Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, englisch light-emitting diode, deutsch lichtemittierende Diode, LED) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung (als Infrarotleuchtdiode) oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab.

Eine LED in durchsichtigem Kunststoffgehäuse

Schaltzeichen einer Leuchtdiode

Innenaufbau einer 5-mm-LED

Aufbau

Innerer Reflektor einer LED

LED in SMD-Bauweise

Der Halbleiterkristall vieler LEDs 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 er 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 LEDs als rechteckiger Draht ausgeführt, der als elektrischer Anschluss dient. Anders als sonst bei Elektronik Bauteilen 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 überhitzt.

Ein dünner Bonddraht stellt den zweiten elektrischen Anschluss des Halbleiterkristalls her. Er verbindet einen weiteren Stahldraht mit der Oberseite des Kristalls. Auf diese Weise wird möglichst wenig Licht vom Anschluss absorbiert. Die Kathode (–) ist durch eine Abflachung rechts am Gehäusesockel markiert. Bei fabrikneuen LEDs ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel: Kathode = kurz = Kante). Bei den meisten LEDs 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.

Hochleistungs-LEDs (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 LED-Körper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden.

Eine weitere Möglichkeit ist das direkte „Bonden“ des LED-Chips auf der Platine (chip on board) und der spätere Verguss mit Silikonmassen. Diese Bauform findet bei Displays mit sehr vielen LEDs Verwendung.

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 LED-Chips 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 LED entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode, LEDs besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt sind, ist das Ausgangsmaterial für LEDs ein sogenannter III-V-Halbleiter, meist eine Galliumverbindung.

Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten auf die p-dotierte Seite. Bei diesem Übergang kann Licht ausgesendet werden.

III-V-Halbleiter zeichnen sich dabei durch einen direkten Bandübergang aus, das bedeutet, dass die Elektronen auf direktem Wege vom Leitungsband in das Valenzband wechseln können und somit Energie für die Lichterzeugung frei wird.

Im Einzelnen passiert das wie folgt: Die Elektronen wandern zunächst zur Rekombinationsschicht am p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln. Sie rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern. Ein weiterer Ursprung von Photonen besteht in einer plasmonisch-polaronischen Wechselwirkung, die durch einen spinfreien Übergang direkt zur Emission eines Auger-Photoelektrons führt. Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.

Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfolgt der Wechsel der Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband hingegen indirekt, der Impuls der Elektronen wird durch das Kristallgitter aufgenommen und verursacht eine Gitterschwingung (Phononenanregung). Dadurch steht keine Energie für die Aussendung von Licht zur Verfügung. Deshalb leuchtet z.B. eine normale Gleichrichterdiode nicht.

Bandstrukturen zweier Halbleiter
links: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid)
rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium)

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt also das Verhalten der Energieübertragung. Im Unterschied zum sehr vereinfachten Bändermodell ist in der Grafik rechts horizontal der Wellenvektor $\vec k$ aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate. Rechts ist kein direkter Strahlungsübergang vom oberen Leitungsband auf das untere Valenzband möglich, da sich nicht nur die Energie, sondern auch der Impuls $\vec k$ verändert, im Gegensatz zum linken Beispiel (siehe auch Bandlücke).

$\lambda(W_\mathrm{D}) = \frac{h \cdot c}{W_\mathrm{D}} \,\qquad \mathrm{mit}\quad W_\mathrm{D} = E''-E'$

als Zahlenwertgleichung:

$\lambda(W_\mathrm{D}) = \frac{1240\,\mathrm{nm\,eV}}{W_\mathrm{D}}$

λ(W_D): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn W_D in eV eingesetzt wird.)

h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10⁻³⁴ Js = 4,13567 · 10⁻¹⁵ eVs

c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 10⁸ ms⁻¹

W_D: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in eV), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.

Die Größe der Energielücke E'' − E' bestimmt die Farbe des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, entsprechend infrarotem Licht. Die Zugabe Phosphors vergrößert ihn, dadurch wird auch das ausgesandte Licht energiereicher, die Wellenlänge nimmt ab, die Farbe geht von Infrarot zu Rot und Gelb über.

Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 % der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast 2 eV, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt.

Eigenschaften

Spektrum einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode.

RGB-SMD-LED

Spektrale Charakteristik

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine thermischen Strahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. 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 LEDs für allgemeine Beleuchtungszwecke (siehe den Abschnitt LED-Leuchtmittel) werden meist blaue LEDs mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.

Lange Zeit konnten LEDs nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner LEDs 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.^[1] Die Massenproduktion blaugrüner und in Folge blauer LEDs begann im Jahr 1993.

Elektrische Eigenschaften

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe unten), die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung stellt sich durch Betrieb an Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuungen und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig in Form eines Vorwiderstandes) ist daher zwingend. Direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist nicht möglich, da der Arbeitspunkt nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterie-Leuchten betreiben LEDs direkt an Primärzellen – hier verlässt man sich auf einen ausreichend hohen Innenwiderstand der beigelegten Batterien.

Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung U_f (für englisch forward voltage) hängt von der Lichtfarbe ab und liegt zwischen 1,3 V (Infrarot-LED) und etwa 4 V (InGaN-LED, grün, blau, weiß, Ultraviolett^[2]). Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel nur 5 Volt.

