LED Chips: Aufbau, Qualität und Bedeutung für die fertige Leuchte
Der LED Chip ist der Halbleiter, der das Licht erzeugt. Er bestimmt, wie viel Licht je Watt entsteht, wie natürlich Farben wirken und wie schnell der Lichtstrom über die Jahre abnimmt. Für die Beurteilung einer Leuchte zählt jedoch nicht der Chip allein, sondern der Betriebspunkt, in dem er arbeitet.
Genau diese Unterscheidung fehlt in vielen Angeboten. Auf dieser Seite erklären wir, wie ein LED Chip aufgebaut ist, welche Bauformen es gibt, welche Werte seine Qualität beschreiben, warum die Werte der Leuchte darunter liegen und woran sich dokumentierte Marken-Chips erkennen lassen.
- Funktion Licht aus Halbleiter Am Übergang zweier dotierter Schichten entsteht beim Stromfluss Licht, für Weiß kombiniert mit einer Leuchtstoffschicht.
- Bauform SMD, COB und High-Power Die Bauform bestimmt die Lichtverteilung und die Wärmeabfuhr, nicht automatisch die Qualität.
- Bewertung Nur mit Betriebspunkt Alle Chipwerte gelten für einen bestimmten Strom und eine bestimmte Sperrschichttemperatur.
Was ist ein LED Chip und wie funktioniert er?
Ein LED Chip ist ein Halbleiterbauelement. Zwischen zwei unterschiedlich dotierten Schichten liegt ein Übergang, an dem beim Stromfluss Ladungsträger rekombinieren und dabei Licht abgeben. Die Wellenlänge dieses Lichts hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab.
Weißes Licht erzeugt eine LED nicht direkt. Üblich ist ein blau strahlender Chip, über dem eine Leuchtstoffschicht liegt. Sie wandelt einen Teil des blauen Lichts in längere Wellenlängen um, und die Mischung aus verbliebenem Blau und umgewandeltem Licht ergibt Weiß. Zusammensetzung und Dicke dieser Schicht bestimmen Farbtemperatur und Farbwiedergabe.
Die Leuchtstoffschicht entscheidet ebenso stark über die Lichtqualität wie der Halbleiter selbst. Die Grundlagen dazu ordnen wir bei der LED Funktionsweise ein, den Aufbau der gesamten Leuchte beim Aufbau einer LED Leuchte.
Die Werte, mit denen ein LED Chip im Datenblatt beschrieben wird.
| Kenngröße | Was sie beschreibt | Warum sie wichtig ist |
|---|---|---|
| Lichtstrom in Lumen | Abgegebene Lichtmenge bei definiertem Strom | Grundlage für die Auslegung der Leuchte |
| Vorwärtsspannung | Spannung über dem Chip im Betrieb | Bestimmt, wie viele Chips in Reihe geschaltet werden können |
| Sperrschichttemperatur | Temperatur am Halbleiterübergang | Bestimmt Lichtausbeute und Alterungsgeschwindigkeit |
| Thermischer Widerstand | Widerstand zwischen Übergang und Lötfläche | Beschreibt, wie gut die Wärme aus dem Chip abfließen kann |
| Farbort und Farbtemperatur | Lage des Lichts im Farbraum | Bestimmt Lichtwirkung und Gleichmäßigkeit zwischen Leuchten |
| Farbwiedergabe | Wie natürlich Farben wiedergegeben werden | Entscheidend für Prüfarbeiten, Verkauf und Sicherheitsfarben |
Alle diese Werte gelten nur für die im Datenblatt genannten Bedingungen. Ohne Strom- und Temperaturangabe sind sie nicht vergleichbar.
Welche Bauformen gibt es: SMD, COB und High-Power?
LED Chips werden in unterschiedlichen Bauformen verarbeitet. Sie unterscheiden sich darin, wie die Chips auf dem Träger sitzen, wie viele Lichtpunkte entstehen und wie die Wärme abgeführt wird.
Bei SMD sitzt jeder Chip in einem eigenen kleinen Gehäuse auf der Platine. Bei COB werden mehrere Chips direkt auf einen gemeinsamen Träger gesetzt und zusammen mit Leuchtstoff bedeckt, wodurch eine zusammenhängende leuchtende Fläche entsteht. High-Power-Bauformen arbeiten mit wenigen, stark belasteten Chips und benötigen eine besonders gute Wärmeanbindung.
