LED Technologie - LED Know-How

LED-Technologie
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LED Technologie
Eine Leuchtdiode (kurz LED von englisch light-emitting diode, dt. Licht-emittierende
Diode, auch Lumineszenz-Diode) ist ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement,
dessen elektrische Eigenschaften einer Diode entsprechen. Fließt durch die Diode
elektrischer Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung oder auch
Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen
Wellenlänge ab.
Der Halbleiterkristall vieler Leuchtdioden ist auf den Boden einer kegelförmigen Vertiefung in einem Metallhalter gelötet. Die Innenseiten der Vertiefung wirken als Reflektor
für das aus den Seiten des Kristalls austretende Licht. Die Lötstelle bildet einen der
beiden elektrischen Anschlüsse des Kristalls. Gleichzeitig nimmt sie die Abwärme auf,
die entsteht, weil der Halbleiterkristall nur einen Teil der elektrischen Leistung in Licht
umsetzt. Der Halter mit dem Reflektor ist bei bedrahteten Leuchtdioden als Draht mit
rechteckigem Querschnitt ausgeführt, der als elektrischer Anschluss dient. Anders als
sonst bei Elektronikbauteilen üblich besteht der Anschlussdraht nicht aus verzinntem
Kupfer, sondern aus verzinntem Stahl. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist vergleichsweise gering. Dadurch wird der Halbleiterkristall beim Einlöten des Bauteils in eine
Leiterplatte nicht durch Überhitzung zerstört.
Die Oberseite des Kristalls ist nur durch einen dünnen Bonddraht elektrisch mit dem zweiten
Stahlanschlussdraht verbunden, damit der Anschluss nur sehr wenig der lichtemittierenden
Oberfläche verdeckt.
Die Kathode (−) ist durch eine Abflachung am Bund des Gehäusesockels markiert. Bei
fabrikneuen Leuchtdioden ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel:
Kathode = kurz = Kante). Bei den meisten Leuchtdioden ist der Reflektor die Kathode,
dann gilt auch die Merkregel, dass die technische Stromrichtung von dem Pfeil, den die
Anode (+) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird. In seltenen Fällen ist der Aufbau
umgekehrt.
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Hochleistungs-Leuchtdioden (H-LED) werden mit höheren Strömen als 20 Milliampere
betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in
speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die
Reflektorwanne oder in den Leuchtdiodenkörper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt
werden.
Eine weitere Möglichkeit ist das direkte Drahtbonden des Leuchtdioden-Chips auf der
Platine (COB, chip on board) und der spätere Verguss mit Silikonmassen. Diese Bauform findet bei LED-Displays mit sehr vielen Leuchtdioden Verwendung. Im Fachhandel
werden diese Leuchtmittel „COB-LED“ genannt.
Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (zwei oder drei) Dioden in einem
Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode oder Kathode und einen Anschluss
für jede Farbe. Bei einer Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei LeuchtdiodenChips antiparallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode.
Eine quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren.
Funktionsprinzip
Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode;
Leuchtdioden besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer
Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende
Dioden aus Silicium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt werden, ist das
Ausgangsmaterial für Leuchtdioden ein direkter Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter. Bei einem III-V-Verbindungshalbleiter handelt es
sich um eine Verbindung von Materialien der chemischen Hauptgruppe III (Erdmetalle/
Borgruppe) und V (Stickstoff-Phosphor-Gruppe), deren Kombination die elektrische
Leitfähigkeit von Halbleitern besitzt. III-V-Verbindungshalbleiter sind daher von großer
Bedeutung für technische Anwendungen in der Halbleitertechnik. Mit III-V-Verbindungshalbleitern lässt sich mit Laserdioden bzw. LEDs Licht mit sehr geringer Wellenlänge
(UV-Bereich) erzeugen (Anwendungen: weiße Leuchtdiode, BLU-RAY-Disk, HD-DVD).
Umgekehrt eignet sich das Material auch zur Herstellung von Solarzellen mit sehr
hohem Wirkungsgrad (über 40 %).