LEDs lassen sich über den Betriebsstrom sehr schnell schalten und modulieren. Die hohe Modulationsgeschwindigkeit der LEDs ist beim Einsatz in der Optoelektronik (Optokoppler, Datenübertragung über Lichtleiter bzw- Kabel aus Kunststoffen oder Glasfasern sowie Freifeld-Infrarotstrahlung) wichtig. LEDs können bis weit über 100 MHz moduliert werden.

Richtungsabhängigkeit der Strahlungsleistung

Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkappt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen hauptsächlich zur Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall. Er setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt somit die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren, bestimmbaren Raumwinkel. Da Glas in der Regel eine höhere Brechzahl 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 berührt.

Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel.

Strahlungsleistung gegenüber Öffnungswinkel

Öffnungswinkel	180°	170°	160°	150°	140°	130°	120°	110°	100°	95°	90°	85°	80°	75°	70°
sr-Faktor	6,2832	5,7356	5,1921	4,6570	4,1342	3,6278	3,1416	2,6793	2,2444	2,0383	1,8403	1,6507	1,4700	1,2984	1,1363
Öffnungswinkel	65,55°	60°	55°	50°	45°	40°	35°	30°	25°	20°	15°	10°	5°	1°
sr-Faktor	1,0003	0,8418	0,7099	0,5887	0,4783	0,3789	0,2908	0,2141	0,1489	0,0955	0,0538	0,0239	0,0060	0,00024

Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel mit der Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind mehrere Leuchtdioden notwendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende von der Kugelkalotte abgeleitete Gleichung genutzt werden.

$\mathrm {Anzahl} = \left\lceil \frac{2}{1 - \cos \left( \frac{X}{2} \right)} \right\rceil$

Beispiel: Um eine starke 360°-Lampe mit einer Farbtemperatur von ungefähr 5000 K mit Leuchtdioden (Parameter: 55° Öffnungswinkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm ≈ 50 lm/W) zu realisieren, sind 18 Leuchtdioden notwendig (eine LED mit 55° Öffnungswinkel beleuchtet ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2880 Lumen, der eine Leistungsaufnahme von 54 Watt 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 auf die Hälfte des Anfangswertes abgesunken ist. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen tausend Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu über 100.000 Stunden 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. Die von den Herstellern angegebene Leuchtdauer bezieht sich in der Regel auf die Anzahl der Betriebsstunden, bis die Leuchte noch mit 70% der ursprünglichen Leuchtkraft arbeitet. Auch im Handel erhältliche LED-Leuchtmittel in Glühlampenform erreichen über 25.000 Stunden bis hin zu 45.000 Stunden Lebenszeit. ^[3][4][5]

Die Alterung der 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, was etwa 11,5 Jahren Dauerbetrieb entspricht.

Eine weitere Ursache kann eine Fehlfunktion auf Grund der Alterungsvorgänge in den verwendeten Materialien sein. Zum Beispiel Ermüdungserscheinungen der Klebe- oder Bodenverbindungen.

Diese Fehlfunktionen werden unter dem Begriff Mortality (B) oder Totalausfall beschrieben. Steht im Datenblatt einer LED B50 bei 100.000 Std., bedeutet dies, dass 50 % aller Testlampen nach 100.000 Std. durch Defekt ausgefallen sind. Manchmal wird auch der B10-Wert, d. h. die Zeitdauer, nach der 10 % der Testlampen nicht mehr funktionieren, angegeben.

Farben und Technologie

Blaue LED aus InGaN

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:

• 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 Fluoreszenz-Schicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED)

Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt. Die Halbleiter werden zum Schutz in transparenten Kunststoff eingegossen.

Flussspannung

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. Die sich daraus ergebende Flussspannung bei Nennstrom, auch Durchlassspannung oder Vorwärtsspannung (englisch forward voltage) ist dann je nach Farbe unterschiedlich.

Flussspannungen der LEDs verschiedener Farben

Farbe	Wellenlänge λ in nm	Flussspannung ΔU in V	Werkstoff
Infrarot	λ > 760	ΔU < 1,9	Galliumarsenid (GaAs) Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
Rot	610 < λ < 760	1,63 < ΔU < 2,1	Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Orange	590 < λ < 610	2 < ΔU < 2,1	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Gelb	570 < λ < 590	2,1 < ΔU < 2,2	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Grün	500 < λ < 570	2 < ΔU < 3,4	Indiumgalliumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN) Galliumphosphid (GaP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP) Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Blau	450 < λ < 500	2,48 < ΔU < 3,7	Zinkselenid (ZnSe) Indiumgalliumnitrid (InGaN) Siliziumkarbid (SiC) Silizium (Si) als Träger, in Entwicklung Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Violett	400 < λ < 450	2,76 < ΔU < 4,0	Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Ultraviolett	230 < λ < 400	3,1 < ΔU < 4,4	Diamant (C) Aluminiumnitrid (AlN) Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN)[6]

Flussspannungen nicht leuchtender Halbleiterdioden

Diode	Flussspannung ΔU in V
Schottky-Diode aus Silizium	0,2 < ΔU < 0,5
Silizium-Diode mit p-n-Übergang	0,6 < ΔU < 1
Germaniumdiode mit p-n-Übergang	0,2 < ΔU < 0,4

