Glühdraht) auf allen denkbaren Einsatzgebieten ersetzen.                      

Aufbau und Wirkungsprinzip von LEDs

Eine Leichtdiode oder Lumineszenz-Diode (kurz: LED, von engl.: light-emitting-diode) ist ein Halbleiter mit den elektrischen Eigenschaften einer Diode. Wie alle Halbleiterdioden besteht auch eine LED aus zwei sich berührenden Schichten, dem so genannten Halbleitermaterial. Eine der beiden Schichten ist n-dotiert (es herrscht ein Elektronenüberschuss im Material), die andere p-dotiert (Mangel an Elektronen). Die Anzahl freier Elektronen ist eine Materialkonstante, eine „Sättigung“ der p-Schicht durch Elektronen im eigentlichen Sinne ist daher nicht möglich. Und solange keine Spannung anliegt, passiert bei einem Halbleiter  auch nicht viel. Legt man jedoch eine Spannung an, ergeben sich – je nach Polung – bei einem Halbleiter zwei Situationen:

Die Diode sperrt

Liegt die Spannung derart an, das die n-Schicht mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden ist (dementsprechend liegt an der p-Schicht der negative Pol an), sperrt die Diode den Stromfluss. Schuld daran ist, dass sich elektrische Ladungen ähnlich wie Magnete verhalten: gleiche Ladungen stoßen sich ab, unterschiedliche Ladungen ziehen sich an. Die Elektronen der n-Schicht fühlen bewegen sich in Richtung des (+)-Pols, die fehlenden Elektronen (Löcher) im Kristallgitter der p-Schicht verlagern sich  in Richtung des (-)-Pols. In der Mitte der Diode befinden sich dann überhaupt keine freien Ladungsträger mehr, weder überschüssige noch fehlende Elektronen. Ohne frei bewegliche Ladungen kann es aber auch nicht zum Stromfluss kommen, ergo: Die Diode sperrt, es findet kein Stromfluss statt.       

Die Diode lässt durch

Legt man eine Spannung mit umgekehrter Polung an, wirken ebenfalls die Kräfte von Abstoßung und Anziehung – nur eben in anderer Richtung. In diesem Fall liegt an der n-Schicht der negative Pol, an der p-Schicht der positive Pol der Spannungsquelle an. Die überschüssigen Elektronen der n-Schicht werden nun in die Mitte der Diode gedrängt, die positiven „Löcher“ (das heißt fehlende Elektronen) der p-Schicht ebenfalls. Für einen Übergang von der n- zur p-Schicht benötigen die Elektronen jetzt nur noch wenig Energie und springen in eine freie Stelle des p-dotierten Materials. Für jedes Elektron, das auf diese Weise verschwindet, kann ein neues Elektron in das n-dotierte Material nachfließen, aus dem p-dotierten Material fließt ein Elektron in Richtung positivem Spannungspol. Damit ist ein Stromfluss hergestellt, die Diode ist in Durchlassrichtung („Flussrichtung“) geschaltet.

Lichterzeugung beim p-n-Übergang   

In der Mitte der Diode (auch Sperrschicht) wird beim p-n-Übergang, genauer bei der Rekombination der Ladungsträger, Energie in Form von Photonen freigesetzt. Dabei bestimmt das Material der p-/n-Schichten die Energie der emittierten Photonen – und  damit auch deren Wellenlänge bzw. Farbe. Denn je nach Material bilden sich unterschiedlich „dicke“ Sperrschichten in der Diodenmitte aus, womit für die Rekombination jeweils verschieden große  Energien aufgewendet werden müssen. Die Wellenlänge der emittierten Photonen verhält sich dabei proportional zur Dicke der Sperrzone. Für das menschliche Auge sichtbares Licht hat eine Wellenlänge zwischen ca. 380 (darunter geht es in den ultravioletten Bereich) und 780 Nanometern (dann beginnt der infrarote Bereich).

