LED Technologie
Wissenswertes über das Funktionsprinzip von LED's und deren Ansteuerung.
Vergleichs-, Farb- und Farbtemperaturwerte.
Über die Vorzüge der LED-Technik und Nachteile von LED Leuchten.
Funktionsprinzip
Eine Leuchtdiode wandelt elektrische Energie in Licht und Wärme um. Sie funktioniert dabei wie eine Halbleiterdiode, die zwischen ihren beiden Halbleiterschichten Licht erzeugt. Je nach Halbleiterkristall und Dotierung wird Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge bzw. Farbe emittiert. Sowohl Schwellspannung als auch der Wirkungsgrad sind ebenfalls vom Aufbau des Halbleiterkristalls abhängig.
Leuchtdioden gibt es in unterschiedlichen Leistungsklassen, Bauformen und Abstrahlcharakteristiken. Der grundlegende Aufbau ist dabei immer gleich.
Auf einer Tragplatte, die der Stromführung, wie auch der Wärmeabfuhr dient, wird der Halbleiterkristall aufgebracht. Die obere Halbleiterschicht ist über einen Golddraht mit dem Gegenkontakt verbunden. Bei weißen Leuchtdioden wird zusätzlich der Halbleiterkristall mit einem Leuchtstoff beschichtet (siehe Lichtfarbe). Der ganze Aufbau wird abschließend mit einer Kunststofflinse, die zugleich die Abstrahlcharakteristik der Leuchtdiode definiert, vor äußeren Einflüssen geschützt.
Energieeffizienz
Die Effizienz eines Leuchtmittels lässt sich am besten durch die Lichtausbeute in Lumen/Watt ausdrücken. Je höher der Lichtstrom bei Zuführung der gleichen Leistung, desto effektiver ist das Leuchtmittel.
Der Lichtstrom mit der Einheit Lumen bezeichnet die gesamte sichtbare Strahlung die ein Leuchtmittel aussendet. Im Gegensatz zur Beleuchtungsstärke mit der Einheit Lux ist der Lichtstrom unabhängig von der Größe der angestrahlten Fläche.
Aktuell sind LEDs mit einem Wirkungsgrad von bis zu 150 lm/W (Stand 10.08.09) verfügbar. Durch den Herstellungsprozess bedingt, kann dieser Wert bisher nicht konstant gefertigt werden. Es handelt sich daher um eine Selektion, die in der Regel mit relativ hohen Anschaffungskosten verbunden ist. Für die LEDscale® Produkte werden Leuchtdioden im Bereich 80-100 lm/W eingesetzt, die zu attraktiven Konditionen auch in großen Stückzahlen verfügbar sind.
Der maximal mögliche Wirkungsgrad ist bisher noch nicht erreicht. Die Entwicklung neuer Leuchtdioden wird daher weiter rasant voranschreiten.
Lebensdauer
In der Regel fallen Leuchtdioden nicht plötzlich aus. Dies tritt nur bei Überlastung oder Fehlanschluss ein. Häufige Schaltzyklen, Stöße oder Erschütterungen, die vielen herkömmlichen Leuchtmitteln Schwierigkeiten bereiten, beeinflussen die Lebensdauer der Leuchtdiode nicht.
Bei konstanten Betriebsbedingungen nimmt der Lichtstrom kontinuierlich ab. Die Lebensdauer einer Leuchtdiode wird daher mit der Zeit definiert, die verstreicht bis die Lichtausbeute auf die Hälfte des Anfangswertes abgesunken ist. Die meisten Hersteller geben hier eine Lebensdauer von 50.000 Betriebsstunden an.
Dieser Wert ist jedoch stark abhängig von der Chiptemperatur der Leuchtdiode. Die hohe Lebensdauer der Leuchtdiode kann letztendlich daher nur über die Konstruktion der Leuchte mit entsprechenden Kühloberflächen und einem guten Wärmefluss gewährleistet werden.
Zusätzliche Funktionen wie ein integrierter Temperatursensor zum Schutz vor Überhitzung und der LEDscale® ECO Modus helfen die Langlebigkeit der Leuchtdioden sicherzustellen.
Ansteuerung
Bedingt durch die physikalischen Gegebenheiten, muss der Strom, der durch die Leuchtdiode fließt, über zusätzliche Komponenten begrenzt werden. Hierzu gibt es verschiedene Lösungsansätze.
Vorwiderstand an LED's
Die einfachste Ansteuerung einer Leuchtdiode ist der Betrieb mit einem in Reihe geschalteten Widerstand. Damit an der Leuchtdiode ein annähernd konstanter Strom gewährleistet werden kann, benötigt man eine Versorgungsspannung, die auch unter Last sich sehr konstant verhält.
In der Regel wird diese einfache Art der Ansteuerung nur bei Leuchtdioden mit niedriger Leistung eingesetzt. Bei Leuchtdioden im 1 Watt Bereich oder größer, würde die Verlustleistung am Widerstand zu groß.
Linearregler an LED's
Eine Alternative zu dem einfachen Vorwiderstand sind Linearregler. Durch deren veränderlichen Widerstand kann an den Leuchtdioden ein konstanter Strom gewährleistet werden, auch wenn die Eingangsspannung Schwankungen unterliegt oder der Spannungsabfall an der Leuchtdiode durch Erwärmung sich ändert.
Jedoch wird auch bei dieser Lösung die Verlustleistung, die durch die Differenz zwischen Versorgungsspannung und Spannungsabfall an der Leuchtdiode entsteht, in Wärme umgewandelt.
Vorteile
- Hohe Zuverlässigkeit durch die lange Lebensdauer und die Stoß- und Erschütterungsfestigkeit
- Geringer Energieverbrauch durch den hohen Wirkungsgrad
- Geringe Wärmeentwicklung durch geringe Verlustleistung
- Die kleine Bauform der LEDs ermöglicht völlig neues Leuchtendesign
- Keine UV und IR Strahlung
- Flimmerfreies Licht
- Hohe Sicherheit durch Schutzkleinspannung
- Einfaches Dimmen ohne Effizienzverlust