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Die Leuchtdiode, kurz auch LED genannt

 

Was Sie über Leuchtdioden wissen sollten

 

Was ist eine Leuchtdiode?

Eine Leuchtdiode (kurz LED von englisch light-emitting diode, deutsch Licht emittierende Diode) ist ein Halbleiter welcher, wie alle Dioden, die Eigenschaft besitzt für den elektrischen Strom in eine Richtung durchlässig zu sein und in der Gegenrichtung den Stromfluss zu sperren. Im Gegensatz zu Gleichrichter-Dioden besteht eine LED aber nicht aus Silizium oder Germanium sondern es wird Gallium als Basismaterial verwendet. Gallium besitzt (einfach ausgedrückt) die Eigenschaft bei elektrischem Stromdurchfluss in eine spezielle Art von hochfrequenter Schwingung zu geraten und die dabei frei werdende Energie in Form von Photonen (Licht) abzugeben. Dieser Vorgang nennt sich "Strahlende Rekombination".

Wie alle Halbleiter in der Elektronik hat auch Gallium einen sehr niedrigen Schmelzpunkt. Unsachgemässes hantieren mit einem Lötkolben kann bereits zur Überhitzung (Schmelzung) und somit zur Zerstörung dieser sehr empfindlichen Halbleiterschicht führen.

 

Wie wird die Leuchtfarbe einer LED bestimmt?

Durch genau dosierte Beimischung (Dotierung) anderer Substanzen kann das Schwingverhalten des Galliums verändert und somit auch die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Auf diese Art lassen sich der Spectralbereich (der Farbton) und die Effizienz (die Leuchtkraft im Verhältnis zum Stromfluss) direkt beeinflussen.

Der für unser menschliches Auge sichtbare Lichtwellen-Bereich liegt zwischen 380nm (dunkelviolett) und 760nm (dunkelrot).

 

Gibt es weisse LED?

Nein, weiss strahlende Leuchtdioden gibt es nicht! Das weisse Licht wird mit blauen LEDs erzeugt, welche auf der Abstrahlseite eine zusätzliche Lumineszenzschicht besitzen die hierbei als Wellenlängen-Konverter dient. Je nach Zusammensetzung und Dicke (wenige Nanometer) dieser Lumineszenzschicht ergeben sich dann die Wärmegrade Kaltweiss, Reinweiss oder Warmweissbis hin zu Amber. Der hierfür verwendete Messwert des jetzt so erzeugten weissen Lichtes nennt sich "Kelvin". Je tiefer dieser Kelvinwert angegeben wird umso wärmer ist die Lichtfarbe. Gleichzeitig sinkt aber auch bei niederen Wärmegraden die Lichtleistung. Diese wird angegeben in Lumen/Watt.

 

Wird eine LED warm?

Ja, eine LED wird warm! Eine LED strahlt nach vorne zwar kaltes Licht ab, aber durch die (weiter oben auf dieser Seite beschriebene) Rekombination innerhalb des Hableiters entsteht eine Reibung der Elektronen, und durch jede Reibung entsteht bekanntlich Wärme. Je höher die LED-Leistung umso höher ist auch ihre Wärmeentwicklung. Diese Wärme wird bei einer LED normalerweise nach hinten auf einen Kühlkörper übertragen welcher diese wiederum an die Umgebung (z.B. die Luft) abgibt. Diese Kühlkörper sind vom Hersteller der LED-Leuchtmittel so dimensioniert dass sie auch bei Umgebungstemperaturen bis zu 50°C und bei guter Luftzirkulation ausreichend Wärme ableiten können. Eine übermässige Erhitzung des Halbleiters durch schlechte Wärmeableitung hat eine schnellere Alterung der Leuchtdiode (ein rasches Nachlassen der Leuchtkraft) zur Folge und kann innert kürzester Zeit bis zur Verdunkelung der LED und meistens zur totalen Zerstörung (Schmelzung) der empfindlichen Galliumverbindung führen (reines Gallium hat einen Schmelzpunkt von nur 36°C). Durch die Veredelung mit Arsenit (Arsen) ensteht ein neues Kristall (GaS) und somit steigt dieser Schmelzpunkt auf ca. 125°C.