Keine Bauform ist grundsätzlich besser, sie folgt aus der gewünschten Lichtverteilung. Wie sich diese Verteilung beschreiben lässt, ordnen wir beim Abstrahlwinkel ein.
Die gebräuchlichen Bauformen und ihre Eigenschaften.
| Bauform | Aufbau | Typische Stärke |
|---|---|---|
| SMD | Einzelne Chips in eigenen Gehäusen auf der Platine | Gleichmäßige Flächen, gute Wärmeverteilung, breite Lichtverteilungen |
| COB | Mehrere Chips auf gemeinsamem Träger unter einer Leuchtstoffschicht | Kompakte Lichtquelle, enge Bündelung, homogene Leuchtfläche |
| High-Power | Wenige, hoch belastete Einzelchips mit eigener Wärmeanbindung | Hohe Lichtstärke aus kleiner Fläche, Strahler und Flutlicht |
| Mid-Power | Viele schwächer belastete Chips auf großer Fläche | Hohe Lichtausbeute bei moderater Belastung je Chip |
Die Bauform wird in der Konstruktion festgelegt und lässt sich später nicht ändern.
Welche Eigenschaften bestimmen die Qualität eines LED Chips?
Die Qualität eines LED Chips zeigt sich in drei Bereichen: in der Lichtausbeute, in der Farbqualität und im Alterungsverhalten. Alle drei lassen sich nur beurteilen, wenn die Bezugsbedingungen genannt sind.
Bei der Farbqualität sind zwei Werte maßgeblich. Wie natürlich Farben erscheinen, beschreibt der Farbwiedergabeindex CRI, die Wiedergabe gesättigter Rottöne der R9 Wert. Eine umfassendere Bewertung erlaubt das Verfahren nach TM-30.
Eine hohe Lichtausbeute und eine hohe Farbwiedergabe stehen technisch in einem Zielkonflikt. Ein Teil des Lichts wird in der Leuchtstoffschicht umgewandelt, und je breiter das entstehende Spektrum ist, desto natürlicher wirken Farben, desto geringer fällt aber die Lichtausbeute aus. Wie sich das Spektrum zusammensetzt, ordnen wir beim Lichtspektrum ein.
- Effizienz Lichtausbeute Wie viel Licht je Watt entsteht, immer bezogen auf einen Strom und eine Sperrschichttemperatur.
- Farbe Wiedergabe und Farbort Wie natürlich Farben wirken und wie eng die Lichtfarbe zwischen den Chips gefasst ist.
- Alterung Lichtstromerhalt Wie langsam der Lichtstrom über die Betriebszeit abnimmt, belegt durch Messreihen.
Wie wirken Betriebsstrom und Temperatur auf den LED Chip?
Derselbe LED Chip verhält sich völlig unterschiedlich, je nachdem mit welchem Strom er betrieben wird und wie warm er dabei ist. Diese beiden Größen sind der eigentliche Hebel in der Konstruktion einer Leuchte.
Mit steigendem Strom nimmt der Lichtstrom zwar zu, aber nicht proportional. Die Lichtausbeute je Watt sinkt, und die Verlustwärme steigt überproportional. Gleichzeitig senkt eine höhere Sperrschichttemperatur den Lichtstrom zusätzlich und beschleunigt die Alterung der Leuchtstoffschicht.
Ein Chip, der mit halbem Nennstrom betrieben wird, liefert deutlich mehr Lumen je Watt und altert langsamer als derselbe Chip am Limit. Genau darin unterscheiden sich professionelle Leuchten von günstigen, wie wir bei professionellen und günstigen LED Leuchten ausführen. Wie die Wärme aus dem Chip gelangt, erklären wir beim Thermomanagement.
