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LED-Technik: Was ist eine LED?

LED

LED ist die Abkürzung für „Light Emitting Diode“. Es handelt sich dabei um ein Halbleiterbauteil, das Licht emittiert, wenn es von Gleichstrom durchflossen wird. Die Farbe des erzeugten Lichts ist abhängig vom Aufbau des LED-Chips und von den verwendeten Materialien. LEDs sind temperatursensible dimmbare Punklichtquellen, die ihr Licht halbkugelförmig nach vorne abgeben.

Übersicht zum Thema LED-Technik

Das ERCO Lichtwissen gibt es auch als Whitepaper:

Wie funktioniert LED-Technik?

Halbleiterdioden lassen elektrischen Strom nur in einer Richtung passieren. Im Betrieb fließt ein fester Strom durch die Halbleiterschichten und an der LED fällt eine typenspezifische Spannung („Vorwärtsspannung“ oder auch „Durchlassspannung“) ab. Bei der dabei stattfindenden Rekombination von Ladungsträgerpaaren („Löcher“ und „Elektronen“) wird Energie frei, die in Form von Licht emittiert (Elektrolumineszenz).

Wie sind LEDs aufgebaut?

LEDs bestehen, vereinfach betrachtet, aus einem Trägermaterial, auf dem die Halbleiterschichten für die Lichterzeugung aufgebracht sind. Bei einer weiß leuchtenden LED ist in der Regel noch eine Konversionsschicht aus Leuchtstoff (Phosphorverbindungen) aufgebracht, die mit bloßem Auge als gelbe Oberfläche sichtbar ist. Den Abschluss bildet je nach Bauform eine Linse, die zum einen den Chip schützt und zum anderen das Licht ausleitet.

Die genaue Lichtfarbe, das Farbspektrum sowie auch die Lichtausbeute sind abhängig von den Materialien der Halbleiter sowie bei weißen LEDs von der Art und Auftragsstärke des Leuchtstoffs in der Konversionsschicht. Im Herstellungsprozess sind Streuungen der LED-Eigenschaften unvermeidlich. Aus diesem Grund werden die LEDs im Nachhinein hinsichtlich ihrer Lichtfarbe und anderen Merkmalen entsprechend in Bins sortiert, man spricht hier auch von LED-Binning.

Wie entsteht weißes LED-Licht?

Weißes LED-Licht kann auf zwei Wegen erzeugt werden:

  1. Es wird eine Konversionsschicht (Leuchtstoff) aus unterschiedlichen Phosphorverbindungen aufgetragen. Diese Phosphorverbindungen werden durch das blaue Licht angeregt und beginnen zu leuchten. Man spricht hier von „Lumineszenskonversion“. Über die Auswahl und die Stärke der verwendeten Phosphorverbindungen werden entlang des Planck’schen Kurvenzugs (engl. Black body curve) die unterschiedlichen Lichtfarben von Warmweiß bis Tageslichtweiß erzeugt. Je dicker die Leuchtstoffschicht, desto wärmer ist die Lichtfarbe, gleichermaßen sinkt allerdings auch die Lichtausbeute (lm/W) der LED. Weißes LED-Licht für Beleuchtungszwecke hat im Allgemeinen gar keinen oder nur einen sehr geringen Anteil an UV-Licht.

  2. Weißes Licht kann auch durch additive Farbmischung von LED-Licht in den Grundfarben Rot, Grün und Blau erzeugt werden. Durch das lückenhafte Spektrum sind die Farbwiedergabeeigenschaften des erzeugten weißen Lichts allerdings problematisch.

LED-Technik: Was ist effektives Wärmemanagement?

LEDs erzeugen im Betrieb Wärme – gleichzeitig sind sie sehr temperaturempfindlich. Aus diesem Grund ist für leistungsstarke und langlebige LED-Leuchten ein effektives Wärmemanagement notwendig. Wärmeleitende Leiterplatten und gegebenenfalls Kühlkörper führen die Wärme ab. Dadurch bewahren die LEDs über einen langen Zeitraum ihre Leistungsfähigkeit.

LED-Technik: Welche LED-Bauformen werden für Leuchten verwendet?

Heute werden in Leuchten nahezu ausschließlich SMD LED und COB Module verwendet.

SMD LED

Bei der Bauform "Surface Mounted Device" (SMD) wird das elektronische Bauteil, hier die LED, direkt auf der Leiterplatte verlötet. Bei der Leiterplatte handelt es sich oft um eine Metallkernleiterplatte, welche die Wärme direkt an der LED aufnimmt und ableitet. Die kleine Bauform ermöglicht miniaturisierte Projektionsoptiken, sehr definierte Lichtverteilungen und enge Öffnungswinkel.

SMD LEDs werden mit unterschiedlichen Spektren, Farbtemperaturen und Leistungsklassen angeboten: High-power und Mid-power LEDs. High-power LEDs haben in der Regel eine Leistungsaufnahme ab 1W. Leuchten mit Mid-power haben eine geringere Leuchtdichte an der Lichtaustrittsfläche und eignen sich damit besonders gut für Anwendungen, bei denen Blendungsbegrenzung relevant ist.

COB Module

LED

Die "Chip-on-Board" (COB) Technologie setzt LED-Chips ohne eigenes Gehäuse direkt auf eine Leiterplatte. Gegen äußere Einflüsse wird der Chip durch Verguss geschützt. Diese LED-Bauformen werden für Beleuchtungszwecke häufig in Verbindung mit Reflektoren eingesetzt. Der Durchmesser der leuchtenden Oberfläche (LES: Light Emitting Surface) einer COB ist ein charakterisierendes Merkmal.

Was sind die Vorteile von LEDs?

Der Einsatz von LEDs in Beleuchtungsanwendungen bietet viele Vorteile:

  • Sehr hohe Effizienz bei der Lichterzeugung

  • Lange Nutzlebensdauer: Leuchten können über viele Jahre ohne Wechsel des Leuchtmittels betrieben werden, daraus resultieren geringe Wartungskosten

  • Sehr hohe Funktionssicherheit, LEDs sind sehr robust und stoßunempfindlich

  • Minimale UV- und IR-Anteile erlauben die konservatorisch sichere Anwendung auch für empfindliche Objekte, beispielsweise in Museen oder Galerien

  • LEDs können farbiges Licht mit hoher Sättigung erzeugen, dadurch können sehr große Bereiche (Gamut) in beliebigen Farbräumen abgedeckt werden

  • Kleinere Bauformen von LEDs bieten neue Möglichkeiten im Leuchtendesign

  • LEDs erlauben eine hochpräzise und effiziente Lichtlenkung

  • Gute Ansteuerbarkeit (Dimmung): Mit geeigneten Betriebsgeräten ist eine sehr gute Leistungsregelung möglich.

Das ERCO Lichtwissen gibt es auch als Whitepaper:

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