Um nun verschieden Farben zu erzeugen, werden Halbleiterkristalle (bspw. Silizium) durch verschiede Stoffzusätze „verunreinigt“, um p- und n-Schichten unterschiedlicher Charakteristika zu erzeugen, die jeweils verschieden starke Sperrzonen ausbilden. Das emittierte Licht ist erwartungsgemäß sehr schmalbandig, da die konstante Sperrzone einen konstanten Energiefluss (somit konstante Wellenlänge) bedingt. Man spricht daher von monochromatischem Licht. Der Vorteil: Im emittierten Licht sind keine anderen Strahlungen (UV oder IR) enthalten, über den Energiefluss kann dezidiert die Farbe gesteuert werden. Der Nachteil: Die Erzeugung von weißem Licht – das die Summe vieler unterschiedlicher Wellenlängen ist – ist nicht so ohne weiteres möglich.       

Die Herausforderung: Weißlicht-LEDs

Lange Zeit war es nicht möglich, weiß emittierende LEDs herzustellen. Das gelang erst im Jahr 1995, als die erste weiße LED durch Lumineszenzkonversion vorgestellt wurde. Das zugrundeliegende Prinzip ist einer Leuchtstoffröhre ähnlich. Grundlage bildet eine blaue LED, deren  kurzwelliges, monochromatisches  Spektrum durch phosphoreszierendes Material geschickt wird. Dadurch ergibt sich ein Mischspektrum mit der Farbe Weiß – das allerdings einen recht hohen Blauanteil enthält. Für viele Menschen wirkt daher weißes LED-Licht etwas kühl.   

Farbtemperatur: Je kälter, desto wärmer  

Durch die rasante Entwicklung erlauben moderne Weißlicht-LEDs inzwischen Farbtemperaturen zwischen 2.700 und 10.000 K. Zum Vergleich: Eine brennende Kerze hat ein Farbtemperatur von etwa 1.500 K, eine konventionelle 60-Watt-Glühlampe 2.700 K und ein elektronisches Blitzgerät etwa 5.500 K. Je niedriger die Farbtemperatur also ist, desto wärmer wird das Licht empfunden. Während in Werkshallen oder auch Büros neutralweißes Licht eine optimale Arbeitsbeleuchtung sein kann, ist es für Einsätze mit Wohlfühlfaktor (bspw. Wellness-Einrichtungen, Gastronomie etc.) weniger geeignet. Hier sollte dann auf warmweiße LED-Beleuchtung zurückgegriffen werden. Eine Skalierung der Farbtemperatur kann wie folgt vorgenommen werden, allerdings unterliegt das Empfinden von „angenehmen Licht“ immer auch individuellen, wahrnehmungspsychologischen Variablen.       
  • Warmweißes Licht:  bis 3200 K
  • Neutralweißes Licht: 3.200 bis 5.500 K
  • Tageslichtweißes Licht: ab 5.500 K

Wichtige Kenngrößen

Strom (I) und Spannung (U)

LEDs sind Halbleiter – und damit abhängig von Strömen und Spannungen. Sowohl Strom als auch Spannung legen den Arbeitspunkt einer LED fest, die typischen Durchlassspannungen liegen – je nach Farbe – zwischen 1,2 und 4,5 Volt.  In elektronischen Schaltungen benötigen LEDs daher immer einen entsprechenden Vorwiderstand, der die Spannung der LED-Kennlinie anpasst. In Strahlern regulieren inzwischen Chips die Betriebsspannung.     

Candela, Lumen und Lux – wie hell wird’s denn werden?  