Achten Sie deshalb beim Einsatz von Hochleistungs-LED-Leuchtmitteln unbedingt auf eine gute Belüftung bzw. auf eine ausreichende Wärmeableitung, z.B durch die Verwendung von ausreichend grossen Kühlkörpern. Vermeiden Sie Stauwärme wie sie beispielsweise in geschlossenen Glaskugeln, in Einbaulöchern von Deckenstrahlern oder bei sonstigen luftdicht verschlossenen Behältern vorkommen könnte. Sorgen Sie stets für eine gute Hinterlüftung, die LED wird es Ihnen dann mit einer sehr langen Lebensdauer danken.

Die heutigen modernen Leuchtdioden haben, eine ausreichende Kühlung vorausgesetzt, eine zu erwartende Lebensdauer von 50'000 bis teilweise sogar weit über 100'000 Betriebsstunden. - Zum Vergleich und als Berechnungsgrundlage sei erwähnt: Ein Jahr hat "nur" 8'760 Stunden.

 

Mit welcher Betriebsspannung arbeitet eine LED eigentlich?

LEDs funktionieren nur mit Kleinspannung. Je nach Dotierung des Galliums wird bekanntlich ein anderer LED-Farbton erzeugt. Dadurch ergeben sich auch unterschiedliche Durchlass- bzw. Flussspannungen:

  • Für Miniatur- und Standard-LEDs gilt hierbei folgende Grundregel:
  • - eine infrarote LED benötigt mit nur 1,3 Volt die geringste Spannung
  • - mit ca. 1,7 bis 1,9 Volt geben die normal roten 3-5mm LEDs ihr Licht ab
  • - grüne und gelbe LEDs benötigen ca. 2,0 bis 2,2 Volt um zu leuchten
  • - bei den blauen und weissen LEDs liegt diese Flussspannung hingegen erst bei 3,1 bis 3,7 Volt

"High-Power"-LEDs, wie sie heutzutage in der LED-Beleuchtungstechnik verwendet werden, sind hingegen (fast) alle LEDs für eine Betriebsspannung von ca. 3,1 bis 3,7 Volt pro LED-Chip ausgelegt.

- Die maximale Sperrspannung (Falschpolung) beträgt aber bei allen Leuchtdioden ca. 5 Volt.

Achtung! Der oberste Spannungs-Grenzwert, welcher zur unweigerlichen Zerstörung, bzw. zum Durchbrennen einer LED führt, liegt nur wenige zehntel Volt höher als die ideale Betriebsspannung (Flussspannung).

Es ist somit sehr gefährlich eine LED direkt und ohne einen der LED ensprechend angepassten Schutzwiderstand an eine niederohmige Spannungsquelle (z.B. ein Netzteil oder eine Batterie) anzuschliessen da man so die benötigte Flussspannung bzw. den idealen Stromfluss nur sehr schwer genau bestimmen bzw. einstellen kann!

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie, welche wiederum aber negativ temperaturabhängig beeinflusst wird. Dadurch spielt die angelegte Spannung in der professionellen Beleuchtungstechnik nur eine nebensächliche Rolle. Die LEDs werden hier mittels einer Konstantstromquelle mit der nötigen Energie versorgt. Hierbei wird der durch die Leuchtdiode fliessende Strom auf einen vorher genau definierten Wert begrenzt und konstant gehalten. Die von der LED benötigte Flussspannung stellt sich hierbei von alleine auf den richtigen Wert ein. Um eine optimale Lichtleistung zu erhalten muss dieser Strom somit genau an die spezifischen Eigenschaften der jeweiligen LED angepasst sein. Bei zu kleinem Stromfluss leuchtet die LED nur ganz schwach und bei zu hohem Strom steigt auch die Flussspannung an. Dadurch erhöht sich die Temperatur im Inneren der LED überproportional und sie wird somit innert kürzester Zeit durchbrennen.

Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von nur 2mA (beispielsweise bei miniaturisierten Low-current-LEDs als Anzeigen in der Unterhaltungselektronik), über 20mA bei einer Standard-LED und ungefähr 300mA bei einer 1W High-Power-LED bis hin zu weit über 18 Ampere bei modernsten Hochleistungs-LEDs. Die dabei an jeder einzelnen LED gemessene Spannung beträgt nach wie vor zwischen 3,1 und 3,7 Volt (je nach Farbton).

Da aber die Wärmeentwicklung innerhalb der Halbleiterschicht überproportional zum Strom, also zur abgebenden Lichtleistung, ansteigt ist jetzt eine sehr, sehr gut funktionierende Kühlung mehr als überlebenswichtig!

 

 


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