LED - Technik

LEDs in der Allgemeinbeleuchtung

Die Glühbirne ist ein Energieverschwender. Sie setzt nur wenige Prozent des verbrauchten Stroms in Licht um, das meiste wird als Wärme verbraucht. Damit liegt sie auch am untersten Ende, wenn es um die Effizienz der Lichtquellen geht. NV-Halogen-, Quecksilberdampf-Hochdruck-, und Leuchtstofflampen sind da schon viel besser. Die vorderen Ränge in der Effizienz von Lichtquellen nehmen Natriumdampf-Hochdruck- und Halogen-Metalldampflampen ein. Eine Lichtquelle ist da aber am Vormarsch: Die Lichtstromwerte heute verfügbarer LED's (Light Emitting Diodes) liegen zwischen einigen Lumen bei Kleinleistungs-LEDs (ca. 50-100mW Leistungsaufnahme) und bis zu 120 lm bei Hochleistungs-LED's (bis zu 5 W).

Allerdings - auch wenn die gute alte Glühlampe nicht so leistungseffizient ist - sie liefert ein Licht, das dem menschlichen Auge am angenehmsten erscheint. Doch egal welche Vorteile die unterschiedlichsten Lichtquellen haben, die LED ist drauf und dran, sich bei vielen Parametern an die Spitze zu setzen. Langsam aber sicher ist sie nicht nur im farbigen Bereich nicht mehr wegzudenken, wenn auch das Preis- Leistungsverhältnis noch verbessert wird (derzeit ist dieselbe Lichtmenge aus einer Glühbirne, Leuchtstofflampe etc. noch um ein vielfaches billiger als jene aus einer Leuchtdiode), dann sind auch die Tage der Glühbirne gezählt (Glühbirnen, so schätzen Experten, werden aber wohl zumindest noch die nächsten 20 Jahre produziert werden).

Das LED-Licht

LEDs erzeugen monochromatische Strahlung. Der Farbton des LED-Lichts wird durch die dominante Wellenlänge definiert. Es gibt LEDs in den Farben Rot, Orange, Gelb, Grün und Blau.

Weißes Licht kann als Mischung aus Licht aller Wellenlängen erzeugt werden, zum Beispiel in LED-Modulen. Es entsteht durch additive Farbmischung der drei RGB-Farben (Rot, Grün, Blau).

Alternativ wird weißes Licht mit dem von der Leuchtstofflampe bekannten Konversionsprinzip erzeugt (Lumineszenzkonversion). Dabei regt das Licht einer blauen LED Leuchtstoff an, der einen Teil des blauen in gelbes Licht wandelt. Durch die Überlagerung des nicht absorbierten, blauen Lichts mit dem emittierten gelben Licht des Leuchtstoffs ergibt sich weißes Licht. Hierbei muss die Konzentration des Leuchtstoffs sehr genau gesteuert werden, damit das gewünschte Weiß realisiert wird. Die Leuchtstoffe werden permanent weiter entwickelt - auch um die Farbwiedergabewerte der weißen LED-Beleuchtung vergleichbar zu machen mit denen anderer Lichtquellen.

LED-Licht enthält keine ultraviolette (UV) und infrarote (IR) Strahlung. LEDs können deshalb überall dort eingesetzt werden, wo diese Art der Strahlung stört - zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, bei der Beleuchtung leicht ausbleichender Kunststoffe oder bei der Ausleuchtung empfindlicher Kunstwerke in Museen.

LEDs im Vormarsch

Begonnen hat der Siegeszug schon vor langer Zeit als Status und Signalanzeige - als Kontrollämpchen in Geräten und auch in Autos. Dort sind sie bereits Alltag - nicht nur im Auto. Sehen Sie besonders helle Ampeln auf der Straße, dann sind das LED-Ampeln. Hier zeigt sich auch die Problematik für den Einsatz der LED-Beleuchtung in der Allgemeinbeleuchtung: Bei farbigen LEDs konnte schon vor längerer Zeit eine hohe Lichtausbeute erreicht werden. Doch die weiße LED holt auf. Etwa alle zwei Jahre verdoppelt sie ihre Lichtausbeute und wird damit wohl in etwa 10-15 Jahren Spitzenreiter bei der Effizienz der Lichtquellen sein. Derzeit können weiße LEDs in Sachen Effizienz bereits mit Halogenlampen aufnehmen.