Während es früher ein leichtes war, die Helligkeit konventioneller Leuchtmittel über die Leistungsangabe in Watt zu definieren (Deckenleuchte = 60 Watt), fallen zur  Ermittlung von „Helligkeit“ bei den LEDs andere Kenngrößen ins Gewicht, da die neuen Leuchtmittel nur noch einen Bruchteil der Energie von Glühlampen benötigen, um die gleiche Menge an Licht zu erzeugen. Für den Vergleich bzw. eine Leistungsorientierung helfen die Größen von Lichtstrom (Lumen) und Abstrahlwinkel. Weiter können auch die abgeleiteten Einheiten Lichtstärke (Candela) und Beleuchtungsstärke (Lux) wichtige Informationen zur Lichtausbeute geben. Aber langsam:
  • Lumen: Maß für den Lichtstrom, d.h. die insgesamt abgegebene Strahlungsleistung in einem Raum. Die Maßeinheit berücksichtigt die Empfindlichkeit des menschlichen Auges, das seine maximale Empfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 555 nm besitzt. 1 Lumen ist der Lichtstrom, der von einer 1,464 mW starken Lichtquelle (555 nm) mit 100 % Lichtausbeute ausgeht.
  • Candela: Maß für die Lichtstärke, d.h. für den auf den Raumwinkel bezogenen Lichtstrom.               
  • Lux: Maß für die Beleuchtungsstärke, d.h. für den auf eine Nutzungsebene auftreffenden Lichtstrom (Lumen pro Quadratmeter bzw. lm/m²).   
Je größer der Lichtstrom und je größer der Abstrahlwinkel, desto heller und diffuser wird das Licht im Raum verteilt. Ob das nun mit 6 oder 12 Watt LEDs erreicht wird, ist für die Helligkeit so ziemlich egal. Orientieren Sie sich beim LED-Einsatz also immer an den Lumen-Werten. Die Leistungsangabe in Watt bezieht sich – wie bei konventionellen Glühlampen auch – auf die Leistungsaufnahme, sprich den Stromverbrauch der LED. Eine Brücke zwischen Watt und Lumen, sprich der Leistungsaufnahme und dem daraus erzeugten Lichtstrom, bildet die Effizienz bzw. Wirkungsgrad. Noch vor einigen Jahren lag diese bei ca. 40 lm/ W, Anfang 2013 wurden (unter Laborbedingungen) bereits 280 lm/Watt aus einer weißen Power-LED gequetscht. Selbst unter Abzug der der Laborumgebung (geringere Ströme, kurze Leuchtdauer, optimale Umgebungstemperaturen) ergeben sich beim LED-Einsatz unter normalen Einsatzbedingungen Wirkungsgrade von ca. 30%.  Konventionelle Glühlampen erreichen ca. 15 lm/Watt – und damit einen Wirkungsgrad von 5% und weniger. Bitte beachten Sie: Das Rechnen und Berechnen von „Wirkungsgraden“ ist im Beleuchtungskontext meist nicht physikalisch „sauber“, denn eine Angabe von Prozentwerten macht nur Sinn, wenn Nutzgröße und Verbrauchsgröße physikalisch identische Dimensionen haben. Der Wirkungsgrad von 5 % einer Glühlampe mag in Hinblick auf „elektrische Energie zu (sichtbarem) Licht“ zwar stimmig sein, betrachtet man eine Glühlampe jedoch unter dem Blickwinkel „elektrische Energie zu Wärme“ ist eine Glühbirne ein hocheffizienter Abnehmer. Eine Kennung der Lichtausbeute kann daher sinnvollerweise nur über Lumen/Watt erfolgen.    

Zum Vergleich: Die folgende Übersicht gibt einen ungefähren Anhaltspunkt darüber, welche Leuchtmittel mit wie viel Watt eine bestimmte Lumenanzahl erzeugen.

