Leuchtdioden

Leuchtdioden (Light Emitting Diode, LED) sind sog. SSL-Lichtquellen (Solid State Lighting) – also eine Festkörper-Beleuchtung. Ihr Funktionsprinzip stützt sich auf Strahlrekombination (die das Licht generiert) von Trägern mit Halbleiterstuktur, den sog. Chips. Eine typische Leuchtdiode emittiert Licht in nur einer Farbe, die von dem eingesetzten Halbleiterstoff abhängt.

Um weißes Licht zu erzeugen, sollte man die Grundfarben rot, blau und grün miteinander vermischen. Damit dies gelingt, führt man in die Konstruktion der Leuchtdioden Luminophoren ein – Stoffe, die Licht mit höherer Energie (blaues oder UV-Licht) in Licht mit niedrigerer Energie (grünes bis rotes Licht) konvertieren. In dem Herstellungsprozess werden vor allem drei Verfahren zum Generieren von weißem Licht genutzt:

  • Blaue Diode mit einem Einkomponenten-Luminophor, der gelbes Licht generiert (Kombination von rotem und grünem Licht). Diese Dioden zeichnen sich durch eine einfache Ausführung und niedrigen Preis aus. Sie ermöglichen es, hohe Leistungswerte zu erzielen, weisen aber gleichzeitig einen geringen Farbwiedergabeindex CRI (Color Rendering Index) auf. Diese Art von Leuchtdioden ist die am häufigsten von LED-Herstellern genutzte Diode und wird überall dort angewandt, wo vor allem die Lichtausbeute gefragt ist und wo der Lichtqualität keine große Bedeutung beigemessen wird
  • Blaue Diode mit einem Zweikomponenten-Luminophor, der rotes und grünes Licht generiert. Die Verbindung einer blauen Lichtemission aus dem Leuchtdiodenchip mit dem von dem Luminophor generierten Licht mit einem entsprechenden Verhältnis der Komponenten ermöglicht es, weißes Licht, vom warmweißen Farbton, der einer herkömmlichen Glühlampenquelle (~2700K) ähnlich ist , über neutralweiß (~4000K) bis zum kalten Tageslichtweiß (>5000K) zu generieren. Diese Art von Leuchtdioden wird dann verwendet, wenn man eine ausgeglichene und zufriedenstellende Lichtausbeute und einen hohen Farbwiedergabeindex erreichen möchte.
  • UV-Diode mit einem Dreikomponenten-Luminophor (grünes, rotes und blaues Licht). Diese Art von Leuchtdioden ist der wohl komplexeste und fortgeschrittenste Diodentyp. Diese Leuchtdioden ermöglichen es, Licht mit dem höchsten Farbwiedergabeindex zu generieren, gleichzeitig ist aber deren Leistungsfähigkeit gering und die Lebensdauer verkürzt.

Nachfolgend werden spektrale Charakteristiken solcher Lichtquellen wie weiße Leuchtdiode, Leuchtstofflampe und Glühbirne angeführt.

Spektrum einer weißen Leuchtdiode

Spektrum świetlówki
(CandlePowerForums)

Spektrum einer Leuchtstofflampe

Spektrum żarówki
(CandlePowerForums)

Spektrum einer Glühbirne

Die Stromversorgung von Leuchtdioden erfordert eine Stromstabilisierung, im Gegensatz zu anderen Lichtquellen, die eine Spannungsstabilisierung verlangen. Dieses Merkmal der Leuchtdioden ergibt sich aus dem für diese Lichtquellen typischen negativen Spannungs-Temperaturkoeffizienten. Wenn die Leuchtdiode (insbesondere bei PowerLED) mit Konstantspannung versorgt wird, wird der Stromfluss, der durch die Diodencharakteristik U-I bestimmt wird, erzwungen. Der Stromfluss verursacht die Erhitzung der Konstruktion bewirkt, was wiederum zur Reduzierung der Leitfähigkeitsspannung der Leuchtdiode führt – dies hat zur Folge, dass der durch die Leuchtdiode fließende Strom ansteigt und eine weitere Erhitzung der Konstruktion verursacht, was zur Beschädigung der Leuchtdiode infolge von Überhitzung führt. Bei der Anwendung eines Gleichstromnetzteiles wird dieses Problem gelöst – wenn sich die Leuchtdiode erhitzt, wird die Leitfähigkeitsspannung reduziert, wobei die entnommene Leistung und die Wärmeproduktion verringert werden. Auf diese Weise bleiben die Betriebsbedingungen konstant (angenommen dass die ausgesonderte Wärme korrekt abgeleitet wird).

