Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode in transparentem Kunststoffgehäuse

Eine Leuchtdiode (kurz LED von englisch light-emitting diode, dt. Licht-emittierende Diode, auch Lumineszenz-Diode) ist ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement, dessen elektrische Eigenschaften einer Diode entsprechen. Fließt durch die Diode elektrischer Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab.

Die LED als Halbleiter

Aufbau

Innerer Reflektor einer Leuchtdiode

Leuchtdiode in SMD-Bauweise

Verschiedene Leuchtdioden

Der Halbleiterkristall vieler Leuchtdioden ist auf den Boden einer kegelförmigen Vertiefung in einem Metallhalter gelötet. Die Innenseiten der Vertiefung wirken als Reflektor für das aus den Seiten des Kristalls austretende Licht. Die Lötstelle bildet einen der beiden elektrischen Anschlüsse des Kristalls. Gleichzeitig nimmt sie die Abwärme auf, die entsteht, weil der Halbleiterkristall nur einen Teil der elektrischen Leistung in Licht umsetzt. Der Halter mit dem Reflektor ist bei bedrahteten Leuchtdioden als Draht mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt, der als elektrischer Anschluss dient. Anders als sonst bei Elektronikbauteilen üblich besteht der Anschlussdraht nicht aus verzinntem Kupfer, sondern aus verzinntem Stahl. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist vergleichsweise gering. Dadurch wird der Halbleiterkristall beim Einlöten des Bauteils in eine Leiterplatte nicht durch Überhitzung zerstört.

Die Oberseite des Kristalls ist nur durch einen dünnen Bonddraht elektrisch mit dem zweiten Stahlanschlussdraht verbunden, damit der Anschluss nur sehr wenig der lichtemittierenden Oberfläche verdeckt.

Die Kathode (−) ist durch eine Abflachung am Bund des Gehäusesockels markiert. Bei fabrikneuen Leuchtdioden ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel: Kathode = kurz = Kante). Bei den meisten Leuchtdioden ist der Reflektor die Kathode, dann gilt auch die Merkregel, dass die technische Stromrichtung von dem Pfeil, den die Anode (+) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird. In seltenen Fällen ist der Aufbau umgekehrt.

Hochleistungs-Leuchtdioden (H-LED) werden mit höheren Strömen als 20 Milliampere betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder in den Leuchtdiodenkörper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden. Die meisten H-LEDs von 1 Watt aufwärts sind für die Montage auf Kühlkörper vorbereitet. Eine hohe Temperatur führt bei LEDs unmittelbar zur Absenkung des Wirkungsgrads und langfristig zur Verkürzung der Lebensdauer, ein wesentlicher Nachteil gegenüber Glühlampen.

Eine weitere Möglichkeit ist das direkte Drahtbonden des Leuchtdioden-Chips auf der Platine (chip on board) und der spätere Verguss mit Silikon. Im Fachhandel werden diese Leuchtmittel „COB-LED“ genannt.

Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (zwei oder drei) Dioden in einem Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode oder Kathode und einen Anschluss für jede Farbe. Bei einer Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei Leuchtdioden-Chips antiparallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren.

Funktionsprinzip

Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode; Leuchtdioden besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silicium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt werden, ist das Ausgangsmaterial für Leuchtdioden ein direkter Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter.

Wird an eine Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang. Nach Übergang zur p-dotierten Seite geht das Elektron dann in das energetisch günstigere Valenzband über. Dieser Übergang wird Rekombination genannt, denn er kann auch als Zusammentreffen von einem Elektron im Leitungsband mit einem Defektelektron (Loch) interpretiert werden. Die bei der Rekombination frei werdende Energie wird in einem direkten Halbleiter meist direkt als Licht (Photon) abgegeben.

Neben der direkten strahlenden Rekombination ist auch die Beteiligung von Exzitonen und Phononen möglich, was zu etwas weniger energiereicher Strahlung führt (Die Farbe des abgestrahlten Lichts wird ins Rötliche verschoben). Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.

Materialwahl – indirekte und direkte Halbleiter

Bandstrukturen zweier Halbleiter
links: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid)
rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium)

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt unter anderem das Verhalten der Energieübertragung beim Übergang eines Elektrons vom Leitungs- ins Valenzband und andersherum. In der Grafik rechts horizontal sind vereinfachte Bandstrukturdiagramme dargestellt. Dabei ist der Verlauf des Leitungs- und des Valenzbands über den Wellenvektor ${\vec {k}}$ aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate, der den nötigen Impulsübertrag charakterisiert. Dargestellt sind die beiden Grundformen von Halbleitern bzw. Bandübergängen: Links ein strahlender Übergang eines direkten Halbleiters und rechts ein Übergang eines indirekten Halbleiters.

Bei indirekten Halbleitern wie Silicium erfordert der Wechsel der Elektronen vom Leitungsbandminimum in das Valenzbandmaximum einen zusätzlichen Impulsübertrag ${\vec {k}}$, um die Impulserhaltung zu gewährleisten. Der Impulsübertrag erfolgt z. B. durch die Emission oder Absorption eines Phonons (Gitterschwingung). Die Bedingung, dass ein zusätzliches Quasiteilchen an dem Übergang beteiligt sein muss, reduziert seine Wahrscheinlichkeit. Indirekte Halbleiter sind daher als Leuchtdiode nicht geeignet. Es dominieren nicht-strahlende Übergänge wie die Rekombination über Störstellen (Shockley-Read-Hall-Rekombination). Entsprechend leuchtet zum Beispiel eine normale Gleichrichterdiode nicht.

Im Gegensatz dazu stehen die direkten Halbleiter, sie zeichnen sich durch einen „direkten Bandübergang“ aus, was bedeutet, dass die Elektronen am unteren Rand des Leitungsbands (Leitungsbandminimum) und am oberen Ende des Valenzbands (Valenzbandmaximum) denselben Impuls haben. Damit ist ein direkter Übergang des Elektrons unter Aussendung eines Photons (Licht) möglich, ohne dass ein Phonon zur Impulserhaltung beteiligt sein muss. Die Quantenausbeute des direkten Halbleiters Galliumarsenid liegt bei ca. 0,5, beim indirekten Halbleiter Silizium nur bei etwa 1·10⁻⁵.

Die Energie des emittierten Photons ist gleich der Energie der Bandlücke, also dem energetischen Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband.

$\lambda (W_{\mathrm {D} })={\frac {h\cdot c}{W_{\mathrm {D} }}}\,\qquad \mathrm {mit} \quad W_{\mathrm {D} }=E''-E'$

als Zahlenwertgleichung:

$\lambda (W_{\mathrm {D} })={\frac {1240\,\mathrm {nm\,eV} }{W_{\mathrm {D} }}}$

λ(W_D): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn $W_{\mathrm {D} }$ in eV eingesetzt wird.)

h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10⁻³⁴ Js = 4,13567 · 10⁻¹⁵ eVs

c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 10⁸ ms⁻¹

W_D: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in eV), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.

