Die LED – Wie funktionieren LEDs

LED (Licht Emittierende Dioden) nehmen einen immer größeren Platz in der Beleuchtungstechnik ein. Die energieeffizienten, robusten und äußerst flexiblen Leuchtmittel finden sich sowohl in leistungsstarken LED Hallenstrahlern als auch in Ambienteleuchten für den Wohnbereich.
Wie eine LED funktioniert und welche Arten es grob gibt, können Sie im weiteren hier lesen. Es soll ein kurzer Überblick verschafft werden – ohne in technische Tiefen abzudriften.

Die LED

LEDs beruhen auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz.

Sie sind technisch gesehen Dioden, also ein elektronisches Bauteil.
Im Gegensatz zu Heißstrahlern wie z.B. Glühbirnen, in denen Drähte zum Glühen gebracht werden oder Leuchtstoffröhren, in denen ein Gas glüht.
Die Elektrolumineszens wurde schon 1907 von  Henry Joseph Round entdeckt.
Erste LEDs kommen dann 1967 auf den Markt (zunächst Rot, dann weitere Farben) diese werden meist als Funktionslicht an technischen Geräten eingesetzt (bis heute)
1995 kommen die ersten für die Beleuchtung nutzbaren weißen LEDs auf den Markt.

Halbleiterkristalle

Bei der Elektrolumineszens wird Licht in einer von mehreren Schichten halbleitender Kristalle erzeugt. Dieses Licht ist Monochrom – die Farbe hängt vom Material des Halbleiterkristalls ab.
Rot, gelb, blau und grün können so direkt aus den Kristallen erzeugt werden wenn Strom durch sie hindurch fließt.
Weißes Licht für die Beleuchtungstechnik ist nicht dabei. Dieses wird durch Lumineszenskonversion mit Hilfe einer Beschichtung erzeugt. Diese Phosphorschichten – ähnlich wie bei Leuchtstoffröhren – werden angeregt und geben Licht ab, welches sich dann mit dem Licht der blauen LED zu einem Gesamtspektrum mischt. Je nach Zusammensetzung dieser Schicht können so die blauen LEDs auf verschiedene Kelvin (Lichtfarben) eingestellt werden. Wobei hier die Lumen pro Watt bei eher blaueren Lichtfarben (5000K-6000K) höher sind und bei wärmeren Farbtönen (2700K) etwas geringer ausfallen.

Kühlkörper

Der Halbleiter wird dann auf einen Kühlkörper aufgebracht, welcher die Wärme von den empfindlichen Halbleiterkristallen ableitet. Dies stellt die lange Haltbarkeit der LED sicher. Wird der Halbleiter längere Zeit über dessen angegebene Höchsttemperatur erhitzt, sinkt die Leuchtkraft rapide – bis zum totalen Ausfall.

LED Arten

High-Power und Low-Power

Als High-Power LEDs bezeichnet man LEDs, die mit mehr als 20mA betrieben werdn. Alle anderen bezeichnet man als sogenannte Low-Power LEDs. High-Power LEDs ermöglichen stärkere Lichtquellen auf kleinerem Raum. Die Wärmeableitung ist hier aber auch ein stärkeres Thema.

DIP LEDs

Die früheste Art der LED ist die DIP LED (dual-in-line-package) diese mit 2 Drähten an die Platine lötbaren LEDs in verschiedenen Farben ist wohl auch die bekannteste Art. Die Leuchtkraft dieser LEDs lässt schnell nach. Verwendet werden sie oft als Anzeige in elektrischen Geräten.

Die SMD LED (Surface-mounted-Device)

Die SMD ist heute wohl die verbreitetste Art der LED von der Industriebeleuchtung bis zur Wohnraumbeleuchtung. Die Halbleiter werden in einen Kreislauf gelötet und bilden mit dem Kühlkörper eine Einheit, die dann auf eine Leiterplatte geklebt und maschinell verlötet werden kann. Der Halbleiterkristall wird direkt in den Kühlkörper gelötet – diese Lötstelle dient der direkten Wärmeübertragung und ist ein Teil des elektrischen Anschlusses. Der andere Teil des elektrischen Anschlusses wird von einem sogenannten Bond-Draht übernommen, der von dem Kristall ausgeht. Dieser ist sehr dünn um kein Licht abzuschirmen.
In SMD LEDs sind sowohl Low-Power als auch High-Power LEDs im Einsatz.Äußerst lichtstarke, flexible Leuchten können so designed werden.

Funktion der SMD LED

Verschiedene Typen der SMD LED

Verschiedene SMD Typen

SMD LEDs werden mit Zahlenkombinationen kategorisiert (wie z.B. 3528, 5050 usw) Diese geben den Typ der SMD an und sind eigentlich nichts anderes als Größenangaben der verschiedenen Module. 3528 bezeichnet z.B. ein Modul mit 3,5 x 2,8 mm Abmessungen.

2835

Single-Chip LED mit einer Lichtausbeute von 16-25 Lumen und definierter Lichtfarbe

3014

Single-Chip LED mit einer Lichtausbeute von 9-12 Lumen und definierter Lichtfarbe

3035

Single-Chip LED mit und einer Lichtausbeute von 10-25 Lumen und definierter Lichtfarbe

3528

Diese sind die am häufigsten eingestzten Modul Typen. Ein ein-Chip-LED Typ mit definierter Lichtfarbe und einer Lichtausbeute von 3-8 Lumen

5050

3-Chip LED mit einer Lichtausbeute von 10-16 Lumen. RGB Farben sind hier möglich

5060

Single-Chip LED mit einer Lichtausbeute von 10-14 Lumen und definierter Lichtfarbe auch als RGB 3-Chip-LED möglich

5630

Single-Chip LED mit einer Lichtausbeute von 40-55 Lumen und definierter Lichtfarbe

Die COB LED (Chip-on-Board)

Bei COB LEDs wird der Halbleiterkristall direkt auf das Aluminium- oder Keramik-Board (Leiterplatte) geklebt und mit Bond-Drähten elektrisch verbunden. Dies ermöglicht eine hervorragende Wärmeableitung auf kleinstem Raum und eine weniger komplexe Fertigung. Abstrahlwinkel werden durch eine über dem Halbleiter angebrachte Linse aus Epoxyd realisiert. Je nach Wölbung des Epoxydtropfens strahlt die LED breiter oder schmaler ab. Kühlkörper können bei COB Modulen kleiner ausfallen da ein Großteil der Wärme schon durch das COB-Board aufgenommen wird.
Diese Technologie ermöglicht eine sehr dichte Bauweise der LEDs und damit eine hohe Lichtausbeute auf kleinstem Raum. Die fertig bestückten Module sind einfach einzubauen. COB LEDs kommen in der Verarbeitung den Leuchtenherstellern entgegen, da sie hier fertige Module mit definierten Randbedingungen verwenden können.

Funktion der COB LED