Wie funktioniert eine LED
Wie funktionieren LEDs?
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Was ist Elektrolumineszenz?
Elektrolumineszenz ist eine Form der Lumineszenz. Dabei entsteht optische Strahlung, wenn ein physikalisches System von einem angeregten Zustand in seinen Grundzustand zurückfällt. Bei der Elektrolumineszenz entsteht diese Anregung durch elektrischen Strom.
Oder einfach ausgedrückt:
Ein Feststoff wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes zur Emission von Licht angeregt.
Bei der Elektrolumineszenz wird Licht in einer von mehreren Schichten halbleitender Kristalle erzeugt.
Aufbau einer LED
Der Aufbau ist im Grunde recht simpel. Die LED besteht im Grunde aus vier wesentlichen Bauteilen: dem LED-Chip, der Reflektorwanne mit Kontakt zur Kathode, dem Bonddraht als Kontakt zur Anode und einer Kunststoff- bzw. Epoxidharzlinse.
Die zwei Drähte, Kathode und Anode, führen in die Kunststoff – bzw. Epoxidharzlinse. Darin sitzt der LED-Chip in einer kleinen Reflektorwanne auf der Kathode. Der Stromfluss zwischen Kathode und Anode wird durch den Bonddraht hergestellt.
Die Kunststofflinse hält alle Teile zusammen. Einerseits schützt sie die Bestandteile vor Feuchtigkeit und Korrosion, andererseits bündelt sie das austretende Licht.
Funktionsweise der LED
Der LED-Chip ist ein Halbleiterkristall und besteht aus zwei Schichten unterschiedlich dotiertem Halbleitermaterial. In der einen Halbleiterschicht besteht eine Überzahl an positiven Ladungsträgern, während in der anderen Schicht die negativen Ladungsträger in der Überzahl sind. Werden nun Anode und Kathode mit Spannung versorgt, entsteht ein Elektronenfluss zwischen den Halbleiterschichten. Im Endergebnis wird Energie freigesetzt, wodurch kleine Lichtblitze entstehen. Die LED sendet Photonen aus und wir nehmen diesen Vorgang als sichtbares Licht wahr.
Der LED-Chip hat nur eine Kantenlänge von etwa einem Millimeter und strahlt punktförmiges Licht aus. Die Reflektorwanne sorgt dafür, dass das Licht in die obere Hälfte der Leuchtdiode gelenkt wird. Durch die Kunststoff – bzw. Epoxidharzlinse wird die entsprechende Lichtverteilung im Raum gewährleistet.
Lichtfarben der LED
Das abgegebene Licht ist immer monochrom, also einfarbig. LEDs bestehen je nach Farbe aus unterschiedlichen Mischkristallen. Folgende Stoffe werden dafür häufig verwendet:
| Bezeichnung | Formel | Farbe |
|---|---|---|
|
Aluminium-Gallium-Arsenid |
AlGaAs |
Rot, Infrarot |
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Aluminium-Gallium-Phosphor |
AlGaP |
Grün
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Aluminium-Gallium-Indium-Phosphor |
AGalnP |
Orange-Rot, Orange, Gelb |
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Gallium-Phosphor |
GaP |
Rot, Gelb, Grün |
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Gallium-Arsenid-Phosphor |
GaAsP |
Rot, Orange-Rot, Orange, Gelb |
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Gallium-Nitrid |
GaN |
Grün, Dunkelgrün, Blau |
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Indium-Gallium-Nitrid |
InGaN |
Ultraviolett, Blau-Grün, Blau |
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Silikon-Carbid |
SiC |
als Substrat Blau |
Wie wird weißes Licht erzeugt?
Weißes Licht kann nicht direkt aus einem Kristall erzeugt werden.
Es entsteht durch die Lumineszenzkonversion mittels einer Beschichtung. Dabei wird eine blaue LED mit einer dünnen Phosphorschicht überzogen.
Die blauen Lichtwellen regen die Phosphorschicht zum Leuchten an, diese gibt wiederrum ein energieärmeres, gelbes Licht ab. Durch die Mischung von gelben und blauen Licht entsteht die Lichtfarbe Weiß.
Je nach der Stärke der Phosphorschicht entsteht Licht in einem mehr oder minder starken Gelbton. Durch die Kombination mit den blauen Lichtwellen lassen sich Beleuchtungen in warmweiß, neutralweiß und kaltweiß erzeugen. LEDs, die nach diesem Prinzip aufgebaut sind, nennt man auch pcLED (= Phosphor converted LED).
