LED-Beleuchtung 2

LED-Beleuchtung wird im privaten und gewerblichen Bereich immer häufiger als Ersatz für herkömmliche Beleuchtungslösungen verwendet.

Trotz der anfänglichen technischen Einschränkung, dass die ersten LEDs nur schwaches rotes Licht ausstrahlen konnten, sind alle nachfolgenden Entwicklungen so weit fortgeschritten, dass das sichtbare Licht nun als gängige Alternative für Glühlampen (mit Glühfäden) betrachtet werden kann.

 

Die Geschichte der LED

Anknüpfend an das Phänomen der Elektroluminiszenz (zu verschiedenen Zeitpunkten des zwanzigsten Jahrhunderts beobachteten Forscher und Wissenschaftler, dass die Halbleitermaterialien aufleuchten, wenn ein Strom durch sie hindurchfließt), wurde die erste „richtige LED“ von einem Wissenschaftler erfunden, dessen Name von den Entwicklungen auf diesem Gebiet verborgen geblieben ist, da diese erst mehrere Jahrzehnte nach dessen Tod stattfanden.

Mitte der 1920er Jahre notierte Oleg Losev, dass Licht von Zinkoxid- und Karbidkristall-Gleichrichtern ausgestrahlt wird, sobald ein Strom durch sie hindurchfließt. Der daraus resultierende Aufsatz über die Emission von Siliziumkarbiddioden erläuterte ganz genau das, was heute über das Verhalten von Dioden bekannt ist. Aus Losevs Arbeit ging genau hervor, dass die Lichtemission der Diode nicht wärmegebunden war. Späteren Entwicklungen griff er bereits vor, indem er die Strom- und Spannungsattribute der Diode maß.

Losevs Arbeit ging im Nebel der Aufruhre Mitte der 1920er Jahre verloren und während der Blockade von Leningrad kam er auf tragische Weise durch die Nazis ums Leben.

Letztendlich dauerte es weitere zwanzig Jahre, bis die übrige Forschungsgemeinschaft seine Gedanken aufgriff. Gary Pittman und James Baird arbeiteten bei Texas Instruments, als sie entdeckten, dass Galliumarsenid, ein damals beliebtes Halbleitermaterial, Licht mit infraroten Wellenlängen ausstrahlte, wenn ein Strom hindurchfloss. Ausgehend von einem P-N-Übergang (der den Stromfluss in nur eine Richtung zuließ, jedoch nicht in die andere) und durch Verwendung eines Kathodenkontakts mit gewissem Abstand für die Ausstrahlung von Infrarotlicht konnten sie die Grundlage für die Herstellung der ersten LED schaffen.

Da das ausgesendete Licht der Dioden im nicht sichtbaren Bereich lag, war sein Nutzen zu dem Zeitpunkt abgesehen von Sensor- und photoelektrischen Anwendungen eingeschränkt. Der Durchbruch im sichtbaren Spektrum des Lichts kam 1962, als Nick Holonyak Jr von der General Electric Company die erste Leuchtdiode mit Licht im sichtbaren Spektrum unter Verwendung der Halbleiterlegierung Galliumarsenidphosphid entwickelte.

Unternehmen wie Monsanto und Hewlett-Packard waren nun in der Lage, LEDs nach industriellem Maßstab zu produzieren, obwohl die ausgestrahlte Lichtleistung verglichen mit späteren Entwicklungen noch relativ gering war.

Erst mehrere Jahrzehnte später gelang Wissenschaftlern und Technikern der Durchbruch in der Herstellung weiß strahlender LEDs als Ersatz für die Glühlampe. Im Jahre 1996 demonstrierte die japanische Firma Nichia, dass die Herstellung von Dioden mit weißem Licht durch Abdeckung einer blauen Diode mit weißem Phosphor möglich war. Sobald der Strom fließt und die Diode blaues Licht aussendet, trifft es auf die Innenfläche des Phosphors und wird zu weißem Licht. Auch nachfolgende Experimente, bei denen RGB- (bzw. reflektiertes) Licht „angemischt“ wurde, stellten sich als erfolgreich heraus.