Einsatzbereiche

Der Anwendungsbereich der LEDs umfasste zunächst aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Farben hauptsächlich Anzeigeelemente wie beispielsweise Statusanzeigen. Sie ersetzten dabei kleinere Glühlampen oder Glimmlampen. Dieser Anwendungsbereich umfasst auch Anzeigen wie beispielsweise die Siebensegmentanzeigen oder Matrixanzeigen, in welchem sie spezielle Elektronenröhren, wie die Nixie-Röhre, ablöste. Zeitgleich ergaben sich Anwendungen zur Signalübertragung, wo die Leuchtdiode in ihrer Funktion nicht unbedingt für den Benutzer optisch sichtbar ist, und wo Leuchtdioden bis heute dominierend sind. Beispiele dafür sind infrarote LEDs in Infrarotfernsteuerungen, in Lichtschranken oder in Optokopplern zur galvanischen Trennung elektrischer Stromkreise.

Ein weiterer davon abzugrenzender Anwendungsbereich liegt im Bereich der Beleuchtung und dem Einsatz als Leuchtmittel. Neben der Raumbeleuchtung oder Straßenbeleuchtung kommen LEDs auch zunehmend in Taschenlampen und bei der Effektbeleuchtung vor. Auch Signalisierungen wie bei Verkehrsampeln lassen sich mit LEDs verwirklichen. Verwandte Anwendungen bei Wechselverkehrszeichen oder Lane-Lights (in den Boden eingebauten Blinkleuchten) funktionieren aber überhaupt nur mit LEDs, aufgrund der Möglichkeit zur optischen Darstellung im Straßenverkehr üblicher Symbole. Die Verkehrstelematik steigert dadurch z. B. Verkehrsdurchfluss oder Verkehrssicherheit.

Ein immer wichtiger werdender Anwendungsbereich von LEDs ist die Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen, da LEDs eine langzeitstabilere Beleuchtung und zum Teil einen niedrigeren Strombedarf als Kaltkathodenlampen aufweisen. Außerdem lassen sich so sehr geringe Bautiefen realisieren. Entsprechende LCD-Fernseher werden umgangssprachlich häufig als LED-Fernseher bezeichnet.

Nutzungen mit höheren Lichtströmen, wie als Rücklicht oder als Kennleuchten auf Fahrzeugen, fallen auch in diesen Bereich. Dabei werden die zuvor eingesetzten Glühlampen oder Gasentladungslampen durch Leuchtdioden ersetzt. Dieser Anwendungsbereich wurde erst durch die Verfügbarkeit von Hochleistungs-LEDs mit entsprechender Lichtausbeute und der Verfügbarkeit in allen Farben möglich.

Daneben existieren noch spezielle Einsatzbereiche, welche die spektralen Eigenschaften der eingesetzten Leuchtdioden ausnutzen. Beispiele sind die Medizintechnik, wo unter anderem ultraviolette LEDs zum Polymerisieren von Kunststoffen in der Zahntechnik verwendet werden, oder in der Licht-Hauttherapie, auch als LED-Photorejuvenation bekannt.

Des Weiteren kommen LEDs, durch den im Vergleich zu Blitzlampen höheren Wirkungsgrad und das klare Linienspektrum, in der Lasertechnologie häufig als Pumpquelle zum Einsatz.

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  Digitaluhr von 1978 mit LED-Anzeige. Links Uhrzeit, rechts Tag und Datum

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  LED-Fahrradleuchten

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  LED-Hinweistafel im Tokioter Bahnhof

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  Straßenbeleuchtung auf LED-Basis

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  LED-Lampe in gleicher mechanischer Bauform wie eine Halogenlampe

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  Rückleuchte mit LED-Technik

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  LED-Ampel

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  Rettungswagen mit LED-Frontblitzern und -Blaulicht auf dem Dach

LED-Leuchtmittel

Weiße LED

Erzeugen weißen Lichtes mit einer blauen Leuchtdiode und einem breitbandigen Fluoreszenzfarbstoff.

Erzeugen weißen Lichtes mit einer ultravioletten Leuchtdiode und Fluoreszenzfarbstoffen für rot, grün und blau.

Blaue LED mit Leuchtstoff enthaltendem Einbettungsmaterial zur Erzeugung weißen Lichtes.

Querschnitt einer weißen LED im Betrieb.

Eine weiße LED fluoresziert im Licht einer blauen InGaN LED

Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz:

• 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 (Fluoreszenzfarbstoff, 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 R_a = 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) und der Blauanteil sichtbar ist, ist das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Fluoreszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.

• Verschiedene Chips in Kombination mit Lumineszenz: Hersteller höherwertiger LEDs für Raumbeleuchtung (Osram, Philips) verwenden mittlerweile weiße Lumineszenz-LEDs in Kombination mit roten Power-LEDs, um einen besseren Farbraum bis hin zum Rot zu erreichen. Teilweise benutzt Philips blaue und rote LEDs unter einer lumineszierenden Kappe des einschraubbaren Leuchtkörpers.

Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid auf eine Grundschicht aus Saphir gedampft, dann wieder abgelöst und erneut bedampft. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. In einem neuen Verfahren^[7] wird die teure Saphirschicht durch Silizium ersetzt. Eine Beschichtung aus Zirkonnitrid verhindert dabei, dass die Siliziumschicht Licht absorbiert. Die Verwendung von Zirkonnitrid wurde erst ermöglicht, indem man das Silizium zuvor mit einer Zwischenschicht aus Aluminiumnitrid überzog, um die Reaktion des Siliziums mit dem Zirkonnitrid zu verhindern. Als letzte Schicht wird das Galliumnitrid aufgedampft. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden.

Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand obiger Grafik in der rechten Hälfte deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Fluoreszenzschicht 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 LED hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.

RGB-LEDs hingegen (in der linken Hälfte der Grafik 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 Trend-Produkten, 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 Fluoreszenzschicht, 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, dies 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 Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED-Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning (deutsch: Klasseneinteilung) bezeichnet. Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den sogenannten „Flux bin“, die Schwellenspannung, die Lichtausbeute sowie den Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeprägte 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, welchem „Bin“ (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen.

Geschichte

Nachbildung des Experiments H. J. Rounds. Eine negativ geladene Nadelspitze auf Siliziumkarbid erzeugt einen grün glimmenden Leuchtdiodenübergang.

Entwicklung des maximalen Lichtstroms kommerziell erhältlicher LEDs. Die Skala ist logarithmisch und die Gerade entspricht daher einem exponentiellen Anstieg.

Am Anfang der Entwicklung der Halbleiter stand eine wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle. Er schildert seine Versuche, bei denen er eine Metallspitze auf einen Sulfidkristall presste und herausfand, dass der Kristall in einer Richtung gut leitet und zwar umso besser, je höher der Strom ist – in die andere Richtung fließt hingegen nur wenig Strom. Da man damals nur ohmsche Leiter und Isolatoren kannte, passte dieser Gleichricht(er)effekt nicht in die damals bekannten Eigenschaften der Materie und es dauerte fast 60 Jahre, bis eine Erklärung dieser besonderen Merkmale gefunden werden konnte.^[8] Henry Joseph Round (1881–1966) beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer Lichtemission fähig sind.^[9] 1921 entdeckte der russische Physiker Oleg Lossew den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis 1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des Einsteinschen, photoelektrischen Effektes zu deuten ist. Georges Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.

In der Folgezeit konnte ab 1951 durch die Entwicklung des Transistors ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht werden. Weiter war es möglich, den Prozess der Lichtemission aufzuklären. Zunächst wurde allerdings weiter mit Zinksulfid experimentiert. Erfolgreicher waren jedoch die Forschungen an den als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleitern. Ab 1957 konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz auf die Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis des Galliumarsenids (GaAs) und Galliumphosphids (GaP) war von Bedeutung.

Andere Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode allerdings Nick Holonyak zu und datieren sie auf 1962.^[10]

Im Laufe der Entwicklung, seit den ersten LEDs 1962, wurde die Lichtausbeute um ungefähr drei Größenordnungen von unter 0,1 Lumen/Watt auf über 100 Lumen/Watt gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen stattgefundenen Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen) auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, niederdimensionalen Strukturen (Quantentöpfe), transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er Jahre, rot-gelb), wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er Jahre, grüne LEDs) und GaN (1980er/1990er Jahre, grün bis UV) entwickelt, so dass es heute LEDs in nahezu allen Farben des Spektrums (bis auf eine Lücke im grün-gelb-Bereich) gibt. Insbesondere nach Halbleitern, die Licht im kurzwelligen Bereich (blau, UV) effizient erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war lange Zeit das Dotieren eines p-leitenden Bereichs geeigneter breitlückiger Halbleiter, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe Akasakis in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Letzterer führte zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laser, seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumkarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist.

Die Steigerung der Effizienz und die preiswertere Herstellung der Halbleiter ist das Ziel weiterer Entwicklungen. Gegenwärtig wird besonders daran gearbeitet, sowohl transparente Trägermaterialien und Halbleiter-Materialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen. Die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) decken einen Teil der aktiven Fläche ab.

Ein anderer aktueller Forschungsgegenstand sind organische Leuchtdioden, sogenannte „OLEDs“.

Stand der Technik

Lichtausbeute

Theoretische maximale Lichtausbeute für monochrome Lichtwandler.

Die effizientesten weißen LEDs erreichen derzeit (Stand Februar 2010) im optimalen Fall eine Lichtausbeute bis zu 208 Lumen/Watt^[11] bzw. seit September 2010 250 lm/W.^[12] Dies ist nicht weit entfernt vom theoretischen Maximum (100 % Strahlungsleistung) bei 6600 K (relativ kalt wirkend), 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 kaltweißen.

Ein weiterer Parameter ist die Leistung pro Einheit: je höher die Leistung einer einzelnen LED wird, desto schlechter ist ihr Wirkungsgrad. Das resultiert sowohl aus Quanteneffekten als auch aus einer höheren Temperatur des LED-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 sich die Lebensdauer der LED, gleichzeitig vereinfacht die geringere Abwärme die Kühlung und damit die Konstruktion der Leuchte. Allerdings kann es dadurch notwendig werden, mehr LEDs einzusetzen, um die gewünschte Lichtmenge zu erreichen, wodurch ggf. eine aufwändigere Optik notwendig wird.

Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im Labor hergestellt und bald 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 höchsten Klasse. Wie klein der Anteil der besten Klasse an der Gesamtproduktion ist, erfährt man indirekt über den Preis und die Lieferbarkeit. Die angegebene Lichtausbeute bezieht sich einerseits auf die Anschlussschnittstelle eines LED-Bausteins, nicht auf eine LED-Lampe, bei der noch die Verluste durch das notwendige Vorschaltgerät mit 70 bis 95 % Wirkungsgrad dazukommen. Weitere Verluste entstehen durch eine (eventuell) weitere Optik in einer Lampe.

Viele erhältliche LEDs liegen derzeit bei 30–80 Lumen/Watt. Die Lichtausbeute liegt damit über der von Glüh- und Halogenlampen mit circa 13 beziehungsweise 17 lm/W^[13] und teilweise unterhalb der von Leuchtstofflampen, die etwa 50 bis 70 lm/W inklusive Vorschaltgerät und Abschattungs- und Reflexionsverlusten erreichen. Da durch die Messung in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt werden (vgl. Hellempfindlichkeitskurve), erreichen LEDs in den Farben Grün bis Rot besonders hohe Werte, während beispielsweise blaue LEDs deutlich schlechter abschneiden. Im rein physikalischen Wirkungsgrad, also der Umwandlung elektrischer Energie in Licht, sind blaue LEDs nicht zwangsläufig schlechter. Physikalische Wirkungsgrade sind derzeit bis über 30 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche LED, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und ggf. Optik.

Mitte Dezember 2006 erreichte eine LED Nichias in Labortests 150 lm/W (fast 22 % Wirkungsgrad). Das entspricht der Effizienz von Natriumdampflampen, welche in verschiedenen Arten seit den 1970er Jahren verfügbar sind. Im September 2007 gelang es Cree im Labor, eine kaltweiße LED mit über 1000 lm bei einer Effizienz von 72 lm/W zu betreiben, die warmweiße Variante kam bei 760 lm immerhin noch auf 52 lm/W Lichtausbeute. Seit Mai 2009 ist eine LED Nichias auf dem Markt mit einer angegebenen Lichtausbeute von 160 lm/W, allerdings nur geringer Gesamtleistung. Cree lieferte im Dezember 2010 erste LEDs aus, die bei 1 W 160 lm/W erreichen und bei 10 W immer noch ca. 100 lm/W.

2007 galt für die Lichtausbeute handelsüblicher LED-Leuchten die Faustregel: Leistung der LED(s) multipliziert mit 4 ergibt die Leistung in Watt einer klassischen Glühlampe (5 % Wirkungsgrad). Seit 2009 eignet sich der Faktor 4 für den Vergleich mit Halogenlampen, die gegenüber Glühlampen um etwa 30 % effizienter sind. Die Leistungsfähigkeit neu in den Markt kommender Lösungen liegt darüber und nähert sich einem Faktor 10 gegenüber klassischen Glühlampen an.

Im September 2009 begann Cree mit der Auslieferung einer weißen LED mit einer Lichtausbeute (Herstellerangaben) von 132 lm/W, die bei der maximalen Leistungsaufnahme von fast 10 W auf 105 lm/W abfällt, wobei für diesen Produktionstyp Lichtstromwerte bei 350 mA in den Leistungsklassen: 114 lm; 122 lm; 130 lm und 139 lm (=132 lm/W) angeboten werden.^[14] Das Unternehmen berichtet im Februar 2010^[11] über eine Labor-Prototyp-LED, die 208 Lumen pro Watt bei Raumtemperatur erreiche, bei einer Farbtemperatur von 4579 K. Im Oktober 2011 konnte OSRAM Prototypen eine roten LED vorstellen, die bei 609 nm und Nennstrom von 350 mA eine Lichtausbeute von 168 lm/W erreicht.^[15]

Anwendung

Da der Wirkungsgrad und die Standzeit schon seit einiger Zeit deutlich über denen von Halogenlampen liegen, schreitet die Anwendung besonders im Automobilbereich immer weiter voran. Für Blinker, Rück- und Bremsleuchten sowie Tagfahrlichter (vgl. LED-Scheinwerfer) sind Leuchtdioden seit 2001 im Einsatz, als Hauptscheinwerfer aufgrund höherer Anforderungen erst seit 2008.

Bereits jetzt ist die LED dabei, die Glühlampe in etlichen Spezialanwendungen zu verdrängen. Glühbirnen-Ersatz (10 W ≙ 60 W bei warmem Lichtton) für den Hausgebrauch steht von allen großen Herstellern wie Osram, Philips und Zumtobel zur Verfügung. Die Vorteile gegenüber der herkömmlichen Glühlampe: Die LED verbraucht weniger Energie bei gleicher Lichtmenge, erzeugt weniger Wärme, ist unempfindlich gegenüber Erschütterungen, erreicht deutlich kürzere Schaltzeiten, verkraftet ca. 1 Mio Schaltzyklen^[16], ist ohne Farbänderung und Wirkungsgradverlust dimmbar und hat, eine niedrige Sperrschicht-Temperatur vorausgesetzt, eine hohe Lebensdauer.

