Ratgeber
Ein Leben ohne Leuchtdioden ist heute kaum noch vorstellbar. Zu überzeugend sind ihre ökologischen und ökonomischen Vorteile: Sie verbrauchen gegenüber herkömmlichen Lichtquellen sehr wenig Energie, sie sind erheblich langlebiger, preiswerter, kleiner, leichter und genauso einfach zu montieren. Hier geben wir Ihnen einen Überblick über Aufbau und Funktion bedrahteter LEDs, also jener LEDs, die in erster Linie für optische Signale Verwendung finden.
Eine LED ist ein Halbleiter, der Licht aussendet, wenn er von Strom durchflossen wird. Die Elektronen im Halbleiter interagieren mit Elektronenlöchern und emittieren dabei Energie in Form von Lichtteilchen, den Photonen. Die dafür von den Elektronen benötigte Energie bestimmt die Farbe des Lichts.
Die ersten LEDs, die 1962 als elektronische Komponenten erschienen, erzeugten unsichtbares infrarotes Licht niedriger Intensität. Solche Infrarot-LEDs sind nach wie vor in Fernbedienungen zu finden, beispielsweise zur Steuerung von Geräten der Unterhaltungselektronik. Im Bereich des sichtbaren Lichts kamen zunächst LEDs von geringer Intensität und mit roter Strahlung auf den Markt. Inzwischen gibt es LEDs mit erheblich höherer Lichtleistung sowohl für den sichtbaren als auch für den ultravioletten und infraroten Wellenlängenbereich. Im Gegensatz zu einer Laserdiode ist das von einer normalen LED ausgestrahlte Licht aber weder spektral kohärent noch auch nur stark monochromatisch. Sein Spektrum ist jedoch so schmal, dass es dem menschlichen Auge als reine Farbe erscheint.
Wie alle Dioden besitzen auch Leuchtdioden einen Minuspol, die Kathode, und einen Pluspol, die Anode. Bei bedrahteten Typen sind die Pole an der Länge der Anschlussdrähte erkennbar: Der längere Draht führt bei nahezu allen marktgängigen LEDs zum Pluspol, also zur Anode, der kürzere Draht zur Kathode.
Da es sich bei LEDs um relativ empfindliche Halbleiterbauelemente handelt, darf der zulässige Strom bei allen Modellen und für alle Leistungen nicht überschritten werden.
Typisch sind 10 bis 30 Milliampere für eine Low-Power-LED und etwa 350 bis 1000 Milliampere für eine High-Power-LED. Aus diesem Grund ist eine Strombegrenzungsschaltung nötig, in der Regel ein Reihenwiderstand für kleine Leistungen.
Mehrere LEDs lassen sich in einem Reihen- oder Reihen-Parallel-Schema gruppieren. Da sich dabei die Gleichspannungen summieren, ist es möglich, den Reihenwiderstand zu verringern und damit den Wirkungsgrad des Bauelements zu erhöhen.
Der maximal zulässige Strom wird mit der Anzahl der parallel geschalteten Dioden multipliziert.
Allerdings steigt der Strom in einer LED exponentiell mit der angelegten Spannung. Schon eine kleine Erhöhung der maximalen Sperrspannung von fünf Volt verursacht eine große Änderung des Stroms, die bis zur Überhitzung und damit zur Zerstörung der LED führen kann.
Die Stromzuführung sollte deshalb immer durch eine Konstantstromquelle und über einen Vorwiderstand erfolgen.
Durch die Auswahl verschiedener Halbleitermaterialien lassen sich farbige LEDs herstellen, deren Licht in einem schmalen Wellenlängenbereich vom nahen Infrarot über das sichtbare Spektrum bis in den ultravioletten Bereich emittiert. So erzeugen Halbleiter auf der Basis von Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) infrarotes und rotes Licht, bei Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) leuchten die Dioden rot, orange oder gelb, bei Galliumphosphid (GaP) gelbgrün und bei Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) ultraviolett, violett, blau und grün.
Die erst seit wenigen Jahren zur Verfügung stehenden blauen LEDs verfügen über einen aktiven Bereich, der aus einem oder mehreren InGaN-Quantenquellen besteht, die zwischen dickeren GaN-Schichten, den sogenannten Mantelschichten, eingebettet sind. Durch Variation des relativen In/Ga-Anteils in den InGaN-Quantenquellen lässt sich die Lichtemission theoretisch von violett bis bernsteinfarben variieren.
