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Leuchtdiode

COPYRIGHT TEXT & BILDER: Michael Bockhorst

ParameterWert [Einheit]
Wirkungsgrad, Ultrahell:ca 15 %
Lebensdauer, typ:ca. 100000 - 1 Million Stunden
(10-100 Jahre)
Lebensdauer, Hochleist.-LED:max. 50000 Stunden (5 Jahre)
Leistungen:0.01 W ... 10 W
Kosten incl. Elektronik:ca. 10 EUR/Watt

Auch abgekürzt LED für light emitting diode. Eine Lichtquelle basierend auf der Halbleitertechnik, die sich durch extrem hohe mechanische Festigkeit, sehr hohe Lebensdauern und hohe Lichtausbeute auszeichnet. LEDs werden für die Lichterzeugung eine zunehmende Rolle spielen.

Aufbau von LEDs

Heutige Standard-Leuchtdioden bestehen aus einen zylindrischen Grundkörper, der zu den Anschlussdrähten hin eben abgeschlossen ist. Auf der Seite des Lichtaustritts ist der Zylinder normalerweise durch eine Halbkugel abgeschlossen. Zusammen mit dem Reflektor, der den Halbleiterkristall enthält, wird das Licht fokussiert.

Äufbau-Skizze
Schematischer Aufbau einer Leuchtdiode (Standardtyp)

Der Reflektor erfüllt vier Funktionen:

  • Befestigung des Halbleiterkristalls
  • Kontakt zu einem Pol der Stromversorgung
  • Fokussierung des Lichts aus dem Halbleiterkristall
  • Kühlung des Halbleiterchips durch Wärmeleitung

Der andere Pol der Stromversorgung wird durch einen feinen Draht (etwa 1/10 mm Durchmesser) an dem Halbleiterkristall angeschlossen. Die Verbindungstechnik nennt sich "Bonding", ein übliches Verfahren, um die groben Kontakte von Elektronik-Bauelementen an die feinen Chip-Strukturen anzuschließen.

Foto einer Leuchtdiode  -- Seitenansicht
Foto einer Leuchtdiode
(Standardtyp, 5mm Durchmesser)

Das Foto zeigt eine Hochleistungs-Leuchtdiode in der klassischen 5mm-Bauform. Die eigentliche Lichtquelle, der Chip, hat bei diesen Leuchtdioden Abmessungen von weniger als 1 Millimeter. Moderne LEDs zeichnen sich durch eine hohe Formenvielfalt aus, die aus unterschiedlichen Anforderungen heraus entstanden ist: Verfügbarer Platz für Leuchtelemente, geringere Produktionskosten, erhöhte Lichtmengen pro Chip, etc.

Der Chip als solcher läßt sich fotografieren (Warnhinweis: Niemals ungeschützt in Hochleistungs-LEDs hineinschauen. Gefahr von schweren Netzhautschäden!) -- das entsprechende Foto wurde aus Sicherheitsgründen mit einer Digitalkamera per Live-View (Bildkontrolle per Monitor) aufgenommen.

Qualität des Lichts aus LEDs

Weiterhin ist das durch LEDs erzeugte Licht ,,einfarbig``, das Licht wird über einen schmalen Wellenlängenbereich abgestrahlt. Vor wenigen Jahren ist es gelungen, auch blaue LEDs herzustellen, die ähnliche Lichtausbeuten und Herstellungskosten wie die bis dahin verfügbaren LEDs im restlichen sichtbaren Spektrum besitzen.

Damit ist es möglich, durch die Kombination von LEDs verschiedener Leuchtfarben weißes Licht zu erzeugen, dessen Farbtemperatur durch die relativen Helligkeiten der verschiedenen Leuchtfarben geregelt werden könnte. Gelänge die kostengünstige Herstellung großflächiger Anordnungen von LEDs, so ließen sich damit sicher sparsame Lichtquellen herstellen.

Foto eines Leuchtdioden-Chips
Foto eines Leuchdioden-Chips
siehe Warnhinweis im Text!

Lebensdauer von LEDs

Die Lebensdauer von Leuchtdioden wird mit etwa 105 --106 Stunden abgeschätzt, 10-100 Jahren entsprechend. Die Lebensdauer für Leuchtdioden ist als derjenige Zeitraum definiert, in der Wert der Intensität auf die Hälfte der ursprünglichen Wertes abgesunken ist.