Bieten aber noch viel mehr Vorteile: Da sie kein Quecksilber enthalten, sind sie umweltfreundlicher als Leuchtstofflampen.

Auch bei der Lebensdauer können LEDs punkten. Bei Raumtemperatur haben LEDs - und damit auch die immer häufiger angebotenen LED-Module - eine Lebensdauer von bis zu 50.000 Stunden. Die altbewährten farbigen Leuchtdioden bringen es sogar auf bis zu 100.000 Stunden. Stark zu beachten dabei sind jedoch die Betriebs- und Umgebungstemperaturen: Zu hohe Temperaturen führen zur einer Abnahme des Lichtstroms und der Lebensdauer.

Noch ein Vergleich zur Effizienz: Bei einer Optimierung der weißen Leuchtdioden könnte mit einem Einsatz von nur drei Watt die Lichtausbeute einer 60-Watt-Glühbirne erreicht werden.

Noch ein Vorteil der LEDs: Ihr Licht enthält keine UV- und IR-Strahlung. Sie können daher überall dort eingesetzt werden, wo diese Art der Strahlung stört.

Weitere Vorteile der LEDs

Leuchtdioden sind nicht nur effizient und langlebig, sie sind auch klein und robust. Das macht viele Arten neuer Designanwendungen möglich, LEDs können sogar in Stoffe oder andere Materialien integriert werden. LEDs ermöglichen auch ganz neue und andersartige Lichterlebnisse wie etwa Farbänderungen, um die Lichtatmosphäre in einem Raum zu wechseln (von einem klaren Morgenlicht zu einer warmen, romantischen Abendstimmung). LEDs funktionieren mit Niederspannung, was die Arbeit mit ihnen sicher und einfach macht. Dank ihres geringen Energieverbrauchs, ihrer hohen Energieeffizienz und geringen Größe sind LEDs auch ideal für Mobiltelefone. Sie können sogar als Blitzlicht verwendet werden, womit der Handy-Fotograf an Orten mit zu schwachem Licht für normale Kamerahandys Fotos mit hoher Qualität schießen kann.

Anwendungen von LEDs

LEDs werden bereits in vielen Anwendungen genützt. Wurden sie wie erwähnt vor bis zu zehn Jahren für Anzeigeaufgaben in Produkten wie Kaffeemaschinen, TV-Geräten usw. verwendet, gibt es heutzutage dank Hochleistungs-LED's schon andere Einsatzbereiche: Mobiltelefone, Schilder und Werbeflächen (etwa "Vidiwalls" in Sportstadien und an öffentlichen Plätzen), Autos, Verkehrssignale, Geschäftsbeleuchtung und öffentliche Beleuchtung (wie etwa Stadtverschönerung mithilfe dynamischer Lichteffekte). Außerdem erlaubt die Technologie, eine große Fülle künftiger Anwendungen zu entwickeln. So ist es etwa möglich, LEDs in Stoffe und Mode zu integrieren - Prototypen davon waren etwa auf der IFA (Internationale Funkausstellung) in Berlin zu sehen.

In den letzten Jahren hat der Einsatz von LEDs und LED-Modulen vor allem im Werbebereich, wo Farbe eine Rolle spielt, stark zugenommen (im Gegensatz zum weißen Licht der bekannten Lichtquellen, das erst durch die Außenhülle - Glas, Kunststoff usw. - farbig wird, erzeugt die Leuchtdiode bereits farbiges Licht). Zusätzlicher Vorteil dabei: Neben Monobetrieb lassen sich bei entsprechendem Layout der Leiterplatte in den Modulen farbige LEDs separat ansteuern, wodurch Farbspiele und Sequenzen mit einem Modul möglich sind. Die Farben werden mit additiver Farbmischung erzeugt, indem das Modul LEDs in den drei RGB-Farben (Rot, Grün, Blau) zusammenfasst. Die Mischung der Grundfarben führt zu jedem beliebigen Farbton oder zu Farbeffekten.