Zur Herstellung von weißen Leuchtdioden existieren zwei Hauptverfahren. Eine besteht darin, einzelne LEDs in den drei additiven Grundfarben Rot, Grün und Blau auf engstem Raum zu platzieren. Ab einer bestimmten Entfernung nimmt das Auge die Mischung der Grundfarben als Weiß wahr. Ein anderes, mittlerweile bevorzugtes Verfahren ist die Verwendung eines Phosphormaterials zur Umwandlung von monochromatischem Licht einer blauen oder UV-LED in weißes Licht. Der gelbe Phosphor lässt beispielsweise weiße Hochleistungs-LEDs im ausgeschalteten Zustand gelb erscheinen, eingeschaltet dringt durch den Raum zwischen den Phosphorkristallen etwas blaues Licht durch, was sich für das Auge zu Weiß addiert.
Multicolor-LEDs bieten in einem Gehäuse verschiedenfarbiges Licht. Die meisten wahrnehmbaren Farben lassen sich durch Mischen verschiedener Intensitäten der drei in Grundfarben leuchtenden Halbleiter erzeugen. Dies ermöglicht eine präzise dynamische Farbsteuerung. Allerdings nimmt die Emissionsleistung dieser Art von LEDs mit steigender Temperatur exponentiell ab, was zu einer erheblich geringeren Farbstabilität führt.
Die Skala im LED-Sortiment reicht von sehr kleinen roten, grünen, gelben und blauen Miniatur-SMD-LEDs zur Oberflächenmontage bis zu LEDs mit Drahtanschlüssen im 8-Millimeter-Gehäuse für die Durchsteckmontage. Gängige Leuchtdioden besitzen einen Durchmesser von fünf Millimeter und sind radial bedrahtet, die Anschlussdrähte liegen somit nebeneinander. Typische Nennströme finden sich im Bereich von etwa einem bis über 20 Milliampere. Mehrere LED-Chips, die an einem flexiblen Trägerband befestigt sind, bilden ein LED-Leuchtband.
Gängige Gehäuse sind rund mit einer gewölbten oder flachen Oberseite, rechteckig mit einer flachen Oberseite und dreieckig oder quadratisch mit einer flachen Oberseite. Die Verkapselung aus Epoxidharz kann auch klar, diffus oder getönt sein, um den Kontrast und den Betrachtungswinkel zu verbessern. Zur Fokussierung des erzeugten Lichts besitzen Standard-LEDs Linsen mit Abstrahlwinkeln zwischen 4 bis 360 Grad. Zur Verfügung stehen außerdem LEDs mit Außen- oder Innenreflektor.
Die Lichtabgabe einer LED kann in Lumen und Candela angegeben sein. Lumen bezeichnet den Lichtstrom der Leuchtdiode, genauer die Lichtleistung, die nach allen Seiten ausgestrahlt wird. Candela dagegen wird dann verwendet, wenn die LED beispielsweise durch eine eingebaute Linse bevorzugt in eine ganz bestimmte Richtung leuchtet und beziffert werden soll, wie gut das menschliche Auge dieses Licht wahrnimmt. Da die weitaus meisten bedrahteten LEDs Linsen besitzen, finden sich in deren technischen Daten denn auch Angaben in Candela. Die Abkürzungen für Candela lautet „cd“, die für Millicandela „mcd“.
Ein Beispiel: Eine weiße bedrahtete Standard-LED mit 5 Millimeter Durchmesser und 20 Grad Abstrahlwinkel liefert eine Lichtstärke 12.500 Millicandela oder 1,2 Lumen. Verglichen mit einer herkömmlichen 40-Watt-Glühlampe ist dies sehr wenig – diese strahlt nämlich rund 400 Lumen nach allen Seiten aus.
Aus dieser Berechnung wird klar, dass bedrahtete Standard-LEDs in erster Linie Signalfunktionen übernehmen können und sich nicht unbedingt als Lichtquelle eignen.
Was sind LEDs?
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 in unserem Ratgeber kurz erklären. Jetzt mehr erfahren