 

Verschiedene Beleuchtungen

LEDs sind im Grunde genommen Halbleiter, die den partiellen Stromfluss durch Halbleitermaterialien ausnutzen, um Licht in verschiedenen Farben mit unterschiedlicher Intensität zu produzieren. LEDs werden zum Beispiel in KFZ-Armaturen, Verkehrsampeln, elektrischen Haushaltsgeräten und Lampen eingesetzt und sind erheblich energieeffizienter als herkömmliche Glühlampen. Darüber hinaus ist ihre Lebensdauer bei optimaler Nutzung länger.

 

MR16-LED-Beleuchtung

MR-16-LED-Beleuchtung ist eine Alternative zu MR16-Halogenleuchtmitteln. Exakt definiert steht „MR“ für Mehrfacetten-Reflektor und bezeichnet einen Reflektor mit mehreren Flächen, der das vom Glühelement ausgestrahlte Licht „sammelt“ und zu einem Strahl konzentriert. Halogenleuchtmittel sind verglichen mit LEDs relativ ineffizient. LEDs benötigen keinen internen Reflektor im Lampengehäuse, da sie das Licht bereits gerichtet ausstrahlen.

 

LED-Einbauleuchten

LED-Einbauleuchten dienen als Ersatz für Einbaustrahler und Leuchten, die bereits in einem Raum vorhanden sind. Sie werden zwar als Ersatz für Halogenbeleuchtungen angeboten, jedoch sind sie ebenso ein effizienter Ersatz für Glühlampen.

Die meisten Halogen-Einbauleuchten verbrauchen etwa 55 Watt. LED-Alternativen unterbieten diese Zahl mit sagenhaften 4-einhalb bis 14 Watt, ohne dass damit merklich an Helligkeit verloren geht.

 

LED-Fluter

Diese Beleuchtungen sind als Alternative für Halogen- oder Glühlampenfluter vorgesehen und überzeugen mit einer Lebensdauer von mehr als 50.000 Stunden. Als Wattzahl wird in der Regel ein Wert zwischen 10 und 200 angegeben, was einer Leuchtkraft von Glüh- oder Halogenlampen im Wattbereich zwischen 20 und 1260 gleichkommt.

 

LED-Deckenleuchten

LED-Deckenleuchten werden entweder als eingelassene Elemente oder in unterschiedlichen Ausführungen als montierbare Leuchten angeboten, unter anderem als Hängeleuchten, Spotlichter und Kristallleuchter. LED-Deckenleuchten erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, da sie „kalt“ funktionieren (d. h. wenig exotherme bzw. Wärmeenergie produzieren) und den zusätzlichen Vorteil aufweisen, dass sie direkt nach dem Umlegen des Lichtschalters ihre optimale Leuchtkraft erreichen.

 

LED-Taschenlampen

LED-Taschenlampen arbeiten mit weißen LEDs und ersetzen Taschenlampen, in denen sich herkömmliche Glühlampen befinden. Da sie bekanntermaßen effizienter arbeiten als Verfahren, bei denen Licht durch den elektrischen Widerstand eines Glühfadens erzeugt wird, liefern die Dioden einer LED-Taschenlampe rund 100 „Lumen“ pro Watt (Lumen ist definiert als der Gesamtlichtertrag im sichtbaren Spektrum, das von einem Bauteil ausgestrahlt wird) verglichen mit 8 – 10 Lumen pro Watt bei einer Taschenlampe, in der eine Glühlampe als Lichtquelle eingesetzt wird. Zu den weiteren Vorteilen zählen eine längere Batteriehaltbarkeit und ein Leuchtelement in der Taschenlampe, das nicht so bruchanfällig ist.

 

Sylvania Beleuchtung

Sylvania Beleuchtung wird von der Firma Havells Sylvania entwickelt und hergestellt. Die Firma besitzt über einhundert Jahre Erfahrung in der Beleuchtungsindustrie. Sylvania stellt nicht nur Außen- und Innenleuchten unter Verwendung verschiedener Technologien wie Halogen, LED und Glühlampen her, zu ihren Spezialgebieten gehören auch Einbauleuchten, LED-Kugeln, LED-Rohre und eingelassene Leuchtmodule.

