LED – Leuchtdioden
Funktionsweise einer LED
- Die Kurzbezeichnung LED ist die Abkürzung für “Light Emitting Diode”, was auf Deutsch “Licht emittierende Diode” bedeutet.
Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um.
Sie funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung Licht erzeugen. Die Leuchtdiode schaltet sehr schnell vom leuchtenden in den nichtleuchtenden Zustand. - Bereits 1908 entdeckte Henry Joseph Round den Effekt der Elektrolumineszenz. Der Wissenschaftler fand heraus, dass anorganische Stoffe fähig sind zu leuchten, wenn man ihnen elektrische Spannung oder Impulse gibt. Bis zum ersten industriellen Einsatz einer roten Leuchtdiode dauerte es jedoch noch bis zum Jahre 1962. In den 1970er Jahren gibt es bereits zahlreiche Einsatzbereiche für LED’s, zum Beispiel für Ziffernanzeigen in Taschenrechnern und Uhren. Allerdings beschränkten sich die Portfolios der LED-Hersteller auf die Farben rot, grün, orange und gelb.
Aufbau einer LED
- Bei einer Leuchtdiode, kommen im Gegensatz zu Temperaturstrahlern (Glühlampe) und Gasentladungslampen (z. B. Leuchtstofflampe), Halbleiterkristalle zur Lichterzeugung zum Einsatz. Man spricht in dem Zusammenhang auch von einer Elektrolumineszenz, da ein Feststoff durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zum Leuchten angeregt wird.
Um dies zu ermöglichen, werden Halbleiterkristalle wie Galliumnitrid (GaN) oder Indiumphosphid (InP) leitfähiger gemacht, indem sie mit verschiedenen Stoffen „verunreinigt“ oder „dotiert“ werden. So wird eine Schicht des Kristallgitters durch Einlagerung eines Fremdstoffes mit einem Elektronenüberschuss versehen (n-Dotierung) und die andere mit einem Elektronendefizit ausgestattet (p-Dotierung). Die Elektronendefizite bezeichnet man auch als „Löcher“.Wie jede andere Diode ist auch die LED polungsabhängig. Die eine Anschlussseite ist die Anode, die andere Seite die Kathode. Legt man nun eine Spannung korrekt gepolt an, bewegen sich Löcher und Elektronen aufeinander zu und es kommt zu einer Rekombination im Übergang der beiden Halbleiterschichten. Diese Übergangsschicht wird auch Sperrschicht (im Englischen: junction) oder p-n-Übergang genannt.
Bei der Rekombination wird unmittelbar elektromagnetische Strahlung in Form von sichtbarem Licht frei.
Da aber nicht alle Elektron-Lochpaare am p-n-Übergang rekombinieren, entsteht auch Wärme. Diese wiederum erhöht die Eigenleitung der p- und n-Schicht und verstärkt den Effekt der ungewollten Rekombination jenseits der p-n-Schicht. Diese Wärme muss durch Wärmeleitung abgeführt werden (> Thermomanagement).
Um die Wärme möglichst gut von der LED ableiten zu können, sind Kühlkörper mit einer großen Oberfläche erforderlich. Man spricht hier von einer passiven Kühlung. - Ein weiterer Vorteil von LED’s ist die hohe Schaltfestigkeit. Häufiges Ein- und Ausschalten verkürzt nicht die Lebensdauer. LED’s liefern direkt nach dem Einschalten den vollen Lichtstrom und haben keine „Anlaufphasen“. Außerdem ermöglicht die LED eine sehr präzise Lichtverteilung, da der Leuchtenhersteller die einzelnen Module gezielt in seiner Leuchte ausrichten und mit unterschiedlichen Linsen zur Lichtlenkung versehen kann.
LED’s haben eine extrem lange Lebensdauer
- Die Lebensdauer von LEDs hängt maßgeblich von der Temperatur am p-n-Übergang im Innern der LED ab. Bleibt diese aufgrund geringer Leistungsdichte oder eines an gemessenen Thermomanagements niedrig, dann kann die Lebensdauer extrem lang sein, z.B. 100.000 h
- Die sehr geringen Baugrößen von LED’s ermöglichen Einsatzorte im Bereich der Beleuchtung, die vorher undenkbar waren. Dies ist gerade bei dekorativen Anwendungen ein Vorteil. LED’s lassen sich sehr einfach in Möbeln, Nischen, Armaturen, Handläufen usw. einbauen. Sie können sich – auf flexiblen Bändern angeordnet – der Architektur nach Belieben anpassen. Der Einsatz ist daher nahezu unbeschränkt.
- Gerade die Verbindung von Dekoration und Nützlichkeit machen den Einsatz in Küche und Bad besonders interessant. Da unsere LED Leuchten in der Helligkeit dimmbar und zugleich in der Farbtemperatur verstellbar sind, kann aus einem kühleren Arbeitslicht abends eine warme, wohlige Wohnraumleuchte werden.