Wie funktioniert eine LED?

Die Funktionsweise einer LED

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 einzutauchen.

Wie eine LED funktioniert

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 kamen 1967 auf den Markt (zunächst Rot, dann weitere Farben), welche meist als Funktionslicht an technischen Geräten eingesetzt wurden und bis heute werden. 1995 kamen 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 und erscheinen weiß. Die Lichtleistung bei eher blaueren bzw. kühleren Lichtfarben (5000K-6000K) fallen in der Regel höher aus als bei wärmeren Farbtönen (2700K).

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.

Arten Licht Emittierender Dioden

  • High-Power und Low-Power

    Als High-Power LEDs bezeichnet man Licht Emittierende Dioden, die mit mehr als 20mA betrieben werden. Alle anderen bezeichnet man als sogenannte Low-Power Dioden. 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 lötbare LED 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 können. 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 und flexible Leuchten sind somit möglich.

Wie funktioniert eine SMD LED
  • Die COB LED (Chip-on-Board)

    Bei COB LEDs wird der Halbleiterkristall direkt und gehäust auf das Aluminium- oder Keramik-Board (Leiterplatte) geklebt und mit Bond-Drähten elektrisch verbunden. Dies ermöglicht eine sehr gute Wärmeableitung auf sehr kleinem Raum. Durch die weniger komplexe Fertigung ist zudem ein sehr gutes Preisleistungsverhältnis möglich. Der Abstrahlwinkel wird 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. 

Wie funktioniert eine COB LED