Ab 2007 kamen von vielen Herstellern LED-Lampen für die üblichen E27- und E14-Glühlampensockel auf den Markt. Allerdings erreichten viele maximal 300 Lumen Helligkeit, was etwa einer 20 Watt starken konventionellen Glühlampe entspricht. Neben der für viele Zwecke ungenügenden Helligkeit wurde auch oft die bläuliche („kalte“) Lichtfarbe kritisiert. Während anfangs die Lichtfarbe noch ein Problem darstellte, erzeugen inzwischen einige LED-Leuchten auch für den Wohnbereich angenehmes Licht, welches in der Farbwiedergabe der Energiesparlampe deutlich überlegen ist^[17]. Seoul Semiconductor etwa gab Ende Februar 2008 die Entwicklung und Markteinführung ultraheller LEDs bekannt, die 900 Lumen bei 10 Watt leisten.^[18] Das kommt etwa einer Glühlampe mit 75 Watt, respektive Energiesparlampen mit 17 Watt gleich.

Die hohen Ströme (typisch 350 mA und mehr) als Konstantstrom verlangen spezielle Treiberbausteine (Integrierte Schaltungen, Schaltregler) und elektronische Lösungen zur Ansteuerung. Der Betrieb mit niederfrequenter PWM genügt nicht allen Ansprüchen. Das thermische Management bekommt aufgrund der hohen Leistungen auf sehr kleiner Fläche (wenige mm²) und erforderlicher geringer Sperrschichttemperatur große Bedeutung – eine höhere Sperrschichttemperatur T_j (von englisch junction) hat eine Verminderung der Lebensdauer und Lichtleistung zur Folge. Eine „OSTAR LED“ nimmt beispielsweise bis zu 12 Watt auf^[19] (Lichtabgabe bis zu 1120 lm, Stand Januar 2009), was über thermische Substrate (beispielsweise Metallkernleiterplatte) und einen Kühlkörper an die Umgebung abgeführt werden muss.

Eine Studie der Universität Pittsburgh aus dem Jahr 2009^[20] verglich die Straßenbeleuchtung mit LEDs mit der mit Natriumdampf-Hochdrucklampen sowie mit Halogen-Metalldampflampen. Das Ergebnis der Studie war, dass die LED-Beleuchtung einen ähnlichen Ressourcenverbrauch über die Lebensdauer erzeugt wie die beiden anderen Technologien, dass bei den LEDs aber noch viel Potential zur Optimierung bestehe. Daher empfehlen die Autoren mittelfristig einen kompletten Umstieg auf LEDs zur Straßenbeleuchtung.

2011 wird erstmals in Europa ein Flughafenvorfeld mit LEDs beleuchtet: In Innsbruck leuchtet ein System mit 14 hohen Masten eine Fläche von 49.000 m² aus.^[21]

Beschaltung der LEDs

Die Helligkeit einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Bei konstanter Halbleitertemperatur ist die Zunahme annähernd proportional. Der Wirkungsgrad sinkt mit steigender Temperatur, deshalb sinkt die Lichtausbeute an der Leistungsgrenze je nach Art der Kühlung ab. Die LED fällt aus, wenn die Temperatur des Halbleiters ein Maximum von zirka 150 °C übersteigt.

Die Strom-Spannungs-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, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen große Stromänderungen.

Kennlinie einer weißen LED (schematisch).

Das Bild rechts gibt die 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 Durchlassspannung von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von etwa 1 W.

Eine LED sollte nicht unmittelbar an eine Spannungsquelle, wie eine Batterie, angeschlossen werden:

Eine weiße LED bleibt beim „Betrieb“ mit der Spannung 2,4 V (zwei NiMh-Akkus à 1,2 V) dunkel. Bei 3 V (zwei Alkali-Mangan-Primärzellen handelsübliche nichtaufladbare „Batterien“) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku-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 Exemplarstreuungen der Halbleitereigenschaften beziehungsweise lokale Temperaturerhöhungen. Daher kann der Strom auch bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LEDs mit einem konstant gehaltenen Strom.

Betrieb mit Vorwiderstand

Die einfachste Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer Spannungsquelle ist, in Reihe zu ihr einen Vorwiderstand zu schalten. Der Wirkungsgrad ist prinzipiell nicht schlechter als bei einer linear geregelten Konstantstromquelle. Wird diese Anordnung mit einer Spannungsquelle betrieben, deren Spannung U₀ unter Last (Nennstrom I) bekannt ist, so lässt sich der gewünschte Strom I über die Wahl des Widerstandes einstellen:

$R = \frac{U_{0}-U_\mathrm{LED}}{I}$

Beispiel: $U_{0}=4{,}5\ \mathrm{V},\ I=0{,}35\ \mathrm{A},\ U_\mathrm{LED}=3{,}4\ \mathrm{V}$

$R = \frac{4{,}5\ \mathrm{V} - 3{,}4\ \mathrm{V}}{0{,}35\ \mathrm{A}} = 3{,}1\ \Omega\$

Die Verlustleistung und damit die Baugröße des Widerstandes ergibt sich zu

$P_\text{Verlust}=\Delta {U} \cdot \ I_\mathrm{LED} = 1{,}1\ \mathrm{V} \cdot 0{,}35\ \mathrm{A} = 0{,}385\ \mathrm{W}$

Der nächsthöhere Normwert ist 0,5 W.