Wird an eine Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern
Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang. Nach Übergang zur p-dotierten
Seite geht das Elektron dann in das energetisch günstigere Valenzband über. Dieser
Übergang wird Rekombination genannt, denn er kann auch als Zusammentreffen von
einem Elektron im Leitungsband mit einem Defektelektron (Loch) interpretiert werden.
Die bei der Rekombination frei werdende Energie kann in einem direkten Halbleiter als
Licht (Photon) abgegeben werden.
Farben und Technologie
Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die
Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich und
die Effizienz lassen sich so beeinflussen:
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•
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Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot (665 nm) und infrarot bis 1000 nm
Wellenlänge
Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid
(AlInGaP) – rot, orange und gelb
Galliumphosphid (GaP) – grün
Siliziumkarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife
erreichte
Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – Ultraviolett, Violett, blau und
grün
Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer davor befindlichen Lumineszenzschicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED)
Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt.
Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten
Halbleitermaterials ab. Die Farbe entspricht direkt einer bestimmten Wellenlänge λ bzw.
dem Kehrwert der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung.
Spektrale Charakteristik
Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Wärmestrahler. Sie emittieren Licht in
einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb
sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den
größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von Leuchtdioden für allgemeine Beleuchtungszwecke werden meist blaue Leuchtdioden mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen
schmalbandigeren blauen Lichtanteil. (Siehe auch Abschnitt LED-Leuchtmittel).
Lange Zeit konnten Leuchtdioden nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner Leuchtdioden war für Verkehrsampeln wegen der
fehlenden Technologie für die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr
1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück. Die Massenproduktion blaugrüner
und danach blauer Leuchtdioden begann im Jahr 1993.
Elektrische Eigenschaften
Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie, die
unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung (Spannung über die Diode, bei z. B. 1/20
des Maximalstroms) stellt sich durch Betrieb unter Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuungen und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei
allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig angenähert in Form eines Vorwiderstandes) ist daher wichtig für eine definierte Leuchtstärke.
Ein direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist sehr riskant, da der Arbeitspunkt über
die Spannung für den gewünschten Strom wegen der Exemplarstreuung und der Temperaturabhängigkeit nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterie-
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leuchten betreiben Leuchtdioden direkt an Primärzellen – hier verlässt man sich auf
einen ausreichend hohen Innenwiderstand der beigelegten Batterien und toleriert die
Exemplarstreuung.
ng. (Siehe auch Abschnitt Betrieb, Anschluss und Entsorgung).
Entsorgung
Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute durch Optimierungen des HalbleiterHalbleiter
materials und der Geometrie von Halbleiterkristall und Gehäuse erhöht. Das ermöglichermöglich
te es ab etwa den 1990er Jahren, LEDs mit sehr kleinem Strom zu betreiben (Low(
current-LEDs)
LEDs) und dennoch eine sinnvolle Helligkeit zu erzielen. Die maximal zulässige
Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMDLEDs oder Low-current-LED
LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs)
LEDs) bis über 18 A (Stand Juni
2008) bei Hochleistungs-LEDs.
LEDs. Die Flussspannung Uf (für englisch forward voltage)
voltage
hängt vom Halbleitermaterial ab, das wiederum die Lichtfarbe bestimmt. Anhaltspunkte
für den Spannungsabfall sind:
•
•
•
•
Infrarot-LED:
LED: typ. 1,3 V (1,2 - 1,8)
Rot: 1,6 - 2,2 V
Gelb, Grün: 1,9 - 2.5 V
Blau, UV, Weiß: typ. 3.4 V (3 - 4 V).
Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel nur 5 Volt.
Volt
Optische Eigenschaften
Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkapselt. Bei lichtstarken LEDs kommen
auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium,
dienen der Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und
liegt über dem Kristall. Er setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt
die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren, bestimmbaren Raumwinkel. Da
Glas in der Regel einen höheren Brechungsindex als Kunststoff und Kunstharz besitzt,
kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt
werden. Das nicht entspiegelte Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa
10 %, auch weil es den Kristall nicht direkt
di
berührt.
Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel.
Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe
nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel um die Strahlungsquelle im
Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen
Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind mehrere Leuchtdioden notnot
wendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende von
der Kugelkalotte abgeleitete Gleichung,
Gleich
genutzt werden.
bezeichnet den Öffnungswinkel der LED.
Beispiel: Um eine starke 360°-Lampe
Lampe mit Leuchtdioden (Parameter: 55° ÖffnungsÖffnungs
winkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm ≈ 50 lm/W (Lumen pro Watt)) zu realisieren, sind 18 Leuchtdioden
euchtdioden notwendig (eine LED mit 55° Öffnungswinkel beleuchtet
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ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2.880 lm,
der eine Leistungsaufnahme von 54 W besitzt. Dieser Lichtstrom ist vergleichbar mit
dem einer 300-Watt-Glühlampe.
Alterung
Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die
Lichtausbeute im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist (L70B50-Wert);
einige Internet-Quellen sprechen auch vom Ende der Lebensdauer bei 50 % der anfänglichen Helligkeit.
Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich
aus. Die Alterung ist annähernd linear. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial, den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) und der individuell tolerierbaren Farbtemperaturveränderung der Fluoreszenzfarbstoffe ab (weiße LEDs werden
blaustichiger). Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die
Lebensdauer der LEDs drastisch. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen
hundert Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu über 100.000 Stunden (11,4 Jahre) bei
mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um
eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen
ihre Lebensdauer bei 15.000 bis 30.000 Stunden liegt. Gute Hersteller von LEDLeuchten erreichen jedoch durch eine optimale Auslegung ihrer Systeme deutlich
bessere Werte und garantieren bis zu 100.000 Stunden wartungsfreien Betrieb. Das
wird erreicht durch eine kostenaufwendige Selektion der Bauteile aller Komponenten
(sowohl der LEDs als auch der Bauelemente des Treibers). Auch im Handel erhältliche
LED-Leuchtmittel in Glühlampenform werden mit über 25.000 Stunden bis hin zu
45.000 Stunden Lebenszeit angegeben. Durch zu hohe thermische Belastungen, die
durch die Bauform bedingt sind, erreichen sie diese Lebensdauer meist nur mit erheblichen Helligkeitsminderungen. Alternativen sind konsequent als LED-Leuchte
entwickelte Komplettsysteme.
Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall
durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der
Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen
und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit
hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus
Silikongummi gefertigt, wodurch eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erzielt wird.
Die Lösung ist eine thermisch optimierte Bauweise, welche oft nicht beachtet wird. Das
führt zu Totalausfällen.
Diese Fehlfunktionen werden unter dem englischsprachigen Begriff Mortality (B) oder
Totalausfall beschrieben. Steht im Datenblatt einer LED z. B. B50 bei 100.000 Std.,
bedeutet das, dass 50 % aller Testlampen nach 100.000 Std. durch Defekt ausgefallen
sind. Manchmal wird auch der B10-Wert angegeben, d. h. die Zeitdauer, nach der 10 %
der Testlampen nicht mehr funktionieren.
Die häufigsten Ursachen für Totalausfälle von LED-Leuchten sind jedoch im verwendeten Netzteil zu finden. Hier sind die verwendeten Kondensatoren zur Glättung der gere-
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gelten Kleinspannung das Problem, da diese thermisch empfindlich sind und mit zunehmender Temperatur exponentiell schneller altern. Oft sind sie auch aus Preisgründen
von minderer Qualität. Das führt zum Ausfall der Stromversorgung, der nicht der LED
angelastet werden kann.
Eine weitere Ursache kann eine Fehlfunktion auf Grund der Alterungsvorgänge in den
verwendeten Materialien sein, zum Beispiel Ermüdungserscheinungen der Klebe- oder
Bodenverbindungen.