Moderne Hochleistungs-LEDs (1-11 Watt pro Element) benötigen eine gute Kühlung, um die Abwärme (0.8-8 Watt) abzuführen. Die Hohe Chip-Temperatur dieses LED-Typs führt generell zu niedrigeren Lebensdauern, die mit maximal 50000 Stunden (entspricht ca. 5 Jahren) angegeben werden.

Wirkungsgrad von LEDs

Der Wirkungsgrad beträgt für die besten LED-Typen etwa 13% für rote LEDs, 2% für Grüne, 5.5% für Blaue ([NAKA1997]).

Unter Berücksichtigung der Zahlen für den Wirkungsgrad hocheffizienter Leuchtdioden kann man aus roten, grünen und blauen Leuchtdioden eine Beleuchtungseinrichtung aufbauen, deren Wirkungsgrad bei etwa 6-7% liegt. Damit ist er immerhin 3mal so hoch wie bei guten konventionellen Glühlampen.

Aktuelle Trends bei Leuchtdioden

Seit etwa 2003 erobern weiß leuchtende Leuchtdioden neueren Typs viele Anwendungsbereiche, zunächst dort, wo geringe Lichtmengen mit hoher Effizienz bereitgestellt werden: Bei Taschenlampen. Diese Leuchtdioden besitzen einen Chip für die Erzeugung blauen Lichts, welches über Fluoreszenzfarbstoffe in den roten und grünen Spektralbereich umgewandelt wird. Die richtige Kombination und Konzentration der Fluoreszenzfarbstoffe sorgt dann für ein Spektrum, welches bei modernen sogenannten warm-weißen Leuchtdioden dem Sonnenspektrum äußerst ähnlich ist. Die hohe Effizienz von Fluoreszenzfarbstoffen von nahe 100 Prozent sorgt für einen Wirkungsgrad dieser weißen Leuchtdioden von etwa 15 Prozent. Sie sind damit ähnlich effizient wie Leuchtstofflampen, besitzen allerdings den Vorteil, daß sie als punktförmige Lichtquellen fokussiert werden können: LED-Spot-Beleuchtungen sind möglich.

Seit etwa 2005 sind Hochleistungs-LED auf dem Markt, die eine Leistungsaufnahme von 1 ... 5 Watt haben -- gegenüber den bisher üblichen 0.07 Watt (= 70 Milliwatt). Bei ausreichender Kühlung über passive Kühlkörper sind auch hier Lebensdauern von ca. 10000 -- 50000 Stunden möglich. Diese LED entsprechen bezüglich der Lichtausbeute Glühlampen mit der 5-fachen Leistungsaufnahme.

Zukünftige Entwicklung von Leuchtdioden

Eine weitere Entwicklung, die seit etwa 2005 den Markt für kleine Displays erobert, sind die sogenannten OLEDs, Leuchtdioden mit organischem lichterzeugendem Material. Von OLEDs werden ähnliche Wirkungsgrade erwartet wie bei den konventionellen LEDs, allerdings lassen sie sich in einfachen Druck-Verfahren herstellen und eignen sich daher für die Herstellung von Bildschirmen, die viele Tausend Bildpunkte anzeigen können. Erste Fernsehgeräte mit dieser Technik kommen bereits jetzt schon (2007) auf den Markt. Im Gegensatz zu LCD-Displays lassen OLED-Displays 10--30fach höhere Wirkungsgrade erwarten. LCD-Displays benötigen permanent Strom für die Hintergrundbeleuchtung. Schwarz wird dargestellt, indem kleine LCD-Fenster vor roten, blauen und grünen Filterscheibchen auf "lichtundurchlässig" gestellt werden. OLED-Displays schalten für die Schwarz-Darstellung nur die entsprechenden LED-Pixel ab und benötigen für diese keinen Strom.

OLEDs sollen auch in wenigen Jahren für flächige Allgemeinbeleuchtung verfügbar sein. Da OLEDs auf flexible Materialien aufgetragen werden können, sind damit vollkommen neue Lampen-Geometrien möglich.

2008-12-12: Einbindung Fotos, Aufbauskizze
2008-10-22: Aktualisierung Zahlenwerte/Strukturierung
2007-12-07: Abschnitt Aktuelle Trends
2006-12-17: INIT


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