Das Ziel von diesem LED-Tutorial ist es, die Leuchtdiode einfach und verständlich zu erklären.
Im folgenden werden die Grundlagen ebenso erläutert, wie auch auf die Vor- bzw. Nachteile eingegangen wird. Zudem wird neben den elektrischen Eigenschaften ein kurzer Einblick in den Bereich- der optischen Paramter gegeben. Hierzu empfehlen wir auch den Wissens-Beitrag Einheiten von Licht. Dort werden die wichtigsten physikalischen & optischen Einheiten erläutert, gegenübergestellt und es gibt Hilfestellung bei der Frage: Wie vergleicht man Leuchtmittel richtig?
Der richitige Betrieb einer LED wird in diesem LED-Tutorial ebenso erklärt, wie auch auf die Wichtigkeit des Thermomanagements eingegangen wird.
LED Erklärung: Was ist eine Leuchtdiode?
Die Leuchtdiode (LED = light emitting diode / Licht emittierende Diode) ist ein elektronisches Bauteil, welches Licht ausstrahlt, wenn Strom durch das Bauteil fließt.
Dieses Halbleiter-Bauelement entspricht in den elektrischen Eigenschaften einer Diode. Aus diesem Grund sind sie vereinfacht wie eine Einbahnstraße zu betrachten. Sie lassen den Strom nur in eine Richtung passieren (Durchflussrichtung). Demgegenüber kann in die andere Richtung kein Strom durch die Diode fließen (Sperrrichtung).
Die LED verhält sich in ihren Grundzügen genauso wie die Diode. Nur eben mit dem Unterschied, dass dabei Licht emittiert (abgegeben) wird, wenn sie in Durchflussrichtung betrieben wird.
Dieses Licht muss sich hierbei nicht einmal im sichtbaren Bereich befinden. Es gibt genauso Infrarot-, wie auch UV-LEDs, womit wir auch schon zum nächsten Punkt kommen.
Lichtfarbe, Lichtspektrum und Wellenlänge
In diesem Teil vom LED-Tutorial geht es um die Lichtfarbe und Wellenlänge von LEDs.
Das menschliche Auge sieht nur die Wellenlänge zwischen ca. 380 und 780 nm (Nanometer) vom gesamten Lichtspektrum. Die beiden benachbarten Bereiche sind Ultraviolett bzw. Infrarot und das menschliche Auge ist – im Gegensatz zu manchen Tieren – hier nicht empfindlich und kann es somit nicht sehen.
Eine LED erzeugt grundsätzlich (Ausnahme weiße LED) ein monochromatisches Licht. In anderen Worten ausgedrückt, ein Licht mit nur einer bestimmten Wellenlänge und somit mit nur einer Farbe. Diese Wellenlänge ist nicht beeinflussbar und kann als konstant betrachtet werden. Auch bei der RGB-LED kann die Wellenlänge ebenso nicht verändert werden. Die nahezu gesamte Farbpalette entsteht hier durch Mischung der einzelnen Grundfarben (rot, grün, blau), dazu aber später in diesem LED-Tutorial mehr.
Lichtspektrum und Wellenlänge von weißem Licht
Eine Ausnahme bildet die weiße LED: Weißes Licht besteht nicht nur aus einer einzigen Wellenlänge – sondern aus der Summe von mehreren – optimalerweise von allen Wellenlängen im sichtbaren Bereich des Spektrums. Dies erkennt man sehr gut bei der Zerlegung in die Spektralfarben in die jeweiligen Einzelfarben. Beispiele für die Spektralfarbenzerlegung sind der Regenbogen oder auch die Reflexionen einer CD.