Bei einer ungeregelten Spannungsquelle wie einem Netzteil aus Transformator mit Gleichrichter und Siebelko führt der Innenwiderstand der Quelle zu einer starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Laststrom. Bei der obigen Formel ist dann zu beachten, dass U₀ nicht die Leerlaufspannung ist, sondern die Ausgangsspannung beim Nennstrom I, welche sich bei kleinen Transformatoren (ca. 3 VA) gegenüber der Leerlaufspannung nahezu halbieren kann.

Der Nachteil eines Vorwiderstands liegt in der starken Variabilität des Stroms bei einer veränderlichen Versorgungsspannung begründet, wie es beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen der Fall ist. Das gilt vor allem dann, wenn durch die Reihenschaltung mehrerer LEDs eine relativ geringe Spannung am Vorwiderstand abfällt, was wiederum die Verluste gering hält.

Beispiel

Es werden an das 12-V-Bordnetz drei LEDs à 3,4 V angeschlossen, sodass bei U = 12 V nur 1,8 V für den Vorwiderstand verbleiben. Mit einem Vorwiderstand von 5,2 Ω ergibt sich so ein Strom von 348 mA. Beim Laden des Akkus im Auto können aber durchaus Spannungen bis 14,4 V auftreten. Das hätte dann einen praktisch verdoppelten Strom von rund 700 mA zur Folge (der Spannungsabfall an der LED steigt ebenfalls leicht an), obwohl sich die Bordspannung nur um 16 % erhöht hat. Die gewählte Ausführung ist somit nicht betriebssicher und damit ungeeignet. Abhilfe könnte die Reduzierung der in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder der Betrieb mit Konstantstromquelle darstellen.

Betrieb mit Konstantstromquelle

Je nach Einsatzzweck kann es vorteilhaft sein, Leuchtdioden an einer Konstantstromquelle zu betreiben. Damit entfällt das Problem der Abhängigkeit des Vorwiderstandes von der Versorgungsspannung. Die LED kann dann über einen sehr weiten Spannungsbereich mit einem konstanten Strom sicher betrieben werden. Konstantstromquellen lassen sich mit Transistoren oder integrierten Schaltkreisen realisieren.

Als Stromquelle für LEDs geeignete Konstantstromquelle mit JFET.

Eine der Möglichkeiten zur Realisierung einer Konstantstromquelle bietet ein JFET in Form eines einfachen Linearreglers, der in Serie mit einer LED an eine Spannungsquelle geschaltet wird. Nebenstehende Schaltung wird dabei statt des Vorwiderstandes R in Serie zur LED geschaltet. Durch Wahl von R₁ kann die Stromstärke durch die LED eingestellt werden. Der Widerstandwert ist von den Parametern des JFET abhängig und – im Gegensatz zum Betrieb mit Vorwiderstand – nicht von der Versorgungsspannung. Überschlagsmäßig kann der Konstantstrom nach folgender Gleichung bestimmt werden:

$I_\text{D} \approx \frac{U_\text{GS}}{R_1}$

(U_GS ist die Spannung zwischen Gate und Source; dieser Wert ist aus dem Datenblatt des jeweiligen JFET zu entnehmen und gleich der Spannung, die im Betrieb am Widerstand R₁ anliegt.)

Die mit dieser Schaltung erzielbaren typischen Versorgungsspannungsbereiche können den Bereich einiger weniger Volt bis zu 100 Volt überstreichen und sind nur durch die Spannungsfestigkeit und maximale Verlustleistung des JFETs begrenzt. Der Betrieb einer LED oder einer Serienschaltung weniger LEDs an hohen Spannungen an einer Konstantstromquelle hat einen geringen Gesamtwirkungsgrad zur Folge. In diesem Fall und in vielen Anwendungen mit Hochleistungs-LEDs mit Betriebsströmen ab einigen 100 mA aufwärts, werden zur Minimierung der Verluste häufig Schaltregler eingesetzt, welche auf einen konstanten Ausgangsstrom regeln.

Betrieb mit Schaltregler

Einfacher Aufwärtswandler mit weißer LED. Die Flussspannung der LED dient zugleich als Regelelement.

Die beiden vorherigen Schaltungen haben den Nachteil, dass sie bei Abweichungen zwischen Durchlassspannung und Betriebsspannung das Produkt aus Spannungsdifferenz und Betriebsstrom in Form der Verlustleistung in Wärme umwandeln. Außerdem muss die Flussspannung der LED (bei weißen LEDs 2,5 V bis über 4 V) überschritten werden, damit die LED überhaupt leuchtet. Dies stellt eine Hürde für den Batteriebetrieb dar.

Effizientere Lösungen auf der Basis eines Schaltreglers beziehungsweise eines DC-DC-Wandlers mit Konstantstromausgang wandeln die Energie ähnlich effizient wie ein Transformator. Sie arbeiten im Schaltbetrieb bei hohen Frequenzen und verwenden zur Zwischenspeicherung der Energie Speicherdrosseln. Die hohe Schaltfrequenz und die Konstanthaltung des Stroms sorgt dafür, dass so betriebene LEDs für das menschliche Auge weitestgehend flimmerfrei leuchten. Außerdem kann man mit dafür ausgelegter Elektronik den Betriebsstrom und damit die Helligkeit mittels Pulsweitenmodulation (PWM) steuern.

