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TECHNIK

 

Aufbau

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 Drahtbonden 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.

Eine weitere Möglichkeit ist das direkte Drahtbonden des Leuchtdioden-Chips auf der Platine (chip on board) und der spätere Verguss mit Silikonmassen. Diese Bauform findet bei LED-Displays mit sehr vielen Leuchtdioden Verwendung. 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 kann in einem direkten Halbleiter als Licht (Photon) abgegeben werden.

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.

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.

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.

Optische Eigenschaften

Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkapselt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- 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 6,283 5,736 5,192 4,657 4,134 3,628 3,142 2,679 2,244 2,038 1,84 1,651 1,47 1,2984 1,136
Öffnungswinkel 65,55° 60° 55° 50° 45° 40° 35° 30° 25° 20° 15° 10°  
sr-Faktor 1 0,842 0,71 0,589 0,478 0,379 0,291 0,214 0,149 0,096 0,054 0,024 0,01 0,0002  

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.

Lebensdauer in Einschaltstunden

Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist (L70B50-Wert) Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. 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. Dies wird durch eine kostenaufwendige Selektion der Bauteile aller Komponenten (sowohl der LEDs als auch der Bauelemente des Treibers) erreicht. Auch im Handel erhältliche LED-Leuchtmittel in Glühlampenform werden mit über 25.000 Stunden bis hin zu 45.000 Stunden Lebenszeit angegeben. Durch thermische Probleme, die u. a. in der vorgegebenen Bauform bedingt sind, erreichen sie diese wenn überhaupt, dann nur mit erheblichem Helligkeitsverlust. Alternativen sind konsequent als LED-Leuchte entwickelte Komplettsysteme.

Schaltzyklen

Eine LED ist deutlich unempfindlicher gegenüber Schaltvorgängen als Glühlampen oder Energiesparleuchtmittel. Denn durch Schaltvorgänge wird sie üblicherweise gedimmt. 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 auch 2013 noch nicht auf der Verpackung angegeben. In diesen Fällen muss man bei LED-Leuchtmitteln von einer Schaltfestigkeit in der Größenordnung von 20.000 Schaltzyklen ausgehen.

Das 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/Aus-Schaltungen LED-Leuchtmittel in den meisten Fällen trotz höherer Anschaffungskosten insgesamt wirtschaftlicher als ESL oder Glühlampen sind.

 

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