 

Solarladegerät

Solarladegeräte arbeiten mit Photovoltaikmodulen, um die Sonnenenergie auszunutzen und in elektrische Energie umzuwandeln. Lichtenergie in Form von Sonnenstrahlen wird in Gleichspannung (DC) umgewandelt und an das angeschlossene Gerät weitergeleitet, in dem sich die Batterie befindet. Viele Solarladegeräte verfügen auch über USB-Anschlüsse, sodass der interne Akku über einen Computer oder über einen am Netz angeschlossenen USB-Adapter geladen werden kann.

 

Technische Elemente der LED-Beleuchtung

LED-Leuchten setzen auf unser Wissen über die bekannten Eigenschaften von Halbleitern auf. Einfacher ausgedrückt ist eine LED ein Bauelement, das durch „Dotierung“ chemisch polarisierte Halbleiter einsetzt, um den Elektronenfluss zwischen zwei Polen gezielt zu steuern. Die von den Elektronen gelieferte Energie wird während der Wanderung durch das Bauelement in Licht umgewandelt.

Das zugrunde liegende Funktionsprinzip lässt sich anhand eines einfachen Beispiels erläutern: Bei der Glühlampe kommt noch immer das Grundprinzip zur Anwendung, das ursprünglich von Thomas Edison definiert wurde. Durch den Widerstand an einem Glühfaden entsteht ein Wärmestau, der letztendlich zur Erzeugung von sichtbarem Licht führt. Statt den Widerstand zur Erzeugung von Leuchtkraft zu nutzen, erzeugen LEDs am Übergang zwischen zwei Halbleitermaterialien Licht. Das auf diese Weise entstehende Licht ist eine Funktion der am Übergang anliegenden Spannung.

Der Baustein für eine LED ist das Halbleitermaterial. Das ist überwiegend Silizium in Form eines Chips. Halbleiter verfügen über Eigenschaften, die zwischen einem Leiter wie etwa Metall und einem Nichtleiter wie z. B. Gummi liegen. Dadurch lassen sie sich gezielt manipulieren, um den Elektronenfluss zu steuern. Der Chip wird auf einen speziellen Becher aufgebracht, der als Reflektorbecher bezeichnet wird. Anschließend kommt er in einen aus Blei aufgebauten Rahmen. An dem Rahmen werden zwei Drähte angebracht. Anschließend wird die gesamte Baugruppe in einer Epoxidlinse untergebracht. Der Halbleiterchip ist in zwei Regionen unterteilt: in der einen befindet sich die positive und in der anderen die negative Ladung. Diese beiden Ladungen tragen die Bezeichnungen N und P, die auch für den charakteristischen N-P-Übergang der Diode verwendet werden.

Sobald Strom durch den Chip fließt, werden negative und positive Elektronen miteinander kombiniert und es kommt zu einem Übergang zu einem kleineren Energieniveau. Je nachdem, wie das Halbleitermaterial „dotiert“ bzw. durch kleinste Mengen „Fremdmaterial“ zur Veränderung des Chipverhaltens manipuliert wurde, werden Lichtelemente (so genannte Photonen) ausgestrahlt, die je nach Dotierungsstoff andere Eigenschaften aufweisen. Die Eigenschaften des von der Diode ausgestrahlten Lichts hängen letztendlich von den Materialien im Chip, vom Halbleiterwerkstoff (Dotierungsmaterial) und den Eigenschaften des Reflektorbechers ab.

 

Weißlicht-LEDs

Wenn Glüh- oder Halogenlampen ersetzt werden sollen, wird in der Regel nach einem ähnlichen oder exakten Ersatz gesucht, der ein ähnliches oder sogar besseres Ergebnis vorweisen kann als die bisherige Lösung. In jüngster Zeit sind Weißlicht-LEDs zu einer gängigen Alternative für herkömmliche Beleuchtungen geworden, da die Tendenz in Richtung einer effizienteren Beleuchtung immer stärker wird.

Als Reaktion auf die roten, grünen und blauen LEDs, die in den Jahren nach der Massenproduktion der ersten LEDs in den 1960er Jahren auf den Markt kamen, sind Weißlicht-LEDs auf dem Markt erschienen. Durch eine Kombination aller drei Farben mit unterschiedlichen Leuchtstärken lassen sich alle Farben im sichtbaren Lichtspektrum erzeugen.