Wie sich Betriebsstrom und Sperrschichttemperatur auf den LED Chip auswirken.
| Größe | Wenn sie steigt | Folge für die Leuchte |
|---|---|---|
| Betriebsstrom | Mehr Lichtstrom je Chip, aber weniger Lumen je Watt | Weniger Chips nötig, dafür höhere Stromkosten und schnellere Alterung |
| Verlustwärme | Steigt überproportional mit dem Strom | Größerer Kühlkörper nötig, sonst steigt die Sperrschichttemperatur |
| Sperrschichttemperatur | Lichtstrom sinkt, Alterung beschleunigt sich | Geringere Beleuchtungsstärke im Betrieb als im Datenblatt |
| Vorwärtsspannung | Sinkt leicht mit steigender Temperatur | Muss bei der Auslegung des Treibers berücksichtigt werden |
| Farbort | Kann sich mit Strom und Temperatur leicht verschieben | Sichtbare Unterschiede zwischen unterschiedlich belasteten Leuchten |
Die Auslegung des Betriebspunkts ist die wichtigste Einzelentscheidung in der Konstruktion einer LED Leuchte.
Warum sind Chipwerte nicht mit den Werten der Leuchte identisch?
Zwischen dem Chiplichtstrom aus dem Datenblatt und dem Licht, das im Raum ankommt, liegen mehrere Verluste. Wer beide Werte verwechselt, rechnet eine Anlage systematisch zu optimistisch.
Der erste Verlust entsteht in der Optik. Linsen, Reflektoren und Abdeckungen halten immer einen Teil des Lichts zurück. Der zweite entsteht durch die Temperatur: Chipwerte werden meist bei einer niedrigen, im Betrieb nicht erreichbaren Sperrschichttemperatur gemessen. Der dritte entsteht im Treiber, dessen Verluste zur Leistungsaufnahme der Leuchte gehören.
Nur der Leuchtenlichtstrom lässt sich für eine Lichtberechnung verwenden. Wie Lichtstrom und Leistung zueinander stehen, ordnen wir bei Lumen und bei Lumen pro Watt ein, die Rolle der Elektronik bei den LED Treibern.
Wo zwischen Chip und Raum Licht verloren geht.
| Stufe | Was dort geschieht | Wie es im Datenblatt sichtbar wird |
|---|---|---|
| Chip im Laborzustand | Messung bei definiertem Strom und niedriger Sperrschichttemperatur | Höchster Wert, steht im Chipdatenblatt |
| Chip im Betriebspunkt | Höhere Temperatur senkt den Lichtstrom | Nur erkennbar, wenn die Leuchte Werte bei Betriebstemperatur nennt |
| Nach der Optik | Linsen, Reflektoren und Abdeckung halten Licht zurück | Leuchtenlichtstrom im Datenblatt der Leuchte |
| Systemleistung | Treiberverluste kommen zur LED Leistung hinzu | Leistungsaufnahme der kompletten Leuchte am Netz |
| Nach Jahren im Betrieb | Alterung von Chip, Leuchtstoff und Optik | Über Wartungswert und Lichtstromerhalt beschrieben |
Ein Angebot, das den Chiplichtstrom als Leuchtenlichtstrom angibt, führt zu einer zu gering ausgelegten Anlage.
Was bedeutet Binning und warum ist es wichtig?
LED Chips sind Produkte eines Halbleiterprozesses, und der streut. Innerhalb einer Fertigungscharge unterscheiden sich die Chips in Helligkeit, Vorwärtsspannung und Farbort. Deshalb werden sie nach der Fertigung sortiert.
Diese Sortierung heißt Binning. Je enger die Gruppen gefasst sind, desto einheitlicher wirken die daraus gebauten Leuchten. Das Verfahren erklären wir ausführlich beim Binning, die Beschreibung der zulässigen Abweichung über SDCM und die dahinterliegenden MacAdam Ellipsen.
Ohne enge Sortierung fallen Farbunterschiede spätestens bei der ersten Nachbestellung auf. Was das für das Erscheinungsbild einer Anlage bedeutet, ordnen wir bei der Farbkonsistenz ein. Besonders sichtbar wird das dort, wo Flächen und Waren beurteilt werden, etwa bei der LED Ladenbeleuchtung und der LED Autohausbeleuchtung.
- Helligkeit Lichtstromgruppen Chips werden nach abgegebenem Lichtstrom gruppiert, damit Leuchten einer Serie gleich hell sind.
- Farbort Lage im Farbraum Enge Farbgruppen verhindern sichtbare Unterschiede zwischen benachbarten Leuchten.