Jetzt drängen aber bereits die ersten LED-Leuchten für Innenräume auf den Markt. Dank verbesserter Lichtausbeute in Verbindung mit neuen leistungsfähigen Optiken wird eine präzisere Lichtverteilung ermöglicht. Zugleich punkten die neuen LED-Leuchten mit Dimmbarkeit, sowie leicht steuerbaren dynamischen Beleuchtungseffekten und RGB-Farbmischung.

Geschichte der Lichterzeugung mit LEDs

Das LED-Funktionsprinzip

Das Licht einer LED kommt aus dem Halbleiterkristall. Es wird elektrisch zum Leuchten angeregt: In dem Kristall, existieren zwei Bereiche, ein n-leitender Bereich, mit einem Überschuss an Elektronen und ein p-leitender, Bereich mit einem Mangel an Elektronen. In diesem, Übergangsbereich - genannt pn-Übergang oder Sperrschicht - entsteht Licht in einem Rekombinationsprozess, bei dem ein Ausgleich zwischen Elektronenüberschuss-, und -mangel erfolgt, wenn Gleichspannung an den Kristall angelegt wird.

Das Emissionsspektrum des so erzeugten Lichts ist schmalbandig. Die dominante Wellenlänge und damit die Farbe des Lichts ist abhängig von den zur Herstellung des Halbleiterkristalls verwendeten Materialien. LED-Licht enthält keine UV- und keine IR-Strahlung. Die Strom/Spannungs-Kennlinie einer LED zeigt im lichttechnisch relevanten Bereich der Flussspannung - vergleichbar mit der Lampenspannung - einen geringen, differenziellen Widerstand, was eine Stabilisierung des Arbeitspunktes erforderlich macht. Wird der Betriebsstrom variiert, lässt sich der abgegebene Lichtstrom proportional beeinflussen. Im praktischen Betrieb wird die LED von einem definierten Gleichstrom durchflossen, den - wie auch bei der Leuchtstofflampe - ein Betriebsgerät liefert.

Vorteile der LED auf einen Blick

LEDs bieten vielfältige neue Möglichkeiten, erfordern manchmal auch andere Denkansätze bei der Beleuchtung. Die von den Herstellern veröffentlichten Erfolgsmeldungen veranlassen die Publikumspresse immer wieder zu Spekulationen, wann die neuen "Halbleiterlampen" die bekannten Leuchtmittel verdrängt haben werden. Die Annahme, dass LEDs in der Zukunft einige der klassischen Lampen ablösen, ist nicht unrealistisch. Doch zunächst erschließen sie vor allem zusätzliche, darunter auch bisher nur schwer oder sehr aufwändig lösbare Anwendungen.

LEDs und damit auch LED-Module vereinen viele Vorteile auf sich. Diese begründen ihren Erfolg beim Erschließen neuer Anwendungen und beim Einsatz für konventionelle Beleuchtungsaufgaben.

Wirtschaftliche Vorteile

Vorteile für Design, Architektur und Lichtgestaltung

Technische Vorteile

Vorteile für die Umwelt

Typische Einsatzbereiche für die LED

Als Status- und Signalanzeige in elektrischen und elektronischen Geräten sind LEDs heute nahezu unersetzlich. In anderen Bereichen etablieren sie sich zunehmend, vor allem in der Markierungs- und Orientierungsbeleuchtung sowie in der Objekt- und Architekturbeleuchtung. Noch wenige Ansätze gibt es bei der Beleuchtung von Arbeitsplätzen, die Allgemeinbeleuchtung ist noch Zukunftsmusik. Das trifft analog auf die Außenbeleuchtung zu.

Typische Einsatzbereiche für LEDs und die wichtigsten Vorteile sind:

Quellenhinweis: FGL (Fördergemeinschaft Gutes Licht)

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