 Lichtstrom (Lumen)

Glühlampe (Watt)
NV-Halogen
(Watt)
HV-Halogen
(Watt)
 Energiesparlampe
(Watt)
 100 15
 10  -  3-5
 200-250 25
-
 - -
 300 -
 20 25
 7
 400 40
 -  -  9-10
 500 -
 -  40  11
 600 -
 35  -  -
 700-800 60
 -  -  -
 800 -
 50  60  -
 900-1000 75
 -  -  15
 1200 -
 -  -  20
 1300-1500 100
 75  100  23
 2000 150
 100  -  -
 2500 -
 -  150  -
 3000 200
 -  -  -
 5000 -
 -  300  -
 10000 -
 -  500  -
 20000 -
 -  1000  -
 40000 -
 -  2000  -

Kleine Hitzköpfe: Die Sache mit der Temperatur     

Der Wirkungsgrad von Leuchtmitteln gibt (grob zusammengefasst) eine Aussage darüber, wie effizient Energieumwandlungen vorgenommen werden, sprich wie viel elektrische Energie in (sichtbares) Licht umgewandelt wird.  Wie eben erläutert, beträgt der Wirkungsgrad herkömmlicher Glühlampen lediglich 5 % -  das bedeutet, dass die restlichen 95 % der aufgenommen Energie alles Mögliche befeuern, nur eben keine Photonen mit sichtbarer Wellenlänge. Das Ergebnis: Glüh- und Halogenlampen sind Heizungen (die nebenbei noch ein bisschen Licht emittieren), die am Glaskörper bis zu 200°C warm werden können. Ein Großteil der Energie wird bei Glühlampen also in Wärmestrahlung umgesetzt – und bei LEDs ist das nicht anders.

Wir haben hier Wirkungsgrade von 20- 30 %, das heißt, dass LEDs ebenfalls 70-80 % der aufgenommen elektrischen Energie als Wärme in den Raum abgeben. Zwar ist die Stromaufnahme und damit auch die Gesamtenergie geringer, dennoch können LED-Strahler bzw. LEDs mit besonders hohen Betriebsströmen problemlos Temperaturen von bis 120°C erreichen. Da die Lebensdauer von LEDs auch von der Betriebstemperatur abhängig ist, achten viele Hersteller auf ein effizientes Thermomanagement (Wärmeableitung) ihrer Hochleistungs-LEDs (ab 1 Watt).         
          
In den meisten Fällen ist eine passive Kühlung ausreichend, bei der die Wärme über Platine und Leuchtengehäuse abgeführt wird. Kühlrippen vergrößern die Oberfläche des Gehäuses und unterstützen die Wärmeableitung. Gleiches gilt für Gehäusekörper aus reinem Aluminium: Durch die gute Wärmeleitfähigkeit kann die entstehende Wärme schneller an die Umwelt abgegeben werden, als es beispielsweise bei Gehäusen aus PVC der Fall ist.  Reicht eine passive Kühlung nicht mehr aus, kommen aktive Kühlkomponenten (Luft oder Wasser) zum Einsatz. Diese kühlen zwar in der Regel sehr ordentlich, allerdings entstehen durch den Lüfter Geräusche.   

Jetzt umsteigen?

