LED-Beleuchtung 3

LEDs - eine Übersicht

Leuchtdioden, kurz LEDs (Light Emitting Diode), sind Halbleiterdioden. Diese machen die Photonen nutzbar, die freigesetzt werden, sobald Elektronen Energie verlieren und von einem energiereichen Zustand in eine energiearme Position (bzw. „Lücke“) in der Atomstruktur des Halbleiters wechseln, ein Phänomen, das als „Elektroluminiszenz“ bezeichnet wird.

Die ersten LED-Versionen setzten nur rotes Licht mit begrenzter Helligkeit frei, heute aber werden sie abhängig von den jeweils verarbeiteten Halbleiterwerkstoffen gezielt zur Ausgabe eines außergewöhnlich hellen Lichts gefertigt und werden sowohl für unsichtbare (Ultraviolett und Infrarot) als auch sichtbare Spektren und in vielen verschiedenen Farben angeboten. Verschiedene Halbleiterwerkstoffe haben unterschiedliche Energiebandlücken. Diese sind auch die Ursache für die verschiedenen Wellenlängen des Lichts, das beim Energieverlust der Elektronen ausgegeben wird.

Sie werden immer häufiger im Privatbereich und im Handel und Gewerbe oder für Industriebeleuchtungen, aber auch für Automobilbeleuchtungen, Flugzeugbeleuchtungen und Verkehrsampeln eingesetzt; auch für Anzeigeelemente gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Leuchtelemente. Infrarot-LEDs sind in Fernbedienungen für DVD-, MP3-Player und Fernsehgeräte noch immer weit verbreitet. Ferner haben sie eine neue Generation ultrascharfer Video- und Textdisplays möglich gemacht. Sie wurden darüber hinaus für eine Internet-Verbindungstechnologie der neuesten Generation namens „Light Fidelity“ bzw. LiFi übernommen, die die WiFi-Technik möglicherweise einmal ersetzt.

Sie sind erheblich kleiner als herkömmliche Lichtquellen mit Glühfäden wie z. B. Glühlampen (ob mit Energiesparfunktion oder auch nicht) und sind häufig nicht größer als einen Quadratmillimeter oder zwei auf die Fläche bezogen. Sie sind darüber hinaus viel langlebiger als herkömmliche Lichtquellen und verbrauchen erheblich weniger Energie. Zurzeit sind die Anfangsinvestitionen jedoch in Beleuchtungssysteme mit dieser Technik viel höher als bei herkömmlichen Lichtquellen, obwohl sie über die gesamte Betriebsdauer viel weniger Energie verbrauchen.

 

Die Geschichte der LED

Vorläufer der heutigen LED lassen sich bis zum Jahr 1907 zurückverfolgen, als der britische Wissenschaftler Henry Round entdeckte, dass ein Siliziumkarbid-Kristall angeregt werden konnte, um Licht durch den Elektroluminiszenzeffekt auszusenden (d. h. Energie überwiegend durch Elektronen in Form von Photonen anstatt als Wärme freizusetzen, sobald sie von einem Status mit höherem Energieniveau in eine Lücke mit geringerem Energieniveau fallen). Im Jahr 1955 meldete der amerikanische Funkingenieur Rubin Braunstein elektroluminiszente Infrarotstrahlungen einer GaAs-Halbleiterlegierung (Galliumarsenid). Die erste patentierte LED betrat aber erst im Jahre 1962 die Weltbühne, als die aus Texas stammenden Elektroingenieure James Baird und Gary Pittman das GaAs Halbleitermaterial mit einem P-N-Übergang (Positiv zu Negativ) ausstatteten. Dies wurde die erste patentierte Infrarot-LED der Welt.

Im gleichen Jahr erfand der amerikanische Wissenschaftler Nick Holonyack die erste LED, die Licht im sichtbaren Spektrum abstrahlte. Die LEDs blieben aber viel zu teuer und wurden kaum vom Handel beachtet, bis die Firma Monsanto Company 1968 ein Galliumarsenid-Phosphat zur Massenproduktion einer erheblich kostengünstigeren und für den Handel tauglicheren LED verwendete. Diese wurde im großen Stil für Anzeigekomponenten (besonders für Sieben-Segment-Anzeigen, die häufig in Taschenrechnern, Digitaluhren und Armbanduhren zu finden sind) eingesetzt.