Als Basis für eine weiße LED wird meist eine blaue oder ultraviolette LED verwendet, die zusätzlich mit einem „Filter“ (z.B. Phosphor) überzogen wird. Diese Filterschicht verschiebt die primäre Wellenlänge und fächert sie in unterschiedliche Wellenlängen auf. Zum besseren Verständnis haben wir mal einige LEDs mit unserem hauseigenen Goniophotometer im Lichtlabor von Emilum vermessen:
LED-Tutorial: RGB-Farblicht und das Problem mit dem Lichtspektrum
Wie die Messungen aus dem Lichtlabor veranschaulichen, haben die einzelnen Farben immer ein sehr schmalbandiges Lichtspektrum und eine dominaten Wellenlänge, mit allen Vor- und Nachteilen: Durch additive Farbmischung kann man einfach Mischfarben erzeugen. Beispielsweise lassen sich so mit einer roten + grünen LED verschiedene Orange- und Gelbtöne erzeugen. Nimmt man auch noch eine blaue LED dazu, dann lassen sich nahezu „alle“ Farben erzeuge. Übrigens ist dies die klassische Variante um bei LED-Streifen und LED-Spots die enorme Farbvielfalt von 16.7 Millionen Farben zu generieren.
Selbst die unterschiedlichsten Nuancen von Weiß lassen sich erzeugen. Wenn wir uns aber das Lichtspektrum in Erinnerung rufen, sehen wir sofort, dass hier einige Wellenlängen zur Gänze fehlen. Dies hat einen äußerst schlechten Farbwiedergabeindex zur Folge, da nur ein Bruchteil der Wellenlängen vom weißen Licht vorkommen. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist ein aus RGB erzeugtes weißes Licht sehr, sehr künstlich und weit entfernt vom natürlichen Lichtspektrum der Sonne..
Es ist somit keine gute Idee, weißes Licht einfach mit RGB-LEDs zu erzeugen. Daher wird bei profesionellen Produkten dem RGB auch noch ein zusätzlicher Weißkanal zur Verfügung gestellt (Beispiele: RGBW-Spot, LED-Wandleuchte). Dies hat nicht nur den Vorteil, dass sich der CRI (=Farbwiedergabeindex) stark verbessert, auch der Wirkungsgrad wird um einen beträchtlichen Faktor optimiert.
Wie sieht es mit Infrarot und UV-Strahlung bei LEDs aus?
Im Vergleich zu (Halogen-) Glühlampen sind LEDs keine Wärmestrahler. Glühbirnen wandeln die elektrische Energie nicht nur im sichtbaren Wellenlängenbereich um, sondern auch in benachbarten Spektralbereichen (Infrarot, UV).
Den Infrarot-Bereich spürt man bei diesen Leuchtmitteln auch als Wärmestrahlung (dadurch ist z.b. Obst/Gemüse weniger lang haltbar). Demgegenüber vergilbt der UV-Anteil diverse Objekte/Gegenstände.
Auf jeden Fall tretten diese Bereiche bei LEDs durch das monochromatische Licht schlichtweg nicht auf. Daher wird hier nicht nur auf diese Nachteile verzichtet, sondern auch die Lichtausbeute des Leuchtmittels erheblich verbessert!
Warum ist ein Thermodesign bei LEDs so wichtig?
Wie es in der Technik nun mal üblich ist, gibt es keinen Vorteil ohne Nachteil und darauf gehen wir in diesem Teil vom LED-Tutorial ein:
Glühbirnen geben einen Teil ihre Verlustleistung (Infrarotanteil) direkt mit dem Lichtstrahl ab. Dadurch sind sie vor der Zerstörung durch Wärme geschützt. Auf der anderen Seite bleibt die Verlustleistung durch das monochromatische Licht der LEDs direkt bei diesen. Die entstehende Wärme muss infolge gesondert von der LED abgeführt werden. Ansonsten leidet die Lebensdauer der LED erheblich und eine vorzeitige Zerstörung tritt ein!
Hinzu kommt, dass sich die Effizienz der LED bei Erwärmung verschlechtert. Es muss also mehr Energie in das Leuchtmittel geführt werden, um denselben Lichtstrom (Einheit Lumen) zu genererien.