Zusammenhang von LED-Leuchtfarbe und Durchlassspannung

Die Größe der Bandlücke, also der Energielücke $E''-E'$, bestimmt die Energie, das heißt, die Frequenz, Wellenlänge bzw. Farbe, des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. So verändert der Austausch von Atomen im Kristallgitter den kristallinen/molekularen Aufbau des Materials, u. a. seine Gitterparameter oder sogar seine Gitterstruktur. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, das heißt im Bereich des nahen Infrarot. Die Zugabe von Phosphor vergrößert den Bandabstand, was das ausgesandte Licht energiereicher macht, wobei die Wellenlänge abnimmt und die Farbe von Infrarot zu Rot und Gelb übergeht. Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 Prozent der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast zwei Elektronenvolt, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt. Die Energie der Bandlücke spiegelt sich auch in der Höhe der Durchlassspannung der Diode wider. Bei langwelligem Licht liegt sie bei ca. 1,5 V, bei blauem Licht bei 3 V, während Siliziumdioden kleinere Werte von ca. 0,6 V aufweisen.

Farben und Technologie

Blaue LED aus InGaN

Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich und die Effizienz lassen sich so beeinflussen:

• Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot (665 nm) und infrarot bis 1000 nm Wellenlänge
• Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
• Galliumphosphid (GaP) – grün
• Siliziumkarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
• Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte
• Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – Ultraviolett, Violett, blau und grün
• Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer davor befindlichen Lumineszenzschicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED)
• ähnlich wie bei der weißen LED, aber mit veränderter Lumineszenzschicht entstehen Pastelltöne

Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt.

Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten Halbleitermaterials ab. Die Farbe entspricht direkt einer bestimmten Wellenlänge λ, d. h. dem Kehrwert der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung, multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Materialsysteme der LEDs verschiedener Farben

Farbe	Wellenlänge λ in nm	Werkstoff
Infrarot	λ > 760	Galliumarsenid (GaAs) Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
Rot	610 < λ < 760	Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Orange	590 < λ < 610	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Gelb	570 < λ < 590	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Grün	500 < λ < 570	Indiumgalliumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN) Galliumphosphid (GaP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP) Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Blau	450 < λ < 500	Zinkselenid (ZnSe) Indiumgalliumnitrid (InGaN) Siliziumkarbid (SiC) Silizium (Si) als Träger, in Entwicklung Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Violett	400 < λ < 450	Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Ultraviolett	230 < λ < 400	Diamant (C) Aluminiumnitrid (AlN) Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN)

Eigenschaften

Spektrum einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode.

RGB-SMD-Leuchtdiode

Spektrale Charakteristik

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Wärmestrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von Leuchtdioden für allgemeine Beleuchtungszwecke werden meist blaue Leuchtdioden mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil. (Siehe auch Abschnitt LED-Leuchtmittel)

Lange Zeit konnten Leuchtdioden nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner Leuchtdioden war für Verkehrsampeln wegen der fehlenden Technologie für die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück. Die Massenproduktion blaugrüner und danach blauer Leuchtdioden begann im Jahr 1993.

Elektrische Eigenschaften

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie, die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung (Spannung über die Diode, bei z. B. 1/20 des Maximalstroms) stellt sich durch Betrieb unter Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuung und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig angenähert in Form eines Vorwiderstandes) ist daher wichtig für eine definierte Leuchtstärke. Ein direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist sehr riskant, da der Arbeitspunkt über die Spannung für den gewünschten Strom wegen der Exemplarstreuung und der Temperaturabhängigkeit nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterieleuchten betreiben Leuchtdioden direkt an Primärzellen – hier verlässt man sich auf einen ausreichend hohen Innenwiderstand der beigelegten Batterien und toleriert die Exemplarstreuung. (Siehe auch Abschnitt Betrieb, Anschluss und Entsorgung)

Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute durch Optimierungen des Halbleitermaterials und der Geometrie von Halbleiterkristall und Gehäuse erhöht. Das ermöglichte es ab etwa den 1990er Jahren, LEDs mit sehr kleinem Strom zu betreiben (Low-current-LEDs) und dennoch eine sinnvolle Helligkeit zu erzielen. Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung U_f (für englisch forward voltage) hängt vom Halbleitermaterial ab, das wiederum die Lichtfarbe bestimmt. Anhaltspunkte für den Spannungsabfall sind:

• Infrarot-LED: 1,2–1,8 V, typ. 1,3 V
• Rot: 1,6–2,2 V
• Gelb, Grün: 1,9–2,5 V
• Blau, UV, weiß: 3–4 V, typ. 3,4 V .

Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel 5 Volt.

Optische Eigenschaften

Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkapselt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas-, Keramik- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen der Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall. Er setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren, bestimmbaren Raumwinkel. Da Glas in der Regel einen höheren Brechungsindex als Kunststoff und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt werden. Das nicht entspiegelte Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa 10 %, auch weil es den Kristall nicht direkt berührt.

Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel.

Strahlungsleistung gegenüber Öffnungswinkel

Öffnungswinkel	180°	170°	160°	150°	140°	130°	120°	110°	100°	95°	90°	85°	80°	75°	70°
sr-Faktor	6,2832	5,7356	5,1921	4,6570	4,1342	3,6278	3,1416	2,6793	2,2444	2,0383	1,8403	1,6507	1,4700	1,2984	1,1363
Öffnungswinkel	65,55°	60°	55°	50°	45°	40°	35°	30°	25°	20°	15°	10°	5°	1°
sr-Faktor	1,0003	0,8418	0,7099	0,5887	0,4783	0,3789	0,2908	0,2141	0,1489	0,0955	0,0538	0,0239	0,0060	0,00024

Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel um die Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind mehrere Leuchtdioden notwendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende von der Kugelkalotte abgeleitete Gleichung, genutzt werden.

$\mathrm {Anzahl} =\left\lceil {\frac {2}{1-\cos \left({\frac {X}{2}}\right)}}\right\rceil$

$X$ bezeichnet den Öffnungswinkel der LED.

Beispiel: Um eine starke 360°-Lampe mit Leuchtdioden (Parameter: 55° Öffnungswinkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm; entspricht ca. 50 lm/W) zu realisieren, sind 18 Leuchtdioden notwendig (eine LED mit 55° Öffnungswinkel beleuchtet ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2.880 lm, der eine Leistungsaufnahme von 54 W besitzt. Dieser Lichtstrom ist vergleichbar mit dem einer 300-Watt-Glühlampe.

Alterung

Lebensdauer in Einschaltstunden

Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der der Lichtstrom im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist (L70B50-Wert); einige Internet-Quellen sprechen auch vom Ende der Lebensdauer bei 80 % oder 50 % des anfänglichen Lichtstroms.