Schaltzyklen
Bei den meisten Marken-Leuchtmitteln wird heute die Lebensdauer in Stunden (zu erwartende Einschaltzeit über die Lebensdauer) auf der Verpackung angegeben. Glühlampen haben eine Lebensdauer von ca. 1.000 Stunden, Halogenleuchtmittel von
ca. 2.000 Stunden, Energiesparleuchtmittel (ESL) von ca. 3.000 bis 12.000 Stunden.
Werden ESL-Leuchtmittel jedoch häufiger als 3-mal pro Tag ein- und ausgeschaltet, wie
es bei Fluren oder Treppenhäusern mit Bewegungsmeldern und Zeitschaltuhren der
Fall ist, wird die auf der Leuchtmittelverpackung angegebene Lebensdauer in Einschaltstunden häufig nicht annähernd erreicht, weil normale Energiesparleuchtmittel ohne
Angabe der Schaltzyklen auf der Verpackung nur für ca. 3000 Schaltzyklen gebaut sind.
Das die Lebensdauer limitierende Kriterium ist bei häufigen Ein- und Ausschaltungen
die Schaltfestigkeit, welche bei Qualitätsleuchtmitteln in Schaltzyklen auf der Verpackung angegeben wird. Bei sehr guten Energiesparleuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit vom Hersteller mit 10.000 bis 20.000 Schaltzyklen angegeben. Lediglich bei einer
einzigen, etwas teureren Energiesparleuchtmittel-Serie (Megaman Ingenium) gibt der
Hersteller Megaman eine Schaltfestigkeit von 600.000 Schaltzyklen an. Diese ESL
erreichen bzw. überbieten damit als einziges ESL-Produkt die Schaltfestigkeit von LEDLeuchtmitteln. Diese hochschaltfesten ESL benötigen jedoch im Unterschied zu den
spontan hell werdenden LED-Leuchtmitteln ab dem Einschalten ca. 15 Sekunden bis
zum Erreichen von 60 % des dauerhaft abgegebenen Lichtstroms. Dabei ist ein Schaltzyklus ein manuelles Ein- und Ausschalten des Netzstromes. Unabhängig davon kann
die LED zudem noch gepulst sein, wobei die Pulse von der Elektronik selbst erzeugt
werden. Diese Pulse zählen nicht zu den die Lebensdauer begrenzenden Schaltzyklen,
welche bei guten LED-Leuchtmitteln seit 2012 meist mit der Produktspezifikation angegeben werden, sondern zur normalen Betriebsdauer, welche in Stunden angegeben
wird.
Eine LED ist deutlich unempfindlicher gegenüber Schaltvorgängen als Glühlampen oder
Energiesparleuchtmittel. Eine Dimmung wird beispielsweise in der Regel durch sehr
schnelle Schaltvorgänge erzeugt. Der begrenzende Faktor der Schaltzyklen von LEDLeuchtmitteln ist nicht der LED-Chip selbst, sondern die Vorschaltelektronik, wozu das
eingebaute Netzteil oder die Steuerelektronik gehören. All diese Bauteile sind weitaus
empfindlicher gegenüber Schaltungen und z. B. den damit verbundenen thermischen
Wechselbelastungen als die LED selbst, die viele Millionen Schaltprozesse problemlos
übersteht. LED-Leuchtmittel sind aber auch inklusive Vorschaltelektronik meist deutlich
schaltfester als normale Energiesparlampen. Die Herstellerangaben für Qualitäts-LEDLeuchtmittel liegen meist im Bereich von 50.000 bis 1 Million Schaltzyklen. Bei billigeren
LED-Leuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit häufig (Stand 2013) noch nicht auf der Ver-
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packung angegeben. In diesen Fällen muss man von einer Schaltfestigkeit in der
Größenordnung von 20.000 Schaltzyklen ausgehen.