LED-Lampen für Beleuchtungszwecke kamen erst 1994 auf den Markt, als Shuji Nakamura von der Nichia Corporation die erste Weißlicht-LED mit hoher Leuchtkraft entwickelte. Im Jahr 2012 stellte der Beleuchtungshersteller Osram handelstaugliche LEDs mit hoher Leuchtkraft aus InGaN-Halbleitermaterial (Indiumgalliumnitrid) auf Siliziumsubstrat her.

 

 

Technische Aspekte

Halbleiterwerkstoffe können gezielt negativ besetzt („dotiert“) werden. Dadurch entstehen Halbleiter vom Typ N mit einem Elektronenüberschuss. Positiv dotierte Halbleiter sind vom Typ P und haben einen Mangel an Elektronen. In LEDs bilden beide präparierte Werkstoffe einen P-N-Übergang: Der Strom fließt erheblich einfacher von der positiven Seite (Anode) zur negativen Seite (Kathode) als in der umgekehrten Richtung. Die P- und N-Seiten bilden ein Spannungsdifferential, das bewirkt, dass die Elektronen ihre Energie in Form von Licht freisetzen, während sie Löcher mit niedrigem Energiezustand besetzen.

Die meisten LED-Anzeigen verbrauchen 30 bis 60 tausend Watt elektrische Leistung. Der große Vorteil bei der Nutzung von LED-Leuchtelementen für Beleuchtungssysteme besteht in ihrer außergewöhnlich hohen Lichtausbeute (das Verhältnis aus Leuchtstrom und Leistungsverbrauch, ausgedrückt in lumen pro Watt bzw. lm/W). Mittlerweile haben sie die Lichtausbeute herkömmlicher Glühlampen nicht nur erreicht, sondern bei weitem übertroffen. Eine typische LED mit fünf Watt hat eine Lichtausbeute von 18-22 lm/W, während eine Standard-Glühlampe mit 60-100 Watt nur 15 lm/W ausstrahlt.

Die Leuchtkraft einer LED-Beleuchtung wird nicht nur durch Erhöhung des Stroms, sondern auch durch eine Kombination zahlreicher LEDs in einem einzigen Leuchtelement erhöht (durch Erhöhung des Stroms allein sinkt die LED-Effizienz aber, ein Phänomen, das als „Droop“ bekannt ist).

Die Lebensdauer einer LED liegt in der Regel zwischen 25.000 und 100.000 Stunden (grob zwischen 3 und 11 Jahren). Zwar werden sie ganz unterschiedlichen Größen und Formen hergestellt, jedoch bestimmt die Farbe ihrer Kunststofflinse generell nicht die Farbe des abgestrahlten Lichts. Die Linsen sind im Allgemeinen auf die Farbe des Lichts abgestimmt, das von der LED selbst ausgegeben wird.

 

Wo LEDs in der Fertigung verwendet werden – gibt es bekannte Orte?

Abgesehen von den bereits zuvor erwähnten Einsatzgebieten (Text- und Videodisplays, Li-Fi, Flugzeuge, Automobilbeleuchtung und allgemeine Beleuchtung) nimmt die Beliebtheit von LED Sicherheitssystemen zu. Infrarot-LEDs werden nicht nur verstärkt in Nachtsichtgeräten einsetzt, sie können auch an Überwachungskameras und automatischen Flutlicht-Sicherheitssystemen montiert werden.

 

Wie sich LEDs von anderen Lichtquellen unterscheiden

Anders als bei Lichtquellen mit Glühfäden werden bei LEDs Halbleiter als Substrate verwendet, in denen eine elektroluminiszente Reaktion abläuft. Sie halten erheblich länger und sind effizienter als herkömmliche Alternativen.