Der Lichtstrom von Leuchtdioden nimmt nach und nach ab, sie fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Alterung ist annähernd linear. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial, den Betriebsbedingungen (Temperatur, Strom) und der individuell tolerierbaren Farbtemperaturveränderung der Fluoreszenzfarbstoffe ab (weiße LEDs werden blaustichiger). Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen hundert Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu über 100.000 Stunden (11,4 Jahre) bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei 15.000 bis 30.000 Stunden liegt. Gute Hersteller von LED-Leuchten erreichen jedoch durch eine optimale Auslegung ihrer Systeme deutlich bessere Werte und garantieren bis zu 100.000 Stunden wartungsfreien Betrieb. Das wird erreicht durch eine kostenaufwendige Selektion der Bauteile aller Komponenten (sowohl der LEDs als auch der Bauelemente des Treibers). Auch im Handel erhältliche LED-Leuchtmittel in Glühlampenform werden mit über 25.000 Stunden bis hin zu 45.000 Stunden Lebenszeit angegeben. Durch zu hohe thermische Belastungen, die durch die Bauform bedingt sind, erreichen sie diese Lebensdauer meist nur mit erheblichen Helligkeitsminderungen. Alternativen sind konsequent als LED-Leuchte entwickelte Komplettsysteme.

Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus Silikongummi gefertigt, wodurch eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erzielt wird. Die Lösung ist eine thermisch optimierte Bauweise, welche oft nicht beachtet wird. Das führt zu einem schnellen Rückgang des Lichtstroms.

Die häufigsten Ursachen für Totalausfälle von LED-Leuchten sind jedoch im verwendeten Netzteil zu finden. Hier sind die verwendeten Kondensatoren zur Glättung der geregelten Kleinspannung das Problem, da diese thermisch empfindlich sind und mit zunehmender Temperatur exponentiell schneller altern. Oft sind sie auch aus Preisgründen von minderer Qualität. Das führt zum Ausfall der Stromversorgung, der nicht der LED angelastet werden kann.

Eine weitere Ursache kann eine Fehlfunktion auf Grund der Alterungsvorgänge in den verwendeten Materialien sein, zum Beispiel Ermüdungserscheinungen der Klebe- oder Lötverbindungen.

Viele Schaltzyklen trotz spontan vollen Lichtstroms

Bei den meisten Marken-Leuchtmitteln wird heute die Lebensdauer in Stunden (zu erwartende Einschaltzeit über die Lebensdauer) auf der Verpackung angegeben. Glühlampen haben eine Lebensdauer von ca. 1.000 Stunden, Halogenleuchtmittel von ca. 2.000 Stunden, Energiesparleuchtmittel (ESL) von ca. 3.000 bis 12.000 Stunden. Werden ES-Leuchtmittel jedoch häufiger als 3-mal pro Tag ein- und ausgeschaltet, wie es bei Fluren oder Treppenhäusern mit Bewegungsmeldern und Zeitschaltuhren der Fall ist, wird die auf der Leuchtmittelverpackung angegebene Lebensdauer in Einschaltstunden häufig nicht annähernd erreicht, weil normale Energiesparleuchtmittel ohne Angabe der Schaltzyklen auf der Verpackung nur für ca. 3000 Schaltzyklen gebaut sind.

Das die Lebensdauer limitierende Kriterium ist bei häufigen Ein- und Ausschaltungen die Schaltfestigkeit, welche bei Qualitätsleuchtmitteln in Schaltzyklen auf der Verpackung angegeben wird. Bei sehr guten Energiesparleuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit vom Hersteller mit 10.000 bis 20.000 Schaltzyklen angegeben. Lediglich bei einer einzigen, etwas teureren Energiesparleuchtmittel-Serie (Megaman Ingenium) gibt der Hersteller Megaman eine Schaltfestigkeit von 600.000 Schaltzyklen an. Diese ESL erreichen bzw. überbieten damit als einziges ESL-Produkt die Schaltfestigkeit von LED-Leuchtmitteln. Diese hochschaltfesten ESL benötigen jedoch im Unterschied zu den spontan hell werdenden LED-Leuchtmitteln ab dem Einschalten ca. 15 Sekunden bis zum Erreichen von 60 % des dauerhaft abgegebenen Lichtstroms. Dabei ist ein Schaltzyklus ein manuelles Ein- und Ausschalten des Netzstromes. Unabhängig davon kann die LED zudem noch gepulst sein, wobei die Pulse von der Elektronik selbst erzeugt werden. Diese Pulse zählen nicht zu den die Lebensdauer begrenzenden Schaltzyklen, welche bei guten LED-Leuchtmitteln seit 2012 meist mit der Produktspezifikation angegeben werden, sondern zur normalen Betriebsdauer, welche in Stunden angegeben wird.

Eine LED ist deutlich unempfindlicher gegenüber Schaltvorgängen als Glühlampen oder Energiesparleuchtmittel. Eine Dimmung wird beispielsweise in der Regel durch sehr schnelle Schaltvorgänge erzeugt. Der begrenzende Faktor der Schaltzyklen von LED-Leuchtmitteln ist nicht der LED-Chip selbst, sondern die Vorschaltelektronik, wozu das eingebaute Netzteil oder die Steuerelektronik gehören. All diese Bauteile sind weitaus empfindlicher gegenüber Schaltungen und z. B. den damit verbundenen thermischen Wechselbelastungen als die LED selbst, die viele Millionen Schaltprozesse problemlos übersteht. LED-Leuchtmittel sind aber auch inklusive Vorschaltelektronik meist deutlich schaltfester als normale Energiesparlampen. Die Herstellerangaben für Qualitäts-LED-Leuchtmittel liegen meist im Bereich von 50.000 bis 1 Million Schaltzyklen. Bei billigeren LED-Leuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit häufig (Stand 2013) noch nicht auf der Verpackung angegeben. In diesen Fällen muss man von einer Schaltfestigkeit in der Größenordnung von 20.000 Schaltzyklen ausgehen.

Dass LED-Leuchtmittel eine deutlich höhere Schaltfestigkeit als Energiesparleuchtmittel haben, ist auch – neben der höheren Lebensdauer in Einschaltstunden und der höheren Lichteffizienz bzw. Lichtausbeute in Lumen pro Watt – mit ausschlaggebend dafür, dass seit 2011 bei langer Einschaltzeit und vielen Ein- und Ausschaltungen LED-Leuchtmittel in den meisten Fällen, trotz höherer Anschaffungskosten, insgesamt wirtschaftlicher als ESL oder Glühlampen sind.