- Spannung Vorwärtsspannung Gleichmäßige Spannungswerte erleichtern die Auslegung des Treibers und die Stromverteilung.
Wie wird der Lichtstromerhalt von LED Chips belegt?
Eine Angabe wie 50.000 Stunden ist nur dann belastbar, wenn sie auf Messungen beruht. Für LED Bauteile gibt es dafür ein etabliertes Vorgehen aus zwei Schritten.
Im ersten Schritt wird der Lichtstromerhalt über eine lange Messdauer unter definierten Bedingungen erfasst. Dieses Messverfahren ist als LM-80 genormt. Im zweiten Schritt wird aus diesen Messdaten eine Aussage für längere Zeiträume abgeleitet, was das Verfahren TM-21 beschreibt. Erst daraus entsteht eine Angabe, die sich auf einen Betriebspunkt umrechnen lässt.
Ohne Messdaten nach diesem Vorgehen ist jede Stundenangabe eine Schätzung. Wie die Ergebnisse als Kennwerte ausgedrückt werden, erklären wir bei L70, L80 und B10, den Verlauf über die Jahre bei der LED Lebensdauer.
Wie aus Messdaten eine belastbare Lebensdauerangabe für LED Leuchten entsteht.
| Schritt | Was geschieht | Ergebnis |
|---|---|---|
| Messung des Lichtstromerhalts | Bauteile werden über eine lange Dauer bei definierten Temperaturen und Strömen gemessen | Messreihe über die tatsächliche Abnahme des Lichtstroms |
| Auswertung und Hochrechnung | Aus der Messreihe wird eine Aussage für längere Zeiträume abgeleitet | Angabe des Lichtstromerhalts für eine genannte Betriebsdauer |
| Übertragung auf die Leuchte | Betriebsstrom und tatsächliche Sperrschichttemperatur werden eingesetzt | Lebensdauerangabe der Leuchte, zum Beispiel L80 bei 50.000 Stunden |
| Ergänzung um die Ausfallrate | Anteil der Leuchten, die bis dahin komplett ausfallen | Vollständige Angabe in der Form L80B10 |
Die Kette bricht an jeder Stelle, an der eine der Bedingungen nicht genannt wird.
Warum sind dokumentierte Marken-LED-Chips sinnvoll?
Der praktische Unterschied zwischen dokumentierten Marken-Chips und nicht benannten Chips liegt nicht im ersten Eindruck, sondern in der Nachprüfbarkeit. Nur mit veröffentlichten Daten lässt sich eine Leuchte rechnen, planen und über Jahre nachbestellen.
August Müller Lichttechnik setzt LED Chips von Lumileds ein. Welche Rolle die Komponentenwahl insgesamt spielt, ordnen wir bei den Premium-Markenkomponenten ein, den Gesamtzusammenhang bei der LED Qualität.
Ein benannter Chip ist kein Qualitätsversprechen, aber die Voraussetzung dafür, Qualität überhaupt prüfen zu können. Wo sich das im Betrieb auswirkt, zeigt sich bei der Ausfallsicherheit von LED Leuchten, und in der Praxis vor allem in Anlagen wie der LED Industriebeleuchtung und der LED Produktionsbeleuchtung.
- Rechnen Auslegung im Betriebspunkt Mit bekannten Werten lässt sich der tatsächliche Lichtstrom bei Betriebstemperatur bestimmen.
- Planen Lebensdauer abschätzen Messdaten zum Lichtstromerhalt machen Wartungs- und Austauschzyklen kalkulierbar.
- Nachkaufen Gleiches Licht später Sortierte Chargen und verfügbare Typen sorgen dafür, dass Nachbestellungen zur Anlage passen.
Worauf ist bei Lagerung und Verarbeitung von LED Chips zu achten?
LED Bauteile sind empfindlicher, als ihr robustes Aussehen vermuten lässt. Zwei Punkte sind in der Verarbeitung entscheidend: Feuchtigkeit und elektrostatische Entladung.
