LED (Light Emitting Diodes)

(a) Schematischer Aufbau einer LED

(b) Materialien zur Erzeugung farbigen LED-Lichts

Abbildung 3.244: Die LED

In konventionellen Lampen entsteht sichtbares Licht entweder auf Grund der Erwärmung einer Metallwendel (Glühlampe) oder durch eine Gasentladung. In der LED (Light Emitting Diode) findet die Lichterzeugung in einem räumlich sehr kleinen Bereich des p-n-Übergang des kristallinen, halbleitenden Materials statt, wo bei der Rekombination der positiven und negativen Ladungsträger ein Teil der frei werdenden Energie in Licht umgesetzt wird (Elektrolumineszenz). Dabei wird monochromatisches Licht einer bestimmten Farbe (Gelb, Orange, Rot, Grün, Blau), bzw. Wellenlänge erzeugt. Das entstehende Licht ist schmalbandig und materialcharakteristisch (siehe Tabelle in Abbildung b). Ein Reflektor und eine Linse mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften (sammelnd, streuend usw.) verbessern die Lichtabstrahlung.

Weißes Licht entsteht entweder durch Mischung des Lichtes von roten, gelben und blauen LED (RGB-Mischung) oder durch die Beschichtung einer blauen LED mit einem Leuchtstoff, der das blaue Licht der LED teilweise in Licht des grünen und roten Spektralbereichs umwandelt.

Die RGB-Mischung spielt heute in Anwendungen der Allgemeinbeleuchtung praktisch keine Rolle. Einerseits sind sowohl die Farbwiedergabe, gekennzeichnet durch den Farbwiedergabe-Index Ra, als auch die Lichtausbeute des durch RGB-Mischung erzeugten weißes Lichts nicht zufriedenstellend. Andererseits weist es - auf Grund unterschiedlicher Degradation der LED der einzelnen Farben - einen sich zeitlich ändernden Farbort auf (siehe Kapitel „Lichtfarbe und Farbwiedergabe"). Die RGB-Farbmischung findet jedoch im Bereich dekorativer und das Wohlbefinden fördernder Anwendungen (siehe auch Kapitel ??), der Signaltechnik (z. B. in Kraftfahrzeugen, Ampelsignalanlagen) und als Wegleitungssysteme (in Gebäuden oder im Außenraum) einen breites Einsatzspektrum.

Die Konversion blauen LED-Lichts mittels einer Leuchtstoffbeschichtung ist hingegen ein Verfahren, das überall dort Anwendung findet, wo qualitativ hochwertiges weißes Licht ist großer Menge benötigt wird. So zum Beispiel in der Wohnraumbeleuchtung, der Arbeitsstättenbeleuchtung und der Straßenbeleuchtung. Hohe Farbstabilität, gute bis sehr gute Farbwiedergabeeigenschaften sowie sehr hohe Lichtausbeuten weisen dieses Verfahren aus.

Im Labor werden Werte der Lichtausbeute von über 200 lm/W gemessen. Jedoch sind diese Werte als technische Angaben eines “Lampenlichtstroms” nicht einsetzbar, da die Lichtausbeute in hohem Maße von den konkreten Betriebsbedingungen in der Leuchte abhängt. Wichtige Faktoren sind dabei die Bestromung der LED sowie das Thermomanagement (siehe Kapitel „Thermomanagement"), die in engem Zusammenhang mit der zu erwartenden Lebensdauer der Leuchte stehen.

In der Wohnraumbeleuchtung finden heute verbreitet sogenannte “Retrofit”-Lampen mit LED-Technik Anwendung. Dabei handelt es sich um Komplettsysteme, bestehend aus den LEDs und den für ihren Betrieb benötigten Elektronik-Komponenten (siehe Kapitel „Betriebsgeräte für LED-Leuchten"), häufig mit E27- oder E14-Fassung als Ersatz für die frühere Allgebrauchs-Glühlampe.

In der Arbeitsstätten-Beleuchtung werden Retrofit- Lampen nur selten eingesetzt. Ein Grund dafür ist, dass Leuchten in Arbeitsstätten - im Gegensatz zu Einzelleuchten im Privathaushalt - im Allgemeinen in größeren Gruppen als Beleuchtungsanlagen mit langen Betriebszeiten betrieben werden. Daraus ergeben sich erhöhte wirtschaftliche wie auch sicherheitsrelevante Anforderungen an (siehe auch Kapitel „Kennzeichnung von Leuchten, Typenschild”):

  • die Energieeffizienz der Leuchte,

  • die Lebensdauer der Lampe, bzw. Leuchte,

  • die lichttechnischen Kenndaten der Lampe bzw. Leuchte für die lichttechnische Planung,

  • die elektromagnetische Verträglichkeit und

  • den Leistungsfaktor (Blindstrom-Vermeidung),

  • die Flimmerfreiheit.

Diese Anforderungen werden heute von LED-Leuchten in Form von optimierten Gesamtsystemen mit fest integrierter LED-Lichtquelle und Elektronik sehr viel besser erfüllt.

Gedimmt werden LED-Lichtquellen mit unterschiedlichen Verfahren. Weit verbreitet ist die Pulsweitenmodulation (PWM) der Gleichspannung, bei der nach einem einstellbaren ON/OFF-Verhältnis der vom Betriebsgerät erzeugte Gleichstrom ein- und ausgeschaltet und damit die Energiezufuhr geregelt wird. Anders als z. B. bei der Phasenabschnitt-Dimmung von Glühlampen, bei der das Licht des sich träge abkühlenden Glühfadens nicht erlischt, folgt die LED der Pulsweitenmodulation praktisch ohne Verzögerung. Für Anwendungen, bei denen stroboskopische Effekte sich störend auswirken können, ist eine PWM-Dimmung daher zu vermeiden. Physiologische Rückwirkungen auf den Menschen sind bei PWMFrequenzen oberhalb von 400 Hz sicher vermieden. Schaltungen mit geringeren PWM-Frequenzen sollten nicht eingesetzt werden. Dazu sind geeignete Betriebsgeräte (siehe Kapitel, „Betriebsgeräte für LED-Leuchten") erforderlich, z. B. mit DALI-Schnittstelle (siehe Kapitel, „DALI").

Weitere Entwicklungen im Bereich der Nutzung der Elektrolumineszenz betreffen die organischen LED, die so genannten OLED, bei denen die Lichterzeugung in einer organischen Substanz erfolgt. Während kristalline LED sehr kleine Einzelelemente mit nur wenigen Millimetern Durchmesser sind, lassen sich mit OLED vor allem flächige Lichtemitter herstellen. Sie werden heute vorwiegend in der Display-Technik eingesetzt. Ein wirtschaftlicher Einsatz in der Allgemeinbeleuchtung ist derzeit nicht abzusehen.

Abbildung 3.245: Weiße LEDs unterschiedlicher Technologien