Dass LED-Leuchtmittel eine deutlich höhere Schaltfestigkeit als Energiesparleuchtmittel
haben, ist auch - neben der höheren Lebensdauer in Einschaltstunden und der höheren
Lichteffizienz bzw. Lichtausbeute in Lumen pro Watt - mit ausschlaggebend dafür, dass
seit 2011 bei langer Einschaltzeit und vielen Ein- und Ausschaltungen LED-Leuchtmittel
in den meisten Fällen, trotz höherer Anschaffungskosten, insgesamt wirtschaftlicher als
ESL oder Glühlampen sind.
Weiße LED
Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur
additiven Farbmischung zum Einsatz:
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•
Verschiedene Chips (selten verwendet): Blaue Leuchtdioden werden mit gelben oder mit
roten und grünen so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Aus praktischen Gründen werden zumindest die LED-Chips in einem Bauteil
integriert.
Lumineszenz: Eine blaue oder UV-LED wird mit photolumineszierendem Material (Lumineszenzfarbstoff, Leuchtstoff) kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren kann so
kurzwelliges, höherenergetisches Licht (blaues Licht und Ultraviolettstrahlung) in langwelligeres Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren.
Seltener wird eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und
blau) kombiniert, was eine gute Farbwiedergabe bis über Ra = 90 erlaubt. Die Verwendung mehrerer Farbstoffe verteuert allerdings den Herstellungsprozess und reduziert die
Lichtausbeute.
Für Beleuchtungszwecke wird deshalb fast immer eine blaue LED mit nur einem gelben
Leuchtstoff kombiniert, meist Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver. Da blaue
LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen weniger als die Hälfte), ist
das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen, aber mit dem
Nachteil eines Blaustichs des weißen Lichts. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am
kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Lumineszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.
•
Verschiedene Chips in Kombination mit Lumineszenz: Hersteller höherwertiger LEDs für
Raumbeleuchtung verwenden mittlerweile weiße Lumineszenz-LEDs in Kombination mit
roten Power-LEDs, um einen besseren Farbraum bis hin zum Rot zu erreichen. Teilweise werden blaue und rote LEDs unter einer lumineszierenden Kappe des einschraubbaren Leuchtkörpers montiert.
Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid epitaktisch,
meist mittels MOVPE, auf einen Träger (Substrat) aus Saphir aufgebracht. So entsteht
die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. Die lichtemittierende Schicht besteht in
der Regel aus InGaN, deren blaues Licht vom Leuchtstoff teilweise in längerwelliges
Licht umgewandelt wird. In einem neuen Verfahren,[8] dessen wesentliche Grundlagen
im Jahr 2000 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt wurden, wird
das teure Saphirsubstrat durch Silicium ersetzt.[Firma 9] Auf das Silicium wird dann nach
einer ersten AlN-Schicht das Galliumnitrid aufgewachsen. Effizient sind solche LEDs
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jedoch nur, wenn das lichtabsorbierende Siliciumsubstrat entfernt und durch eine hochreflektierende Schicht, meist auf Silberbasis, ersetzt wird, wie es für HochleistungsLEDs auf Saphirsubstraten inzwischen der Fall ist. Durch dieses Verfahren können die
wesentlich günstigeren und großflächigen Siliciumscheiben zur LED-Herstellung
verwendet werden und der Ablöseprozess vom Substrat wird stark vereinfacht.
Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man
anhand der Grafik unten links in der rechten Hälfte deutlich sehen kann, erzeugt die im
Mittel gelblich leuchtende Lumineszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu
einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt
und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LEDs hinterleuchtet sind, zu
einer schlechten Rotwiedergabe führt.
RGB-LEDs hingegen (in der zweiten Grafik von links wiedergegeben) erzeugen drei
relative schmale Peaks im Spektrum, was für Licht in drei engen Frequenzbändern
steht. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im Allgemeinen besser, was sich vor allem bei der Hinterleuchtung von
Farb-LCDs in brillanten Farben bemerkbar macht – die Durchlasswellenlängen der
Farbfilter der einzelnen einfarbigen Pixel des LCDs können an die Emissionsmaxima
der Leuchtstoffe angepasst werden. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen
allerdings besonders am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe.