LED werden in der Regel feuchtigkeitsdicht mit Trockenmittel und Feuchteindikator verpackt geliefert. Nach dem Öffnen gilt eine begrenzte Verarbeitungszeit unter definierten Bedingungen. Wird sie überschritten, muss vor dem Löten getrocknet werden, weil eingelagerte Feuchtigkeit beim schnellen Aufheizen im Reflow-Ofen zu Schäden am Gehäuse führen kann. Die zulässigen Zeiten gibt der Hersteller auf der Verpackung an.
Falsch gelagerte oder unsachgemäß verarbeitete LED sind ein häufiger und von außen nicht erkennbarer Grund für Frühausfälle. Hinzu kommt die Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischer Entladung, die eine entsprechend geschützte Fertigungsumgebung erfordert.
Worauf bei der Lagerung und Verarbeitung von LED Bauteilen zu achten ist.
| Thema | Anforderung | Folge bei Missachtung |
|---|---|---|
| Feuchtigkeit | Lagerung in dichter Verpackung mit Trockenmittel und Indikator | Schäden am Gehäuse beim Löten, Frühausfälle im Feld |
| Verarbeitungszeit nach dem Öffnen | Begrenzte Zeit unter definierten Bedingungen einhalten | Trocknung vor dem Löten wird zwingend erforderlich |
| Elektrostatische Entladung | Geschützte Arbeitsplätze und Handhabung | Unsichtbare Vorschädigung des Halbleiters |
| Löttemperatur und Lötprofil | Vorgaben des Herstellers einhalten | Veränderte Farborte, geschädigte Leuchtstoffschicht |
| Lagerdauer | Herstellerangaben zur Langzeitlagerung beachten | Lötbarkeit der Anschlussflächen nimmt ab |
Diese Anforderungen betreffen die Fertigung. Für Betreiber sind sie ein Grund, auf eine dokumentierte und überwachte Produktion zu achten.
Kann man LED Chips einzeln kaufen und tauschen?
Lose LED Chips sind im Handel erhältlich, für den Betrieb einer gewerblichen Beleuchtungsanlage aber praktisch ohne Bedeutung. Ein einzelner Chip ist auf eine Platine gelötet, thermisch mit dem Kühlkörper verbunden und in seiner Stromversorgung fest mit dem Treiber verknüpft.
Ein Austausch einzelner Chips würde Reflow-Löten, eine definierte Wärmeanbindung und eine passende Sortierung nach Farbort und Helligkeit erfordern. Getauscht wird deshalb das komplette LED Modul, sofern die Leuchte dafür ausgelegt ist, oder die Leuchte selbst.
Wir verkaufen keine losen LED Chips, sondern fertige Leuchten mit benannten Komponenten und vollständigen Datenblättern. Welche Bauformen es dafür gibt, sehen Sie bei den LED Hallenstrahlern für Hallen und Produktionsbereiche, bei den LED Flutlichtstrahlern für Freiflächen und Sportanlagen und bei den LED Panels für Innenräume mit abgehängten Decken.
- Modul LED Modul tauschen Bei Leuchten mit zugänglichem und dokumentiertem Modul ist das der übliche Weg.
- Treiber Erst die Elektronik prüfen Fällt eine Leuchte komplett aus, liegt die Ursache häufiger im Treiber als in den Chips.
- Anlage Ursache im Stromkreis suchen Fallen mehrere Leuchten gleichzeitig aus, sollte das Schutzkonzept der Anlage geprüft werden.
Häufige Fragen zu LED Chips
Was ist ein LED Chip?
Ein LED Chip ist der Halbleiter, der das Licht erzeugt. An seinem Übergang zwischen zwei unterschiedlich dotierten Schichten entsteht beim Stromfluss Licht. Für weißes Licht wird meist ein blau strahlender Chip mit einer Leuchtstoffschicht kombiniert, die einen Teil des blauen Lichts in längere Wellenlängen umwandelt.
Was ist der Unterschied zwischen SMD und COB?
Bei SMD sitzt jeder Chip in einem eigenen kleinen Gehäuse auf der Platine, bei COB werden mehrere Chips direkt auf einen gemeinsamen Träger gesetzt und zusammen mit Leuchtstoff bedeckt. SMD erzeugt viele kleine Lichtpunkte, COB eine zusammenhängende leuchtende Fläche.
Welche Bauform ist besser, SMD oder COB?