Technisch ausgedrückt regulieren photosensorische Zapfenzellen in der Netzhaut das Vermögen des Auges, Licht als „weiß“ aufzufassen. Wenn diese mit bestimmten Werten angeregt werden, werden die Informationen, die über den optischen Nerv an das Gehirn übertragen werden, anhand dieser Werte als Farben interpretiert. Prinzipiell erzeugen die Zäpfchen in der Netzhaut Antwortsignale. Die akutesten Antworten folgen auf rot, grün und blau werden in unterschiedlichen Wellenlängen gemischt, sodass die Aufnahme des gesamten sichtbaren Lichtspektrums möglich ist.

Es gehört zu den Eigenarten des RGB-Ansatzes, dass die Erhaltung des Farbgemisches und der Streuung (wichtige Aspekte, um sicherzustellen, dass „weißes Licht“ so wie es vom menschlichen Auge aufgefasst wird, konstant bleibt) in der Regel von einer elektronischen Regelschaltung übernommen wird. Aus diesem Grunde werden häufig andere Verfahren verwendet, um weißes Licht zu erzeugen.

Zu diesen Verfahren gehört unter anderem die Hinzunahme von Phosphor-Wellenlängenkonvertern, die die Farbe des Lichts verändern, sobald die Leuchtelemente der Diode auf das Phosphor treffen.

Mit Phosphor arbeitende Dioden weisen aber den Mangel auf, dass die Phosphorbeschichtung im Laufe des Lebenszyklus des Leuchtelements abnimmt. Die Methode bietet aber bestimmte Produktionsvorteile gegenüber der RGB-Technik. Generell sind sie erheblich einfacher herzustellen als Dioden, die auf bestimmte Weise elektronisch geregelt werden müssen. Durch moderne elektronische Konstruktionsverfahren lässt sich der Phosphorauftrag relativ einfach herstellen.

Was die Effizienz der Ausgabeleistung betrifft, können phosphorbeschichtete Dioden eine zufriedenstellende Wirkung erzielen, wenn man dabei die Fähigkeit des menschlichen Auges berücksichtigt, Leuchtkraft nachzuempfinden. Die meisten nach diesem Verfahren hergestellten Dioden sind blau und haben eine gebe Phosphorbeschichtung. Wird an der blauen Original-LED und an der dotierten Phosphorvariante Strom angelegt, wird die Erstgenannte vom menschlichen Auge um bis zu 80 Prozent dunkler empfunden. Das liegt an der Art und Weise, in der das menschliche Auge (und das Gehirn) Gelb im Verhältnis zu Blau auffasst.

 

Herstellung und Forschung

Die Forschung geht in Richtung der effizientesten Möglichkeit zur Herstellung von Weißlicht-LEDs weiter, da die Marktakzeptanz (und das Interesse an vollelektronischen Leuchtmitteln mit geringer Wärmeentwicklung und niedrigem Energieverbrauch) weiter zunimmt.

Ein wichtiger Bereich befasst sich mit der Herstellung von Phosphor, das über ein höheres Maß an nativer Effizienz verfügt und bei dem das Phänomen der Stokes-Verschiebung nicht auftritt. Wenn es einen Unterschied zwischen dem Energiezustand eines Photons am Eintritt in ein System und dem Zustand am Austritt aus dem System gibt, bedeutet das demnach, dass insgesamt eine Energiedifferenz vorliegt. Aus aktueller Sicht wird YAG-Phosphor (Yttrium-Aluminium-Granat) am häufigsten benutzt, um Blau und Gelb zu Weiß zu mischen, aber die darauf aufbauenden Experimente sind noch nicht abgeschlossen. Ein weiteres Problem stellen die Verluste durch Reabsorption im Gehäuse der LED dar. Es wird weiterhin Zeit und Energie investiert, um Phosphor mit anderen Eigenschaften herzustellen und um den Aufbau der Diode noch gezielter zu überarbeiten.

Wenn es um die Lichtleistung geht, erreichen herkömmliche Lichtquellen in der Regel durchschnittlich 15 bis 100 Lumen pro Watt Energie. Vergleichsweise gehen Prognosen in Bezug auf weiße LEDs davon aus, dass diese weit über 300 Lumen pro Watt erreichen können. Das wäre ein riesiger Fortschritt im Bereich des Watt-/Leuchtkraftverhältnis, das bisher bekannt ist.