Die Vorteile von LEDs

Eine Leuchtdiode (LED) ist ein elektronisches Halbleiterelement, welches den Strom direkt in Licht umwandelt – fließt durch die Diode Strom in Durchlassungsrichtung, so strahlt sie Licht ab. LEDs verbrauchen wenig Energie, erzeugen kaum Wärme, enthalten keine Infrarotwärme oder UV-Strahlen, sind unempfindlich gegenüber Erschütterungen, besitzen keinen Glühfaden, erreichen deutlich kürzere Schalt zeiten und haben eine hohe Lebensdauer. Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb ist z.B. der Einsatz in Signalanlagen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den grössten Teil des Spektrums herausfiltern, besonders effektiv.
Leuchtdioden fallen in der Regel nicht aus, sondern werden schwächer. Sie haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Lebensdauer hängt vom Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen ab – hohe Temperaturen durch hohe Ströme verkürzen die Lebensdauer. In der Regel werden Leuchtdioden mit einem Vorwiderstand (Gleichrichter) oder mit einer konstanten Stromquelle betrieben – diese darf in ihrer Leistung nicht überschritten werden. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen 1.000 Stunden bei 5-Watt-LED bis zu über 100.000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LED.

Aufbau

Das Bild links unten zeigt den Aufbau einer Standard-Leuchtdiode. Der Halbleiterkristall ist in einer Reflektorwanne eingebettet. Das Bild rechts zeigt den Reflektor nach Entfernen der transparenten Plastikummantelung. Der rechteckige Draht, der den Reflektor trägt, stellt den Kontakt zur Kathode her und nimmt die Verlustwärme auf. In der Mitte des Kristalls erkennt man Reste des Bonddrahts, der den Kontakt zur Anode herstellt.
Im linken Bild ist der Bonddraht rechts oberhalb des Trägers als horizontale Linie erkennbar.
Die Kathode ( – ) ist durch eine Abflachung links am Gehäusesockel markiert. Bei fabrikneuen LED ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel: Kathode = kurz). Bei den meisten LED ist der Reflektor die Kathode, dann gilt auch die Merkregel, dass die (technische) Stromrichtung von dem Pfeil, den die Elektrode (in der Abbildung rechts) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird. In seltenen Fällen ist der Aufbau aber genau umgekehrt!
Hochleistungs-LED werden mit höheren Strömen betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann entweder über die Stromzuleitungen abgeführt werden, oder der Strom wird über zwei Bonddrähte zugeführt und die Wärmeableitung über die Reflektorwanne ist davon getrennt.
Die industrielle Verarbeitung von bedrahteten LED ist aufwändig und teuer. LED werden daher z. B. auch in SMD-Gehäuseform hergestellt. Eine weitere Möglichkeit ist das direkte “Bonden” des LED-Chips auf der Platine (Chip on board – COB).
Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (2 oder 3) Dioden in einem Gehäuse. Bei der Ausführung mit 2 Anschlüssen sind 2 LED in Gegenrichtung parallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine Wechselspannung regt beide Dioden an und erzeugt eine Überlagerungsfarbe.

Makroaufnahme einer Leuchtdiode (Durchmesser 5 mm)

Innerer Reflektor (Durchmesser ca. 1 mm), nach Entfernen der Plastikummantelung

Foto einiger bedrahteter Leuchtdioden

Schaltzeichen einer Leuchtdiode

Technologie

Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich (das entspricht im sichtbaren Bereich der Farbe) und die Effizienz lässt sich so beeinflussen:

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

blaue LED aus InGaN

Eigenschaften

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb ist z.B. der Einsatz in Signalanlagen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern, besonders effektiv.
Als Lebensdauer der LED wird die Zeit, nach der die Lichtausbeute der LED auf die Hälfte des Anfangwertes abgefallen ist, bezeichnet. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber i. d. R. nicht plötzlich aus. Leuchtdioden sind unempfindlich gegen Erschütterungen. Sie haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Lebensdauer hängt von dem jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen 1.000 Stunden bei 5-Watt-LED bis zu über 100.000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LED. Hohe Temperaturen (z. B. durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LED drastisch.
Die hohe Schaltgeschwindigkeit der LED ist z. B. bei dem Einsatz in der Optoelektronik wichtig. Die Modulationsfrequenz beträgt bis zu 100 MHz.
Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie. Im Betrieb muss der Strom durch ein weiteres Bauelement begrenzt werden, im einfachsten Fall durch einen Widerstand oder durch eine Konstantstromquelle. Damit ist einer mehr oder weniger starken und zudem meist ungewollten Veränderung des Nennstroms (und somit auch Änderungen der Leuchtstärke) bis hin zur Zerstörung des Leuchtmittels wirksam vorgebeugt. Die Stromaufnahme variiert von Modell zu Modell zwischen 2 mA (z. B. miniaturisierte SMD LED), 20 mA (z. B. 5-mm-LED) bis ca. 700 mA oder mehr bei LED für Beleuchtungszwecke. Die Durchlassspannung (abgekürzt Uf bzw. Vf) reicht dabei von etwa 1,3 V (Infrarot-LED) bis ca. 4 V (InGaN-LED: grün, blau, UV).

Spektren einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode.

Weiße LED

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

Die Verwendung von mehreren Farbstoffen ist teurer und liefert geringere Lichtausbeute, es lassen sich aber damit gute Farbwiedergabeeigenschaften (Farbwiedergabeindex Ra 90) erzeugen.

(Hochleistungs-) LED mit gleichmäßig aufgetragener Leuchtstoffschicht

Blaue LED in Phosphor-Wanne zur Erzeugung von weißem Licht

Für kommerzielle Beleuchtungen wird aus Kostengründen immer die Variante mit einer Leuchtdiode in Kombination mit Farbstoffen verwendet: handelsübliche weiße LEDs bestehen meist aus einer blauen LED mit einer darüber liegenden gelblich fluoreszierenden Schicht aus Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver.

Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen nicht die Hälfte der Lichtausbeute) und der ganz erhebliche UV-Anteil, den jede blaue LED zusätzlich abstrahlt, durch diese Fluoreszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt wird, ist dies die wirtschafllichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen.
Die Art der Farbstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand der Grafik deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Fluoreszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den meisten roten Farbstoffen nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und in Farbdisplays zu einer schlechten Rotwiedergabe führt. RGB-LEDs hingegen (nicht in der Grafik zu sehen) erzeugen drei ziemlich ‘spitze’, d.h. schmalbandige Farbanteile. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im Allgemeinen besser, was sich vor allem bei Farbdisplays in brillianten Farben bemerkbar macht. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicke resultiert (besonders am Rand) in einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe. Weiterhin werden weiße LED für unterschiedliche Arten von weißem Licht gefertigt (bekannt von kaltem Licht aus Neonröhren gegenüber warmem Licht aus Glühlampen). Die Unterschiede in der Lichtfarbe kann mit der Farbtemperatur angegeben werden (gemessen in Kelvin). Eine Farbtemperatur von 3000 K steht für eine warme rötliche Lichtfarbe, wogegen 6000 K eine kalte, tageslichtähnliche Farbe beschreibt.

Erzeugen von weißem Licht mit nur einer Leuchtdiode in Kombination mit Phosphor-Fluoreszenzfarbstoffen