Alternativ kann weißes Licht auch durch eine additive Farbmischung entstehen. Dabei vereint man rote, grüne und blaue LEDs in einem gemeinsamen Gehäuse. Durch die Mischung der drei Lichtfarben entsteht weißes Licht, dessen Farbraum sehr fein einstellbar ist.
Die Erzeugung von weißem Licht durch LEDs mit verschiedenen Farben ist das teuerste Verfahren. Handelsübliche LEDs werden in der Regel mit einer Phosphorschicht versehen.
Wärmeentwicklung der LED
Die Sonne und die Glühbirne entwickeln ihre Hitzestrahlung durch infrarotes Licht. Glühbirnen erzeugen aus der eingespeisten Energie etwa 5% Licht, die restlichen 95% werden in Wärme umgewandelt. Die LED wandelt bis zu 50% der Energie in Licht um. Das ist immerhin noch zehn Mal mehr als bei herkömmlichen Glühlampen. Die meisten LEDs reproduzieren außerdem kein infrarotes Licht. Deswegen wird gern angenommen, dass LEDs nicht heiß werden.
Das ist ein weit verbreiteter Irrglaube.
Die LED ist ein Halbleiter. Wie jeder Halbleiter erzeugt sie Verlustwärme, die nicht von allein abgestrahlt wird. Die Verlustwärme sammelt sich im LED-Chip und muss über einen Kühlkörper angeführt werden. Die Kühlkörper sind meist fest mit der Lampe verbaut und leiten die Wärme nach hinten oder zur Seite ab. Kühlkörper bestehen in der Regel aus Aluminium, Keramik oder thermischen Kunststoffen.
Wie warm eine LED genau wird hängt von verschiedenen Faktoren ab. Besonders der Einbauort, die Effizienz und die Größe der LED sind ausschlaggebend. Ist die Betriebstemperatur der LED dauerhaft zu hoch, sinkt dadurch die Lebensdauer.
LED-Bauformen im Überblick
Die LED gibt es in den unterschiedlichsten Farben, Formen und Arten. An dieser Stelle soll vorab betont werden, dass jede Bauform ihre Daseinsberechtigung hat. Je nach Anwendungsgebiet und dem gewünschten Ergebnis können unterschiedliche Bauformen zum Einsatz kommen.
Bedrahtete LED
Bedrahtete oder auch radiale LEDs waren die ersten LED-Typen die auf den Markt kamen. Sie bestehen aus einem einfachen Kunststoffgehäuse und werden mit einer elektrischen Leistung von 0,1 – 0,5 Watt verwendet. Eingesetzt werden sie hauptsächlich im Bastel- und Modellbaubereich, da sie einen sehr geringen Lumenwert aufweisen.
SMD LED
Es handelt sich dabei um einzelne LED-Chips einer sehr kleinen Bauform mit lötfähigen Anschlussflächen. Die LED-Chips werden sehr dicht aneinander positioniert und maschinell bereits direkt an die Platine gelötet. Dadurch entsteht eine relativ große Gesamtleuchtfläche, die eine gleichförmige Wärmeableitung erreicht. Durch die enge Anordnung wird außerdem eine hohe Lichtausbeute erzielt.
SMD LEDs werden nach Zahlen kategorisiert, so steht zum Beispiel die SMD 3528 für ein Modul mit den Abmessungen 3,5 x 2,8 mm. Umso größer die Zahl ist, umso größer ist dementsprechend auch die Lichtausbeute.
Besonders bei der Herstellung sehr flacher und breitstrahlender LED-Leuchten kommt die SMD LED zum Einsatz. Die SMD LED ist die häufigste LED-Form in der Industriebeleuchtung.
COB LED
Dabei handelt es sich genau genommen um mehrere LED-Chips (zumeist mindestens 9). Sie werden bei der Herstellung mit Wärmeleitkleber direkt auf der Leiterplatte angebracht und mit Bonddrähten verbunden. Die COB LEDs bilden damit ein einziges Modul auf das die Kunststoff- bzw. Epoxidharzlinse aufgeklebt wird. Die Wölbung der Linse bestimmt dann, ob der Abstrahlwinkel breit- oder engstrahlend ist. Der Großteil der Wärme wird durch das COB Board aufgenommen und abgeführt.
Durch die dichte Bauweise der COB LED liegt ihr Vorteil in der besonders hohen Lichtausbeute. Sie erreichen auch auf kleinstem Raum eine sehr hohe Lichtintensität.
Typische Anwendungsgebiete sind hauptsächlich LED-Strahler, LED Shoplights, Pflanzenbeleuchtung und Retrofits.