Weiße LEDs werden wie Leuchtstofflampen auch für unterschiedliche Arten (Farbtemperaturen) weißen Lichtes gefertigt. Übliche Kategorien sind das „kaltweiße“, tageslichtähnliche Licht (Farbtemperatur 5500–6000 K) und das „warmweiße“ Licht, ähnlich
dem der Glühlampen (2700–3000 K).
Pastelltöne
Aufgrund der möglichen Verwendung in der Unterhaltungselektronik, speziell für die
Tastaturbeleuchtung von Mobiltelefonen und anderen Trendprodukten, geht man inzwischen auch dazu über, insbesondere SMD-LEDs in Pastelltönen zu produzieren.
Dazu wird im Wesentlichen wie bei weißen LEDs vorgegangen, nur dass die Lumineszenzschicht, die über den blau leuchtenden LED-Chip gelegt wird, nicht gelblich, sondern rötlich ist, wodurch dann Rosa („pink“) erzeugt wird. Um ein Pastellblau zu erzeugen, muss man nur die gelbliche Schicht etwas dünner machen als bei weißen LEDs,
so dass ein höherer Blauanteil durchdringt. Da auch grüne LEDs mittlerweile zu den
sehr wirtschaftlichen gehören, ist das gleiche auch mit grünen Chips möglich. Da nur
Licht hoher Frequenz einen fluoreszierenden Stoff niedrigerer Frequenz zum Leuchten
anregen kann, das folgt aus der Stokesverschiebung, ist es nicht möglich, mit einer
roten LED einen blau fluoreszierenden Stoff anzuregen, umgekehrt aber schon.
Deswegen können für pastellfarbene LEDs praktisch nur Chips in den „Farben“ UV und
Blau verwendet werden.
Klasseneinteilung
In vielen Einsatzbereichen werden durch Normen genau definierte Lichtfarben vorgegeben. Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LEDs eines Types und Her-
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stellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LEDLED
Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden
fein abgestufte
ufte Klassen wird als binning (deutsch Klasseneinteilung)) bezeichnet. Bei
weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den sogenannten „Flux bin“, die Schwellenspannung, die Lichtausbeute
chtausbeute sowie den Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeausge
prägte Farbstich liegt. Bezüglich der Farblage wird nicht nur unterschieden, in welchem
Bereich der Farbmischung (tendenziell mehr rot oder grün oder blau) sie liegt, sondern
welche Farbtemperatur das Licht der LED bei Nennstrom aufweist. Auch farbige LEDs
werden mit selektierten spektralen Toleranzen angeboten. Informationen darüber, welwel
chem „Bin“ (Selektionsgrad) welche
welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den
Datenblättern der Hersteller entnehmen.
Stand der Technik
Lichtausbeute
Theoretische maximale Lichtausbeute für monochrome Lichtwandler.
Die effizientesten weißen LEDs erreichten Februar 2013 eine Lichtausbeute von
276 lm/W, bereits im September 2010 waren es 250 lm/W. Das ist nicht weit entfernt
vom theoretischen Maximum (100 % Strahlungsleistung) bei 6600 K (relativ kalt wirwir
kend),
), das physikalisch nicht größer als ca. 350 lm/W sein kann. Die Ausbeute ist stark
von der Lichtfarbe abhängig, bei warmweißen LED liegt sie deutlich unter der von kaltkalt
weißen.
Da durch die Messung in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen
Auges
ges berücksichtigt werden (vgl. Hellempfindlichkeitskurve),
), erreichen LEDs in den
Farben Grün bis Gelb besonders hohe Werte, während beispielsweise blaue LEDs
LE
deutlich schlechter abschneiden. Im rein physikalischen Wirkungsgrad, also der UmUm
wandlung elektrischer Energie in Licht, sind blaue LEDs in der Regel besser. PhysikaPhysika
lische Wirkungsgrade sind derzeit bis über 30 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche
weiße LED, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und gegebenenfalls Optik.