Anwendungen und Einsatzbereiche

Anzeigen, Effektbeleuchtung und Taschenlampen

Digitaluhr von 1978 mit LED-Anzeige. Links Uhrzeit, rechts Tag und Datum

Der Anwendungsbereich der LEDs umfasste zunächst aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Farben hauptsächlich Anzeigeelemente wie beispielsweise Statusanzeigen. Sie ersetzten dabei kleinere Glühlampen oder Glimmlampen. Dieser Anwendungsbereich umfasst auch Anzeigen wie beispielsweise Siebensegmentanzeigen oder Matrixanzeigen, in welchem sie spezielle Elektronenröhren, wie die Fluoreszenzanzeige und deren Vorgänger die Nixie-Röhre, ablöste. Ein weiterer davon abzugrenzender Anwendungsbereich liegt im Bereich der Beleuchtung und dem Einsatz als Leuchtmittel. Neben der Raumbeleuchtung oder Straßenbeleuchtung kommen LEDs auch zunehmend in Taschenlampen und bei der Effektbeleuchtung vor, z. B. in beleuchteten Möbel- und Designerstücken wie Vitrinen oder Rahmen, bei denen schmale und teilweise versteckte LED-Streifen für eine angenehme indirekte Beleuchtung und Raumatmosphäre sorgen.

Signaltechnik und Verkehr

LED-Verkehrsampeln

KFZ-Rückleuchte mit LED-Technik

Gleichzeitig mit der Anwendung für Anzeigen ergaben sich Anwendungen zur Signalübertragung, wo die Leuchtdiode in ihrer Funktion nicht unbedingt für den Benutzer optisch sichtbar ist und wo Leuchtdioden bis heute dominierend sind. Beispiele sind infrarote LEDs in Infrarotfernsteuerungen, in Lichtschranken oder in Optokopplern zur galvanischen Trennung elektrischer Stromkreise. Auch Signalisierungen wie bei Verkehrsampeln lassen sich mit LEDs verwirklichen. Nutzungen mit höheren Lichtströmen, wie als Rücklicht (z. B. im BMW M3 E46) und auch Scheinwerfer oder als Kennleuchten auf Fahrzeugen, fallen auch in diesen Bereich. Dabei werden die zuvor eingesetzten Glühlampen oder Gasentladungslampen durch Leuchtdioden ersetzt. Dieser Anwendungsbereich wurde erst durch die Verfügbarkeit von Hochleistungs-LEDs mit entsprechender Lichtausbeute und der Verfügbarkeit in allen Farben möglich.

Die Verwendung von LEDs als Rück- und Bremslicht mit denselben LEDs, wie bei Glühbirnen durch die Trägheit des Glühfadens störungsfrei und häufig praktiziert, kann wegen der dafür langsamen Pulsweitenmodulation - um die geforderten unterschiedlichen Helligkeiten zu erzeugen - zu Problemen führen, weil die LEDs dann keine kontinuierliche Lichtabgabe haben. Das führt oft dazu, dass bei schnellen Augenbewegungen (Mikrosakkaden) die Rücklichter nebeneinander auf der Netzhaut abgebildet werden und darum nicht immer als ein Objekt wahrgenommen werden können (Perlschnureffekt). Die Wahrnehmung dieses Effekts und die damit verbundene Ablenkung vom Verkehrsgeschehen ist von Mensch zu Mensch unterschiedlich. Dieser Effekt ist verstärkt, wenn die Rücklichter hohe und ungleichmäßige Leuchtdichten haben.

Im Jahr 2011 wurde erstmals in Europa ein Flughafenvorfeld mit LEDs beleuchtet: In Innsbruck leuchtet ein System mit 14 hohen Masten eine Fläche von 49.000 m² aus.

Flüssigkristallbildschirme

Ein immer wichtiger werdender Anwendungsbereich von LEDs ist die Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen, da LEDs eine langzeitstabilere Beleuchtung und zum Teil einen niedrigeren Strombedarf als Kaltkathodenlampen aufweisen. Außerdem lassen sich so sehr geringe Bautiefen realisieren. Entsprechende LCD-Fernseher werden umgangssprachlich häufig als LED-Fernseher bezeichnet.

Medizintechnik

Daneben existieren noch spezielle Einsatzbereiche, welche die spektralen Eigenschaften der eingesetzten Leuchtdioden ausnutzen. Beispiele sind die Medizintechnik, wo unter anderem ultraviolette LEDs zum Polymerisieren von Kunststoffen in der Zahntechnik, rote und infrarote LEDs zur Messung der Sauerstoffsättigung in Pulsoximetern verwendet werden, oder in der Licht-Hauttherapie – auch als LED-Photorejuvenation bekannt.

LED-Leuchtmittel

Wikipedia:WikiProjekt Ereignisse/Vergangenheit/fehlend

Ab 2007 kamen von vielen Herstellern LED-Lampen für die üblichen E27- und E14-Glühlampensockel auf den Markt, sogenannte LED-Retrofit (auch Retrofit-LED genannt). Allerdings erreichten viele maximal 300 lm Helligkeit, was etwa einer 30 Watt starken konventionellen Glühlampe entspricht. Neben der für viele Zwecke ungenügenden Helligkeit wurde auch oft die bläuliche („kalte“) Lichtfarbe kritisiert. Während anfangs die Lichtfarbe noch ein Problem darstellte, erzeugen inzwischen einige LED-Lampen auch für den Wohnbereich angenehmes Licht, welches in der Farbwiedergabe der Energiesparlampe deutlich überlegen ist. Seoul Semiconductor gab Ende Februar 2008 die Entwicklung und Markteinführung ultraheller LEDs bekannt, die 900 Lumen bei 10 Watt leisten. Das gleicht etwa der Helligkeit einer Glühlampe mit 75 W oder der einer Energiesparlampe mit 17 W. Um die emittierte Farbe einer LED zu beeinflussen, werden die Halbleiterkristalle in lumineszensierende Stoffe eingebettet oder eingekapselt. Das primäre Licht aus dem p-n-Übergang wird in diesen Stoffen durch Fluoreszenz oder Phosphoreszenz in andersfarbiges Licht umgewandelt. Zudem wird die additive Farbmischung zwischen dem Lumineszenzlicht und dem primären Licht genutzt.