Der Einsatz von LEDs reduziert sich schon seit Längerem nicht mehr auf Signalgeber oder Standby-Anzeigen. Der Paradigmenwechsel von Glühlampe zu LEDs zieht sich momentan durch alle Bereiche der Beleuchtungstechnik. Eine der häufigsten Fragen: Ist die Zeit reif, konventionelle Leuchtmittel komplett durch LEDs zu ersetzen? Die Antwort ist ein: Ja, aber. Nicht wegzudiskutieren ist die geringere Leistungsaufnahme von LEDs bei vergleichbarem Lichtstrom. Konkret übersetzt: Sie sparen Energie, und das gar nicht mal zu knapp. Wie oben beschrieben sind LEDs um maximal 80 % effizienter als Glüh- oder Halogenlampen, ergo lässt sich der Energieverbrauch um das ca. 6-fache senken. Das macht sich natürlich positive auf der Stromrechnung bemerkbar, relativiert sich jedoch unter Einbezug der Investitionskosten. Die Preise für LEDs sind in den vergangen Jahren zwar deutlich gesunken, dennoch liegen die Kosten hochleistungsfähiger LEDs und LED-Strahler über denen vergleichbarer Halogenstrahler. Vor dem Hintergrund steigender Energiekosten lohnt sich dennoch in den meisten Fällen eine Umrüstung genauso wie die Erstausstattung gewerblicher Flächen mit LEDs. Alles in allem ergeben sich folgende Vorteile, die für einen Einsatz von LED-Lampen sprechen:
  • Energiesparpotential: bis zu 80 % weniger Stromverbrauch
  • Langlebigkeit: bis zu 50.000 Stunden Einsatzdauer (gegenüber ca. 5.000 Stunden bei konventionellen Glühlampen)    
  • Reduzierte Wärmeentwicklung am Leuchtkörper
  • Keine giftigen Stoffe wie Quecksilber (bei Energiesparlampen) enthalten
  • Einfaches Recycling
  • Keine Einschaltverzögerung; LEDs sind sofort und mit 100 %iger Helligkeit betriebsbereit  
  • Festigkeit gegenüber Stößen und Vibrationen
  • Kompakte Bauform
Die Nachteile sollen nicht unerwähnt bleiben
  • Investitionskosten: Trotz fallender Preise sind (hochwertige) LED-Lampen im Vergleich zu konventionellen Leuchtmitteln teuer.
  • Qualitätsunterschiede: Manche Billig-Importe halten nur unzureichend, was sie laut Datenblatt versprechen. Da kann „warmweißes“ Licht unangenehme violette Stiche besitzen und der vermeintliche Kühlkörper eine Attrappe aus Plastik sein. Achten Sie daher immer auf die Qualität der Bauteile.
  • Wärmeentwicklung am Gehäuse: Besonders bei leistungsstarken LEDs ist eine gute Gehäusekühlung notwendig
  • Strahlungswinkel: LED-Lampen strahlen nur in eine Richtung, große Abstrahlwinkel sind aufwändig bzw. noch nicht realisierbar                  

Kein IR und kein UV  

LEDs emittieren – wie oben erwähnt – monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge. Das führt logischerweise dazu, dass im Lichtspektrum einer LED (sofern es sich nicht um eine Infrarot-LED handelt) weder Infrarot- noch UV-Strahlenanteile enthalten sind. Zwar ist ultraviolettes Licht (UV-A und UV-B-Strahlung) in Maßen für den Menschen verträglich und sogar anregend, dennoch schädigt sie – genau wie IR-Strahlung – bei längerem Kontakt den menschlichen Organismus. Ebenfalls beschleunigt UV-Strahlung das Ausbleichen von Gegenständen oder Kleidung.           

Was ist zu beachten?

Den Halogen-Spot einfach durch einen entsprechenden LED-Spot ersetzen? Technisch sind die Hürden (durch entsprechendes Platinendesign, Vorschaltgeräte bzw. Normsockel) zwar genommen, dennoch verhält sich die Sache etwas komplexer. Wie eingangs erwähnt sind Abstrahlwinkel, Strahlungsleistung sowie Farbtemperatur die entscheidenden Kriterien für LEDs. Will man eine bereits vorhandene Leuchtquelle durch eine LED mit identischem „Beleuchtungsergebnis“ ersetzen, kommt mit um eine Auseinandersetzung mit den entsprechenden Datenblättern und manchmal sogar ein wenig Rechnerei nicht herum. Doch auch das ist kein Hexenwerk, oft geben Hersteller Referenzen an, mit denen sich die zu erwartende Helligkeit bereits recht gut einordnen lässt. Noch ein Wort zur Spannungsversorgung: LEDs mögen konstanten, gerichteten Stromfluss ohne Spitzen. Durch entsprechende Vorschaltgeräte bzw. Trafos kann diese sichergestellt werden.
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