In einer länderübergreifenden Studie gelang es Forschern aus Belgien, Frankreich und
Kanada, die Lichtausbeute einer herkömmlichen Galliumnitrid-LED
Galliumnitrid LED um bis zu 55 % zu
steigern, indem sie diese mit einer besonderen Außenbeschichtung bestückten, welche
in ihrer Beschaffenheit der äußeren Hülle der Leuchtorgane von Leuchtkäfern nachempfunden ist.
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Kommerziell erhältliche
ältliche weiße LEDs haben derzeit (Stand Januar 2014) eine LichtausLicht
beute von meist 50–150 lm/W. LEDs mit wesentlich höheren Werten bei Nennleistung
sind nur mit Farbtemperaturen oberhalb von 3500 K und/oder Farbwiedergabeindex
unterhalb von Ra = 85 verfügbar. Dieser Bereich bezieht sich zunächst auf die LED
allein. Wird sie in ein Leuchtmittel oder eine Lampe eingebaut, müssen zusätzliche
Verluste durch das notwendige Vorschaltgerät (70 bis 95 % Wirkungsgrad)
Wirkungsgrad und evtl.
durch die Optik berücksichtigt werden. Aktuelle Markenleuchtmittel
Markenleuchtmittel erreichen (Stand
Januar 2014) unter Berücksichtigung dieser Faktoren meist zwischen 40 lm/W und
100 lm/W. Sie sind damit etwa 33 bis 10-mal
mal effizienter als herkömmliche Glühlampen
(ca. 10–14 lm/W), etwa 2- bis 6-mal
6
effizienter als Halogenlampen (ca. 15 bis 20 lm/W)
und ähnlich effizient wie Leuchtstoffröhren (ca. 70–90
70
lm/W).
Anders als bei Glühlampen
en erhöht sich die Effizienz von LEDs bei Betrieb mit einer
niedrigeren als der Nennleistung. Bei halbem Nennstrom (und damit knapp halber
Nennleistung) erreichen die meisten LEDs eine 10 % bis 30 % höhere Lichtausbeute.
Leistung pro LED
Ein weiterer Parameter ist die Leistung pro Einheit: je höher die Leistung einer einzeleinzel
nen LED wird, desto schlechter ist ihr Wirkungsgrad. Das resultiert sowohl aus QuanQuan
teneffekten
effekten als auch aus einer
ein höheren Temperatur des LED-Chips.
Chips. Aus diesem Grund
werden in vielen Anwendungen die LEDs nicht bei der vom Hersteller angegebenen
Nennleistung, sondern darunter betrieben. Dadurch erhöht sich die Energieeffizienz und
durch die reduzierte Temperatur verlängert
verlängert sich die Lebensdauer der LED, gleichzeitig
vereinfacht die geringere Abwärme die Kühlung und damit die Konstruktion der LeuchLeuch
te. Allerdings kann es dadurch notwendig werden, mehr LEDs einzusetzen, um die gege
wünschte Lichtmenge zu erreichen, wodurch gegebenenfalls
gegebenenfalls eine aufwändigere Optik
notwendig wird.
Massenfertigung
Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So
wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster
LED Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im LaLa
bor hergestellt und bald
d darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten
„Fluxbinning“ werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme
selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten. Selbstverständlich wirbt
ein Hersteller mit seiner
er höchsten Klasse. Wie klein der Anteil der besten Klasse an der
Gesamtproduktion ist, erfährt man indirekt über den Preis und die Lieferbarkeit.
Betrieb, Anschluss und Entsorgung
Schaltzeichen einer Leuchtdiode
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Die Helligkeit einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Bei konstanter HalbleiterHalbleiter
temperatur ist die Zunahme annähernd proportional. Der Wirkungsgrad sinkt in der
Regel mit steigender Temperatur, deshalb sinkt die Lichtausbeute
Lichtausbeute an der LeistungsLeistungs
grenze je nach Art der Kühlung ab. Die LED altert beschleunigt bis hin zum SpontanSpontan
ausfall, wenn die Temperatur des Halbleiters zirka 150 °C für längere Zeit übersteigt.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie
Kennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte
Spannung reagiert. Bei einem ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der
Spannung zu. Eine Leuchtdiode besitzt, typisch für Halbleiterdioden,
Halbleiterdioden eine exponentielle
Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen
verursachen große StromänderunStromände
gen.