Betrieb an Netzspannung

Der effiziente Betrieb einer LED an Netzspannung ist mit einem Gleichrichter und einem Vorschaltkondensator möglich. Die Summe der Flussspannungen der in Reihe geschalteten LED muss dabei deutlich geringer als die Netzspannung sein, um den Strom innerhalb der Netzspannungstoleranz ausreichend konstant zu halten. Diese oft in Leuchtmitteln angewendete Lösung erfordert zusätzlich einen Widerstand zur Strombegrenzung und einen weiteren Kondensator, die den Gleichrichter beziehungsweise die LED vor dem vom Vorschaltkondensator verursachten Einschaltstromstoß sowie vor Überspannungsimpulsen im Netz schützt.

Seit 2006 werden LED-Module als „Wechselstrom-LEDs“ vermarktet, die auf der ohnehin zur Wärmeableitung nötigen Metallkern-Leiterplatte auch eine Gleichrichterbrücke unterbringen. Damit ist auch der Betrieb an Wechselspannung möglich, allerdings mit der Einschränkung, dass die Gleichrichterbrücke einen zusätzlichen Spannungsabfall von ca. 1 V verursacht. Damit ist der Betrieb solcher LED-Module an 12-V-Halogentrafos unattraktiv. Für den 230-V-Betrieb spielt dies aber nur eine untergeordnete Rolle. Außerdem ist eine Glättung des Gleichstroms, und damit der Lichtstärke, nicht möglich. Da dies auch in herkömmlichen Leuchten selten realisiert wird ist auch dieser Nachteil nur selten von Bedeutung.

Siehe auch

• Laserdiode
• Resonant-cavity light emitting diode
• Organische Leuchtdiode

Literatur

• M. G. Craford: Visible light-emitting diodes: Past, present, and very bright future. In: MRS Bulletin. 25, Nr. 10, 2000, S. 27–31.
• E. Fred Schubert: Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press, 2003, ISBN 0-521-53351-1.

Weblinks

 Wiktionary: Leuchtdiode – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: LEDs – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wikibooks: Arbeiten mit LEDs – Lern- und Lehrmaterialien

• Leuchtdiode (Grundlagen und Weiteres)
• Resource of technical information (englisch)
• Fernsehbilderzeugung mit rotierenden LED-Leisten
• Verschiedenes über Leds

Einzelnachweise

1. ↑ Hiroshi Amano, Masahiro Kito, Kazumasa Hiramatsu, Isamu Akasaki: P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation (LEEBI). In: Japanese Journal of Applied Physics. 28, 1989, S. L2112–L2114, doi:10.1143/JJAP.28.L2112.
2. ↑ Nicha Corporation (Hrsg.): Specifications for Nichia Chip Type UV LED – Model: NCSU034AT.
3. ↑ i-Magazin.at – Jetzt umsteigen?
4. ↑ Philips MasterLED und Novallure – Schon jetzt die bessere Alternative, Pressemitteilung vom 26. Februar 2010
5. ↑ Philips LED-Lampen – Nachhaltigkeit bedeutet nicht Verzicht, Pressemitteilung vom 13. September 2010
6. ↑ LEDs move into the ultraviolet, vom 17. Mai 2006
7. ↑ Birck Nanotechnology Center an der Universität Purdue
8. ↑ Karl Ferdinand Braun: Versuche über Abweichungen vom Ohm'schen Gesetz in metallisch leitenden Körpern.. In: Sitzungsberichte der Naturforschenden Gesellschaft zu Leipzig. 3, 1876, S. 49–62.
9. ↑ Henry Joseph Round: A note on carborundum. In: Elect World. 19, 1907, S. 309.
10. ↑ Der erste Licht emittierende Transistor. In: Spektrumdirekt. 7. Januar 2004, archiviert vom Original am 8. März 2004, abgerufen am 31. Mai 2010. 
11. ↑ ^{a b} CREE Pressemitteilung
12. ↑ Pressemitteilung von Nichia im LEDsMagazine.com
13. ↑ Der schnelle Dreh zum schöner Wohnen – Modernes Halogenlicht für Leuchten mit Schraubfassung. In: www.osram.de. 14. November 2002, abgerufen am 28. Januar 2008 (PDF). 
14. ↑ Cree XP-G LED
15. ↑ Laborrekord: Rote LED knackt 200-lm/W-Marke
16. ↑ Datenblatt 10W LED Birne warmweiss
17. ↑ Testbericht der Schweizer TV-Sendung Kassensturz (SF1) mit Kategorien Farbwiedergabe und Farbtemperatur, Preise in CHF
18. ↑ World's Highest Brightness of 900 lm at 10-Watt, Nachricht auf der Website des Herstellers Seoul Semiconductor Inc.
19. ↑ PDF-Datenblatt OSTAR Headlamp LED
20. ↑ Life Cycle Assessment of Streetlight Technologies, vergleichende Studie der Universität Pittsburgh zur Straßenbeleuchtung mit LEDs und Metalldampflampen
21. ↑ http://tirol.orf.at/news/stories/2505987/