Dem thermischen Design einer LED muss daher bei einem professionellen Produkt genauso viel Aufmerksamkeit entgegengebracht werden, wie dem Elektrischen. Eine Lebensdauer von über 50.000 Stunden für die LEDs ist bei gutem Thermodesign ein absolut realistischer Wert, einer unter 1.000 bei Schlechtem jedoch auch.
Abstrahlwinkel von LEDs:
Im Vergleich zur Glühbirne gibt es noch einen weiteren zu beachtenden optischen Paramater und darum geht es in diesem Teil vom LED-Tutorial:
Die Glühbirne strahlt in nahezu alle Richtungen und das mit derselben Lichtstärke. Dies kling zwar im ist ersten Moment verlockend, ist jedoch in weiterer Folge meist kontraproduktiv! Denn so eine Lichtverteilung wird in den seltensten Fällen benötigt und es wird einfach Licht, Energie und Geld verschwendet.
Eine Unterschrankbeleuchtung in der Küche soll beispielsweise ausschließlich auf die Arbeitsfläche illuminieren und Downlights geben per Definition ihr Licht nur nach unten ab. LEDs sind hier das optimale Leuchtmittel, da sie
a) bereits eine vordefinierte Abstrahlcharakteristik (mit einem Teil des Raumwinkels) aufweisen, beispielsweise 120°
b) hervorragend über Sekundäroptiken/Reflektoren lenkbar sind
c) klein und einfach an passenden Stellen in der Leuchte positionierbar sind
Abstrahlwinkel typischer LED-Produkte:
Die typischen Abstrahlwinkel bei LED-Leuchten reichen von 60° (üblicher Winkel bei LED-Deckenstrahler), über 120° (der meist verwendete Winkel der LED selber, daher üblich bei LED-Bänder oder einer Deckenleuchte) bis hin zu 180° (COB-Technologie, wie bei unseren LED-Streifen ohne Punkte)
Bei professionellen Produkten wird daher vor der Produktentwicklung eine umfangreiche Lichtberechnung durchgeführt,bei der Nullserie wird das Ergebnis vermessen und die exakten Daten dem Kunden zur Verfügung gestellt.
Die elektrischen Eigenschaften einer LED und die UI-Kennlinie einer Leuchtdiode
Bevor wir die UI-Kennlinie der LED erklären, gibt es einen kurzen Hinweise zur Relation von Helligkeit und Strom der LED. Die Helligkeit der LEDs – also der gesamt abgegeben Lichtstrom – ist nahezu direkt proportional zum elektrischen Strom, der durch die Leuchtdiode fließt.
Die U/I-Kennlinie der LED ähnelt der Kennlinie einer Diode. Geringe Spannungsänderungen verursachen somit bereits sehr hohe Strom- und somit Helligkeitsänderungen. Folglich haben wir die typische U/I-Kennlinie einer LED zum veranschaulichen dieses Phänomens eingefügt.
Die Vorwärtsspannung (so nennt man die Spannung über eine LED) wird wiederum stark von der Temperatur beeinflusst. Somit zeigt sich deutlich, dass eine Ansteuerung mit konstanter Spannung aus mehrerlei Gründen absolut ungeeignet erscheint.
Betrachtet man die UI-Kennlinie der Leuchtdiode, ist das probate Mittel daher ein stromkonstanter Betrieb der LEDs. Beispielsweise können einfachere LED-Strings mit stromkonstanten Netzteilen versorgt werden. Hochwertige Produkte wie z.B. LED-Einbaustrahler haben eine entsprechende elektronische Schaltung für den ordnungsgemäßen, langlebigen Betrieb der LEDs inkludiert. Somit können diese Produkte nicht nur wieder mit einem bekannten spannungskonstantem Netzteil betrieben werden, sondern sind auch zur Gänze mit PWM-Dimmern in der Helligkeit regelbar.
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