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  LED-Lampe in gleicher mechanischer Bauform wie eine Glühlampe (LED-Retrofit)

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  LED-Retrofit-Lampe - Rückseite mit freigelegter Elektronik

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  LED-Retrofit-Lampe - Anordnung der einzelnen LEDs

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  LED-Retrofit-Lampe - Rückseite mit freigelegter Elektronik

Weiße LED

Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz:

• Verschiedene Chips (selten verwendet): Blaue Leuchtdioden werden mit gelben oder mit roten und grünen so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Aus praktischen Gründen werden zumindest die LED-Chips in einem Bauteil integriert.
• Lumineszenz: Eine blaue oder UV-LED wird mit photolumineszierendem Material (Lumineszenzfarbstoff, Leuchtstoff) kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höherenergetisches Licht (blaues Licht und Ultraviolettstrahlung) in langwelligeres Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren. Sehr selten wird eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und blau) kombiniert, was eine gute Farbwiedergabe bis über R_a = 90 erlaubt. Die Erzeugung mehrerer Lichtfarben ist bei LEDs bedeutend billiger als bei Leuchtstoffröhren, weil die mit fluoreszierendem Material zu überziehende Fläche um mehrere Größenordnungen kleiner ist. Die Kosten sind im Verhältnis zum Chip verhältnismäßig gering. So werden bei H-LEDs meist deutlich ausgewogenere Farbkombinationen verwendet, als bei Kompaktleuchtstofflampe und in Silikonmasse eingemischt über den Chip gegossen, was gleichzeitig den Bonddraht schützt. Auf weitere Abdeckungen aus hartem Material (Glas, Plastik) wird verzichtet.
  Für Beleuchtungszwecke wird eine blaue LED entweder mit nur einem gelben Leuchtstoff kombiniert, meist Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver, oder es wird eine Kombination von grünem und rotem Leuchtstoff eingesetzt. Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen weniger als die Hälfte), ist das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen, aber mit dem Nachteil eines Blaustichs des weißen Lichts. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Lumineszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.
• Verschiedene Chips in Kombination mit Lumineszenz: Hersteller höherwertiger LEDs für Raumbeleuchtung verwenden mittlerweile weiße Lumineszenz-LEDs in Kombination mit roten Power-LEDs, um einen besseren Farbraum bis hin zum Rot zu erreichen. Teilweise werden blaue und rote LEDs unter einer lumineszierenden Kappe des einschraubbaren Leuchtkörpers montiert.

Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid epitaktisch, meist mittels MOVPE, auf einen Träger (Substrat) aus Saphir aufgebracht. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. Die lichtemittierende Schicht besteht in der Regel aus InGaN, deren blaues Licht vom Leuchtstoff teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird. In einem neuen Verfahren, dessen wesentliche Grundlagen im Jahr 2000 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt wurden, wird das teure Saphirsubstrat durch Silicium ersetzt. Auf das Silicium wird dann nach einer ersten AlN-Schicht das Galliumnitrid aufgewachsen. Effizient sind solche LEDs jedoch nur, wenn das lichtabsorbierende Siliciumsubstrat entfernt und durch eine hochreflektierende Schicht, meist auf Silberbasis, ersetzt wird, wie es für Hochleistungs-LEDs auf Saphirsubstraten inzwischen der Fall ist. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliciumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden und der Ablöseprozess vom Substrat wird stark vereinfacht.

Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand der Grafik unten links in der rechten Hälfte deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Lumineszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LEDs hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.

RGB-LEDs hingegen (in der zweiten Grafik von links wiedergegeben) erzeugen drei relative schmale Peaks im Spektrum, was für Licht in drei engen Frequenzbändern steht. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im Allgemeinen besser. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen allerdings besonders am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe.

Weiße LEDs werden wie Leuchtstofflampen auch für unterschiedliche Arten (Farbtemperaturen) weißen Lichtes gefertigt. Übliche Kategorien sind das „kaltweiße“, tageslichtähnliche Licht (Farbtemperatur 5500–6000 K) und das „warmweiße“ Licht, ähnlich dem der Glühlampen (2700–3000 K).

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  Erzeugen weißen Lichtes mit einer blauen Leuchtdiode und einem breitbandigen Lumineszenzfarbstoff.

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  Erzeugen weißen Lichtes mit einer ultravioletten Leuchtdiode und Lumineszenzfarbstoffen für rot, grün und blau.

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  Blaue LED mit Leuchtstoff enthaltendem Einbettungsmaterial zur Erzeugung weißen Lichtes.

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  Querschnitt einer weißen LED im Betrieb.

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  Eine weiße LED luminesziert im Licht einer blauen InGaN-LED

Klasseneinteilung

In vielen Einsatzbereichen werden durch Normen genau definierte Lichtfarben vorgegeben. Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LEDs eines Types und Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED-Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning (deutsch Klasseneinteilung) bezeichnet. Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den Lichtstrom oder die Lichtstärke, die Spannung sowie den Farbort bei Nennstrom. Auch farbige LEDs werden mit selektierten spektralen Toleranzen angeboten. Informationen darüber, welchem „Bin“ (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen.

Weitere LED-Arten

Spezielle Varianten sind die Laserdiode, die Resonant-cavity light emitting diode (RCLED bzw. RC-LED), sowie die Organische Leuchtdiode (OLED).

LED-Entwicklung

Geschichte

Nachbildung des Experiments H. J. Rounds. Eine negativ geladene Nadelspitze auf Siliziumkarbid erzeugt einen grün glimmenden Leuchtdiodenübergang

Entwicklung des maximalen Lichtstroms kommerziell erhältlicher LEDs. Die Skala ist logarithmisch und die Gerade entspricht daher einem exponentiellen Anstieg.

Am Anfang der Entwicklung der Halbleiter stand eine wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle. Er schildert seine Versuche, bei denen er eine Metallspitze auf einen Sulfidkristall (u. a. Bleisulfid) presste und herausfand, dass der Kristall in einer Richtung gut leitet und zwar umso besser, je höher der Strom ist – in die andere Richtung fließt hingegen nur wenig Strom. Da man damals nur ohmsche Leiter und Isolatoren kannte, passte dieser Gleichricht(er)effekt nicht in die damals bekannten Eigenschaften der Materie und es dauerte fast 60 Jahre, bis eine Erklärung dieser besonderen Merkmale gefunden werden konnte. Henry Joseph Round (1881–1966) beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer Lichtemission fähig sind. 1921 entdeckte der russische Physiker Oleg Lossew den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis 1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des Einsteinschen, photoelektrischen Effektes zu deuten ist. Georges Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.

In der Folgezeit konnte ab 1951 durch die Entwicklung des Transistors ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht werden. Weiter war es möglich, den Prozess der Lichtemission aufzuklären. Zunächst wurde allerdings weiter mit Zinksulfid experimentiert. Erfolgreicher waren jedoch die Forschungen an den als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleitern. Ab 1957 konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz auf Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) war von Bedeutung.

Einige Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode Nick Holonyak zu und datieren sie auf 1962.