Keine der beiden ist grundsätzlich besser. SMD verteilt die Wärme auf mehr Fläche und eignet sich für breite Lichtverteilungen, COB liefert eine kompakte Lichtquelle für enge Bündelung und gleichmäßige Flächen. Die Entscheidung folgt aus der gewünschten Lichtverteilung.
Woran erkennt man einen hochwertigen LED Chip?
An dokumentierten Werten für Lichtstrom, Vorwärtsspannung, Farbort und Lichtausbeute bei definiertem Strom und definierter Sperrschichttemperatur, an einer engen Sortierung nach Helligkeit und Farbort und an Messdaten zum Lichtstromerhalt über lange Betriebszeiten.
Warum liefert eine Leuchte weniger Lumen als die Summe ihrer Chips?
Weil zwischen Chip und Raum zwei Verluste liegen. Die Optik hält einen Teil des Lichts zurück, und im Betrieb liegt die Sperrschichttemperatur deutlich über der Labortemperatur, bei der die Chipwerte gemessen wurden. Beide Effekte sind normal und müssen im Datenblatt der Leuchte berücksichtigt sein.
Was bedeutet Binning bei LED Chips?
Binning ist die Sortierung der gefertigten Chips in Gruppen nach Helligkeit, Vorwärtsspannung und Farbort. Je enger diese Gruppen gefasst sind, desto einheitlicher wirken die daraus gebauten Leuchten, auch bei einer Nachbestellung Jahre später.
Was sind LM-80 und TM-21?
LM-80 beschreibt ein genormtes Messverfahren für den Lichtstromerhalt von LED Bauteilen über eine lange Messdauer. TM-21 beschreibt, wie sich aus diesen Messdaten eine Angabe für längere Zeiträume ableiten lässt. Beide zusammen sind die Grundlage belastbarer Lebensdauerangaben.
Wie lange halten LED Chips?
LED Chips fallen selten schlagartig aus, sie verlieren langsam an Lichtstrom. Wie schnell das geschieht, hängt vor allem von der Sperrschichttemperatur und vom Betriebsstrom ab. Ohne diese beiden Angaben ist eine Stundenzahl nicht aussagekräftig.
Wie müssen LED Chips gelagert werden?
LED Bauteile sind in der Regel feuchteempfindlich und werden feuchtigkeitsdicht mit Trockenmittel verpackt geliefert. Nach dem Öffnen gilt eine begrenzte Verarbeitungszeit unter definierten Bedingungen, danach ist vor dem Löten ein Trocknungsvorgang nötig. Die Vorgaben stehen auf der Verpackung des Herstellers.
Kann ich einzelne LED Chips in einer Leuchte tauschen?
In der Praxis nicht sinnvoll. Die Chips sind auf eine Platine gelötet und thermisch mit dem Kühlkörper verbunden. Getauscht wird deshalb das komplette LED Modul, sofern die Leuchte dafür ausgelegt ist. Wir verkaufen keine losen LED Chips, sondern fertige Leuchten mit dokumentierten Komponenten.
Welche LED Chips verbaut August Müller Lichttechnik?
Wir setzen LED Chips von Lumileds ein. Ihre Daten sind veröffentlicht, die Chargen sind nach Helligkeit und Farbort sortiert, und der Lichtstromerhalt ist über Messreihen belegt. Damit lässt sich jede Leuchte auf ihren Betriebspunkt auslegen.
Weiterführende Inhalte zu LED Chips und Leuchtenqualität
Aus guten Chips wird erst mit guter Auslegung eine gute Leuchte
Wie eine anspruchsvolle Halle ausgestattet wurde, zeigt unser Projektbericht zur Bootslagerhallenbeleuchtung im Sporthafen Kiel. Eine Sportanlage mit hohen Anforderungen an Gleichmäßigkeit zeigt unser Projektbericht zur Tennisplatzbeleuchtung beim VfL Grafenwald, weitere Anlagen finden Sie in unseren LED Projektberichten und Referenzen.
Wofür wir stehen und wie wir unsere Leuchten auslegen, lesen Sie auf unserer Seite über August Müller Lichttechnik. Grundlagen zu Technik, Normen und Lichtplanung erklärt unser LED Ratgeber, alle Leuchten finden Sie im Online-Shop für professionelle LED Beleuchtung.