Kennlinie einer weißen LED (schematisch).
Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie
Strom Spannungskennlinie einer Leuchtdiode schematisch
wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße Hochleistungsleuchtdiode mit einem
Nennstrom von 350 mA. Diesen Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen,
ohne dass eine Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest
man eine Flussspannung bei Nennstrom von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer LeisLeis
tungsaufnahme von etwa 1 W.
Eine LED kann nicht effizient unmittelbar an eine Spannungsquelle wie eine Batterie
angeschlossen werden:
Eine weiße LED bleibt zum Beispiel beim Anlegen einer Spannung von 2,4 V (zwei
NiMh-Akkus à 1,2 V) dunkel. Bei 3 V (zwei Alkali-Mangan-Primärzellen
Primärzellen handelsübliche
nichtaufladbare „Batterien“) erreicht sie gerade
ge
30 % der Nennleistung. Drei AkkuAkku
Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %,
ohne aktive Kühlung fällt die LED nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im Diagramm
markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch
durch Exemplarstreuungen der
Halbleitereigenschaften beziehungsweise Temperaturerhöhung (mit steigender TemTem
peratur nehmen Bandabstand und Durchlassspannung ab). Daher kann der Strom auch
bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem
Grund betreibt man LEDs ausschließlich mit Maßnahmen zur Strombegrenzung.
Kurzzeitig (µs bis ms) können LED mit Strömen des Mehrfachen des Dauer-NennstroDauer
mes betrieben werden. Vor allem Infrarot-LED
Infrarot LED sind dafür spezifiziert. Eine typische AnAn
wendung
g dieser Toleranz sind Infrarot-Fernbedienungen,
Infrarot
, bei denen LEDs mit etwa
LED-Technologie
12 | 12
40 kHz gepulst betrieben werden. Die Modulation der Licht- bzw. Strahlungsleistung ist
je nach LED-Typ bis zu mehreren 100 kHz bis einigen 10 MHz möglich.
Entsorgung und Recycling
Defekte oder ausgediente LED-Leuchtmittel müssen in der Schweiz aufgrund der
VREG im Lampenrecycling entsorgt werden. Bei LEDs mit Galliumarsenid als Halbleiter
ist dieser giftig und umweltgefährlich, außerdem enthält das eingebaute Vorschaltgerät
des Leuchtmittels weitere elektronische Bauteile. Die Schadstoffmenge in den Leuchtmitteln ist aber – wie bei den Kompaktleuchtstofflampen auch – im Vergleich zur Schadstoffbelastung durch die Produktion gering. Das prinzipiell mögliche Recycling von Galliumarsenid aus LEDs (Urban Mining) ist 2012 noch nicht rentabel. Galliumarsenid wird
auch nur für LEDs mit Wellenlängen über 570 nm eingesetzt. Weiße LEDs enthalten
kein giftiges Galliumarsenid!
Anwendungsgebiete der LED
Die Anwendungsgebiete ergeben sich aus den Lichttechnischen Eigenschaften der LED
als monochromatischer Strahler (einzelne Farben) oder als spektraler Strahler (weisses
Licht). Während das weisse Licht fast ausschliesslich für Beleuchtungszwecke eingesetzt wird, kann farbiges Licht zur Signalisation oder Anzeige und auch als additive Mischung für Effekte oder Bildanzeigen eingesetzt werden. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungsbereichen wie z.B.:
Hotel- und Gastgewebe, Privathaushalt, Verkaufsgeschäfte, Industrielle- und Öffentliche
Gebäude, Strassen und öffentliche Räume, Sportstätten, Fahrzeuge jeglicher Art.