Im Laufe der Entwicklung seit den ersten LEDs 1962 wurde die Lichtausbeute um mehr als drei Größenordnungen von unter 0,1 lm/W auf über 100 lm/W gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen gemachten Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen) auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, niederdimensionalen Strukturen (Quantenpunkte), transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er Jahre, rot-gelb) wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er Jahre, grüne LEDs) und GaN (1980er/1990er Jahre, grün bis UV) entwickelt, so dass es heute LEDs in nahezu allen Farben des Spektrums gibt (bis auf eine Lücke im Grün-gelb-Bereich). Insbesondere nach Halbleitern, die Licht im kurzwelligen Bereich (blau, UV) effizient erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war lange Zeit das Dotieren eines p-leitenden Bereichs geeigneter breitlückiger Halbleiter, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe Akasakis in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Dieser führte zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laserdioden, seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumkarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura erhielten 2014 den Nobelpreis für Physik für „die Erfindung effizienter blauer Leuchtdioden, mit denen helle und energiesparende weiße Lichtquellen möglich wurden.“

2006 erreichte eine LED von Nichia in Labortests 150 lm/W (fast 22 % Wirkungsgrad). Das entspricht der Effizienz von Natriumdampflampen, welche in verschiedenen Arten seit den 1970er Jahren verfügbar sind. 2007 gelang es dem Unternehmen Cree im Labor, eine kaltweiße LED mit über 1000 lm bei einer Effizienz von 72 lm/W zu betreiben, die warmweiße Variante kam bei 760 lm immerhin noch auf 52 lm/W Lichtausbeute. Seit 2009 ist eine LED von Nichia auf dem Markt mit einer angegebenen Lichtausbeute von 160 lm/W, allerdings nur geringer Gesamtleistung. Cree lieferte 2010 erste LEDs aus, die bei 1 W 160 lm/W erreichen und bei 10 W immer noch ca. 100 lm/W.

Im September 2009 begann Cree mit der Auslieferung einer weißen LED mit einer Lichtausbeute (Herstellerangaben) von 132 lm/W, die bei der maximalen Leistungsaufnahme von fast 10 W auf 105 lm/W abfällt, wobei für diesen Produktionstyp Lichtstromwerte bei 350 mA in den Leistungsklassen 114 lm; 122 lm; 130 lm und 139 lm (=132 lm/W) angeboten werden. Das Unternehmen berichtete im Februar 2010 über eine Labor-Prototyp-LED, die 208 lm/W bei Raumtemperatur erreichte, bei einer Farbtemperatur von 4579 K. Im Oktober 2011 konnte Osram Prototypen einer roten LED vorstellen, die bei 609 nm und Nennstrom von 350 mA eine Lichtausbeute von 168 lm/W erreicht.

Ende Dezember 2012 stellt Cree eine LED mit 200 lm/W vor.

Im März 2013 stellte Cree eine LED-Lampe (LED-Glühbirne) mit 84 lm/W für die E27-Fassung vor. Bei 800 Lumen und 9,5 Watt soll sie die Leistung einer Standard-60-W-Glühfadenlampe erreichen. Sie ist dimmbar und in der 40-W-Version soll der Preis die Zehn-Dollar-Marke unterschreiten.

Beim Vergleich der Lichtstärke unterschiedlicher LEDs ist der Abstrahlwinkel in die Berechnung einzubeziehen. Häufige Abstrahlwinkel liegen zwischen 24 und 40 Grad.

Die Steigerung der Effizienz und die preiswertere Herstellung der Halbleiter sind die Ziele weiterer Entwicklungen. Gegenwärtig wird besonders daran gearbeitet, sowohl transparente Träger- und Halbleiter-Materialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen, da die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) einen Teil der leuchtenden Fläche abdecken.

Stand der Technik

Lichtausbeute

Theoretische maximale Lichtausbeute für monochrome Lichtwandler.

Die effizientesten weißen LEDs erreichten März 2014 eine Lichtausbeute von 303 lm/W, bereits im September 2010 waren es 250 lm/W. Das ist nicht weit entfernt vom theoretischen Maximum (100 % Strahlungsleistung) bei 6600 K (relativ kalt wirkend), das physikalisch nicht größer als ca. 350 lm/W sein kann. Die Ausbeute ist stark von der Lichtfarbe abhängig, bei warmweißen LED liegt sie deutlich unter der von kaltweißen.

Da durch die Messung in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt werden (vgl. Hellempfindlichkeitskurve), erreichen LEDs in den Farben Grün bis Gelb besonders hohe Werte, während beispielsweise blaue LEDs deutlich schlechter abschneiden. Im rein physikalischen Wirkungsgrad, also der Umwandlung elektrischer Energie in Licht, sind blaue LEDs in der Regel besser. Physikalische Wirkungsgrade sind derzeit bis über 30 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche weiße LED, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und gegebenenfalls Optik.

In einer länderübergreifenden Studie gelang es Forschern aus Belgien, Frankreich und Kanada, die Lichtausbeute einer herkömmlichen Galliumnitrid-LED um bis zu 55 % zu steigern, indem sie diese mit einer besonderen Außenbeschichtung bestückten, welche in ihrer Beschaffenheit der äußeren Hülle der Leuchtorgane von Leuchtkäfern nachempfunden ist.

Kommerziell erhältliche weiße LEDs haben derzeit (Stand Januar 2014) meist eine Lichtausbeute von 50 bis 150 lm/W. LEDs mit wesentlich höheren Werten bei Nennleistung sind nur mit Farbtemperaturen oberhalb von 3500 K und/oder Farbwiedergabeindex R_a kleiner 85 verfügbar. Dieser Bereich bezieht sich zunächst auf die LED allein. Wird sie in ein Leuchtmittel oder eine Lampe eingebaut, müssen zusätzliche Verluste durch das notwendige Vorschaltgerät (70 bis 95 % Wirkungsgrad) und evtl. durch die Optik berücksichtigt werden. Aktuelle Markenleuchtmittel erreichen (Stand Januar 2014) unter Berücksichtigung dieser Faktoren meist zwischen 40 lm/W und 100 lm/W. Sie sind damit etwa 3- bis 10-mal effizienter als herkömmliche Glühlampen (ca. 10 bis 14 lm/W), etwa 2- bis 6-mal effizienter als Halogenlampen (ca. 15 bis 20 lm/W) und ähnlich effizient wie Leuchtstoffröhren (ca. 70 bis 90 lm/W).

Anders als bei Glühlampen erhöht sich die Effizienz von LEDs bei Betrieb mit einer niedrigeren als der Nennleistung. Bei halbem Nennstrom (und damit knapp halber Nennleistung) erreichen die meisten LEDs eine 10 bis 30 % höhere Lichtausbeute.

Leistung pro LED

Ein weiterer Parameter ist die Leistung pro Einheit: je höher die elektrische Leistung und damit die Stromdichte einer einzelnen LED wird, desto schlechter ist ihr Wirkungsgrad. Das resultiert sowohl aus Quanteneffekten als auch aus einer höheren Temperatur des LED-Chips. Aus diesem Grund werden in vielen Anwendungen die LEDs nicht bei der vom Hersteller angegebenen Nennleistung, sondern darunter betrieben. Dadurch erhöht sich die Energieeffizienz und durch die reduzierte Temperatur verlängert sich die Lebensdauer der LED, gleichzeitig vereinfacht die geringere Abwärme die Kühlung und damit die Konstruktion der Leuchte. Allerdings kann es dadurch notwendig werden mehr LEDs einzusetzen um die gewünschte Lichtmenge zu erreichen, wodurch gegebenenfalls eine aufwändigere Optik notwendig wird.

Massenfertigung

Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im Labor hergestellt und bald darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten „Fluxbinning“ werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten. Selbstverständlich wirbt ein Hersteller mit seiner höchsten Klasse. Wie klein der Anteil der besten Klasse an der Gesamtproduktion ist, erfährt man indirekt über den Preis und die Lieferbarkeit.

Betrieb, Anschluss und Entsorgung

Schaltzeichen einer Leuchtdiode

Der Lichtstrom einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Bei konstanter Halbleitertemperatur ist die Zunahme annähernd proportional. Der Wirkungsgrad sinkt in der Regel mit steigender Temperatur, deshalb sinkt die Lichtausbeute an der Leistungsgrenze je nach Art der Kühlung ab. Die LED altert beschleunigt bis hin zum Spontanausfall, wenn die Temperatur des Halbleiters zirka 150 °C für längere Zeit übersteigt.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte Spannung reagiert. Bei einem ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Eine Leuchtdiode besitzt, typisch für Halbleiterdioden, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen große Stromänderungen.

Kennlinie einer weißen LED (schematisch).

Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie einer Leuchtdiode schematisch wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße Hochleistungsleuchtdiode mit einem Nennstrom von 350 mA. Diesen Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest man eine Flussspannung bei Nennstrom von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von etwa 1 W.

Eine LED kann nicht effizient unmittelbar an eine Spannungsquelle wie eine Batterie angeschlossen werden:
Eine weiße LED bleibt zum Beispiel beim Anlegen einer Spannung von 2,4 V (zwei NiMh-Akkus à 1,2 V) dunkel. Bei 3 V (zwei Alkali-Mangan-Primärzellen handelsübliche nichtaufladbare „Batterien“) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku-Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %, ohne aktive Kühlung fällt die LED nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im Diagramm markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch Exemplarstreuungen der Halbleitereigenschaften beziehungsweise Temperaturerhöhung (mit steigender Temperatur nehmen Bandabstand und Durchlassspannung ab). Daher kann der Strom auch bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LEDs ausschließlich mit Maßnahmen zur Strombegrenzung.

Kurzzeitig (µs bis ms) können LED mit Strömen des Mehrfachen des Dauer-Nennstromes betrieben werden. Vor allem Infrarot-LED sind dafür spezifiziert. Eine typische Anwendung dieser Toleranz sind Infrarot-Fernbedienungen, bei denen LEDs mit etwa 40 kHz gepulst betrieben werden. Die Modulation der Licht- bzw. Strahlungsleistung ist je nach LED-Typ bis zu mehreren 100 kHz bis einigen 10 MHz möglich.

Betrieb mit Vorwiderstand

Bestimmung des Arbeitspunktes bei bekannter Diodenkennlinie

Die einfachste Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer Spannungsquelle ist, in Reihe zu ihr einen Vorwiderstand zu schalten. Der Wirkungsgrad ist prinzipiell nicht schlechter als bei einer linear geregelten Konstantstromquelle. Wird diese Anordnung mit einer Spannungsquelle betrieben, deren Spannung U₀ unter Last (Nennstrom I) bekannt ist, so lässt sich der gewünschte Strom I über die Wahl des Widerstandes einstellen:

$R={\frac {U_{0}-U_{\mathrm {LED} }}{I}}$

Beispiel: $U_{0}=4{,}5\ \mathrm {V} ,\ I=0{,}35\ \mathrm {A} ,\ U_{\mathrm {LED} }=3{,}4\ \mathrm {V}$

$R={\frac {4{,}5\ \mathrm {V} -3{,}4\ \mathrm {V} }{0{,}35\ \mathrm {A} }}=3{,}1\ \Omega \$

Die Verlustleistung und damit die Baugröße des Widerstandes ergibt sich zu

$P_{\text{Verlust}}=\Delta {U}\cdot \ I_{\mathrm {LED} }=1{,}1\ \mathrm {V} \cdot 0{,}35\ \mathrm {A} =0{,}385\ \mathrm {W}$

Der nächsthöhere Normwert ist 0,5 W.

Bei einer ungeregelten Spannungsquelle wie einem Netzteil aus Transformator mit Gleichrichter und Glättungskondensator führt der Innenwiderstand der Quelle zu einer starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Laststrom. Bei der obigen Formel ist dann zu beachten, dass U₀ nicht die Leerlaufspannung ist, sondern die Ausgangsspannung beim Nennstrom I, welche sich bei kleinen Transformatoren (ca. 3 VA) gegenüber der Leerlaufspannung nahezu halbieren kann.

Der Nachteil eines Vorwiderstands liegt in der starken Variabilität des Stroms bei einer veränderlichen Versorgungsspannung begründet, wie es beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen der Fall ist. Das gilt vor allem dann, wenn durch die Reihenschaltung mehrerer LEDs eine relativ geringe Spannung am Vorwiderstand abfällt, was andererseits die Verluste verringert.

Beispiel

An ein 12-V-Bordnetz werden drei LEDs à 3,4 V angeschlossen, so dass bei einer Spannung U = 12 V nur 1,8 V für den Vorwiderstand verbleiben. Mit einem Vorwiderstand von 5,2 Ω ergibt sich so ein Strom von 348 mA. Beim Laden des Akkus im Auto können aber durchaus Spannungen bis 14,4 V auftreten. Das hätte dann einen praktisch verdoppelten Strom von rund 700 mA zur Folge (der Spannungsabfall an der LED steigt ebenfalls leicht an), obwohl sich die Bordspannung nur um 16 % erhöht hat. Die gewählte Ausführung ist somit nicht betriebssicher und damit ungeeignet. Abhilfe könnte die Reduzierung der in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder der Betrieb mit Konstantstromquelle darstellen.

Betrieb mit Konstantstromquelle

Je nach Einsatzzweck kann es vorteilhaft sein, Leuchtdioden an einer Konstantstromquelle zu betreiben. Damit entfällt das Problem der Abhängigkeit des Vorwiderstandes von der Versorgungsspannung. Die LED kann dann über einen sehr weiten Spannungsbereich mit einem konstanten Strom sicher betrieben werden. Konstantstromquellen lassen sich mit Transistoren oder integrierten Schaltungen realisieren.

Als Stromquelle für LEDs geeignete Konstantstromquelle mit JFET.

Eine Möglichkeit zur Realisierung einer Konstantstromquelle bietet ein JFET in Form eines einfachen Linearreglers, der in Serie mit einer LED an eine Spannungsquelle geschaltet wird. Nebenstehende Schaltung wird dabei statt des Vorwiderstandes R in Serie zur LED geschaltet. Durch Wahl von R₁ kann die Stromstärke durch die LED eingestellt werden. Der Widerstandwert ist von den Parametern des JFET abhängig und – im Gegensatz zum Betrieb mit Vorwiderstand – nicht von der Versorgungsspannung. Überschlagsmäßig kann der Konstantstrom nach folgender Gleichung bestimmt werden:

$I_{\text{D}}\approx {\frac {U_{\text{GS}}}{R_{1}}}$

(U_GS ist die Spannung zwischen Gate und Source; dieser Wert ist aus dem Datenblatt des jeweiligen JFET zu entnehmen und gleich der Spannung, die im Betrieb am Widerstand R₁ anliegt.)

Die mit dieser Schaltung erzielbaren typischen Versorgungsspannungsbereiche können den Bereich einiger weniger Volt bis zu 100 Volt überstreichen und sind nur durch die Spannungsfestigkeit und maximale Verlustleistung des JFETs begrenzt. Der Betrieb einer LED oder einer Serienschaltung weniger LEDs an hohen Spannungen an einer Konstantstromquelle hat einen geringen Gesamtwirkungsgrad zur Folge. In diesem Fall und in vielen Anwendungen mit Hochleistungs-LEDs mit Betriebsströmen ab einigen 100 mA aufwärts werden zur Minimierung der Verluste häufig Schaltregler eingesetzt, welche auf einen konstanten Ausgangsstrom regeln.

Betrieb mit Schaltregler

Einfacher Aufwärtswandler zum Betrieb einer oder mehrerer weißer LED an einer Primärzelle (1,5 Volt)

Die beiden vorherigen Schaltungen haben den Nachteil, dass sie bei Abweichungen zwischen Durchlassspannung und Betriebsspannung das Produkt aus Spannungsdifferenz und Betriebsstrom in Form der Verlustleistung in Wärme umwandeln. Außerdem muss die Flussspannung der LED (bei weißen LEDs 2,5 V bis über 4 V) überschritten werden, damit die LED überhaupt leuchtet. Das stellt eine Hürde für den Batteriebetrieb dar.

Effizientere Lösungen auf der Basis eines Schaltreglers beziehungsweise eines DC-DC-Wandlers mit Konstantstromausgang wandeln die Energie ähnlich effizient wie ein Transformator. Sie arbeiten im Schaltbetrieb bei hohen Frequenzen und verwenden zur Zwischenspeicherung der Energie Speicherdrosseln. Die hohe Schaltfrequenz und die Konstanthaltung des Stroms sorgen dafür, dass so betriebene LEDs für das menschliche Auge weitestgehend flimmerfrei leuchten. Außerdem kann man mit dafür ausgelegter Elektronik den Betriebsstrom und damit die Helligkeit mittels Pulsweitenmodulation (PWM) steuern. Dafür gibt es auch spezielle integrierte Schaltungen.

Die im Bild rechts dargestellte einfache Schaltung besitzt dagegen keine Stromregelung – der Spitzenstrom, der bei gesperrtem Transistor durch die LED fließt, wird durch die Sättigungsstromstärke der Ferrit-Ringkernspule und/oder die Stromverstärkung des Transistors bestimmt.

Betrieb an Netzspannung

Der effiziente Betrieb einer LED an Netzspannung ist mit einem Gleichrichter und einem Vorschaltkondensator möglich. Die Summe der Flussspannungen der in Reihe geschalteten LED muss dabei deutlich geringer als die Netzspannung sein, um den Strom innerhalb der Netzspannungstoleranz ausreichend konstant zu halten. Diese oft in Leuchtmitteln angewendete Lösung erfordert zusätzlich einen Widerstand zur Strombegrenzung und einen weiteren Kondensator, die den Gleichrichter beziehungsweise die LED vor dem vom Vorschaltkondensator verursachten Einschaltstromstoß sowie vor Überspannungsimpulsen im Netz schützt.

Seit 2006 werden LED-Module als „Wechselstrom-LEDs“ vermarktet, die auf der ohnehin zur Wärmeableitung nötigen Metallkern-Leiterplatte auch einen Brückengleichrichter unterbringen. Damit ist auch der Betrieb an Wechselspannung möglich, allerdings verursacht der Gleichrichter einen zusätzlichen Spannungsabfall von ca. 1,4 V. Für den 230-V-Betrieb spielt das nur eine untergeordnete Rolle. Jedoch ist eine Glättung des Gleichstroms und damit der Lichtstärke nicht mehr möglich.

Mittlerweile werden LED als SMD-Arrays in Glühlampenform angeboten. Im Lampensockel ist ein Spannungswandler für den Betrieb an 240 V integriert, häufig ausgeführt als einfaches Kondensatornetzteil.

Entsorgung und Recycling

Defekte oder ausgediente LED-Leuchtmittel müssen in Deutschland aufgrund des ElektroG im Elektronikschrott entsorgt werden. Bei LEDs mit Galliumarsenid als Halbleiter ist dieser giftig und umweltgefährlich, außerdem enthält das eingebaute Vorschaltgerät des Leuchtmittels weitere elektronische Bauteile. Die Schadstoffmenge in den Leuchtmitteln ist aber – wie bei den Kompaktleuchtstofflampen auch – im Vergleich zur Schadstoffbelastung durch die Produktion gering. Das prinzipiell mögliche Recycling von Galliumarsenid aus LEDs (Urban Mining) ist 2012 noch nicht rentabel. Galliumarsenid wird auch nur für LEDs mit Wellenlängen über 570 nm eingesetzt. Weiße LEDs enthalten kein giftiges Galliumarsenid.

Weitere Informationen

Siehe auch

• Lichtquelle
• Energieverbrauchskennzeichnung
• Optoelektronik

Literatur

• M. George Craford: Visible Light-Emitting Diodes: Past, Present, and Very Bright Future. In: MRS Bulletin. 25, Nr. 10, 2000, S. 27–31, doi:10.1557/mrs2000.200.
• Roland Heinz: Grundlagen der Lichterzeugung: von der Glühlampe bis zum Laser, Lampen, Leistungsreduktion, LED, OLED, Laser. 4., erweiterte Auflage. Highlight, Rüthen 2011, ISBN 978-3-937873-03-9.
• E. Fred Schubert: Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press, 2003, ISBN 0-521-53351-1.
• Dennis Köhler: LED 2014 – Beiträge zur Technologie. 1. Auflage. Highlight, Rüthen 2014, ISBN 978-3937873060.

Weblinks

 Commons: LEDs – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Leuchtdiode – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Wikibooks: Arbeiten mit LEDs – Lern- und Lehrmaterialien

• Leuchtdiode (Grundlagen und Weiteres)
• Resource of technical information (englisch)
• Fernsehbilderzeugung mit rotierenden LED-Leisten in: Fernsehbildmaschine von Peter Schmalenbach (Mech. Television / English subtitles) auf YouTube
• Verschiedenes zum Thema LED
• Spezielle Optiken für farbmischende LED-Strahler
• Akzeptanz von LED-Strahler in der Veranstaltungstechnik