CRI

Color Rendering Index (CRI) – der sog. Farbwiedergabeindex – kurz gesagt ist dies ein Wert zwischen 0 und 100, der die von dem menschlichen Auge wahrgenommene Lichtqualität im Falle einer mit Hilfe einer bestimmten Lichtquelle beliebig beleuchteten Umgebung beschreibt. Je mehr sich dieser Index dem Wert 100 nähert, desto natürlicher kommen dem Menschen die einzelnen Farben vor. Den höchsten CRI-Wert weisen Glühlampenquellen und die Sonne auf. Leuchtstofflampen haben einen CRI-Wert von ca. 65 – 90. Leuchtdioden namhafter Hersteller, die zur Zeit in Beleuchtungssystemen Verwendung finden, weisen einen CRI-Wert von 75 – 95 auf./p>

In der Praxis ist der Unterschied zwischen CRI-Werten von Leuchtdioden des zweiten und dritten Typs heute ziemlich gering. Leuchtdioden, die mit einem Zweikomponenten-Luminophor ausgestattet sind, erreichen einen CRI-Wert von 90 – 95, herkömmliche Leuchtdioden mit nur einem Luminophor ca. 80 – 85, während UV-Dioden einen Wert von 95 – 98 aufweisen. Erwähnenswert ist, dass ein CRI-Wert von mindestens 80 in den meisten Beleuchtungssystemen für die menschliche Wahrnehmung völlig ausreichend ist. Ein CRI-Wert von über 95 ist nur dort erforderlich, wo es auf eine Farbwiedergabe von höchster Präzision ankommt (Museen, Kunstgalerien, OP)..

Porównanie źródła o tej samej temperaturze barwowej, ale różnych wartościach współczynnika CRI
(LightWell)
Vergleich von Lichtquellen mit derselben Farbtemperatur aber unterschiedlichen CRI-Werten

Farbtemperatur

Der Farbton von durch eine bestimmte Lichtquelle emittiertem Licht wird anhand der Farbtemperatur, deren Wert sich aus der Theorie der schwarzen Körper ergibt, beschrieben. Diese Theorie bezieht sich auf ein Objekt, das, nachdem es auf eine bestimmte, in Kelvin angegebene Temperatur erhitzt worden ist, Licht emittiert, welches als Warmweiß (<3300 K), Neutralweiß (zwischen 3300 K und 5000 K) oder Tageslichtweiß (>5000 K) wahrgenommen werden kann. Ein ausgezeichnetes Beispiel ist eine herkömmliche Glühbirne. Ihre Farbtemperatur beträgt ungefähr 2700 K (Warmweiß), weil ihr Leuchtstoff bis auf diesen Temperaturwert erhitzt worden ist.

Wykres CIE z zaznaczoną linią emisji ciała doskonale czarnego wraz z podanymi temperaturami barwowymi
(CandlePowerForums)
CIE-Normfarbsystem mit markierter Emissionslinie eines schwarzen Körpers samt angegebenen Farbtemperaturwerten

Lichtausbeute

Diese Größe wird in Lumen pro Watt (lm/W) angegeben. Sie bestimmt, wie viel Licht aus 1 Watt Stromenergie erreicht werden kann. Je höher dieser Wert, desto sparsamer ist der Betrieb einzelner Lichtquellen. Die Lichtausbeute einer herkömmlichen Glühbirne beträgt 10-12 lm/W, einer kompakten Leuchtstofflampe ca. 35 – 50 lm/W, einer linienförmigen Leuchtstofflampe 50 – 100 lm/W, während die Lichtausbeute einer typischen Leuchtdiode 100-150 lm/W beträgt.

Es ist zu beachten, dass die meisten mit herkömmlichen Glühbirnen bzw. Fluoreszenzglühbirnen ausgerüsteten Leuchten eine geringere effektive Lichtausbeute als die Lichtquelle allein aufweisen, da es im Inneren der Leuchte zur Spiegelung kommt. Bei Leuchtdioden ist der Lichstrom präzise in Richtung der Ebene, die beleuchtet werden soll, gerichtet.

Vergleich der Lichtausbeute bei verschiedenen Leuchtmitteln
(DOE, Solid-State Lighting Technology Fact Sheet)
Vergleich der Lichtausbeute diverser Lichtquellen

Leistungsfähigkeit von Leuchtdioden

In diesem Falle ist die Aufgliederung von Dioden einfach: man unterscheidet High-Power-Leuchtdioden – die sog. PowerLED – mit einer Leistung von über 1 W, Mid-Power-Leuchtdioden (mittlere Leistungsfähigkeit) mit einer Leistung von ca. 0,5 W und diverse Leuchtdioden mit einer Leistungsfähigkeit von weniger als 0,25 W.

Lebensdauer von Leuchtdiodeny

Ein ganz wesentlicher Parameter, der uns Auskunft darüber gibt, wie lange eine Leuchtdiode ihre Eigenschaften in einem bestimmten Beleuchtungssystem bei gleichzeitiger Emission von einem entsprechenden Lichtpegel hält. Leuchtdioden, vor allem die in Beleuchtungssystemen verwendeten Leuchdioden, weisen eine beschränkte Lebensdauer auf. Die Hersteller von Leuchtdioden geben am häufigsten die Lebensdauer für den L70-Koeffizienten an. Beispiel: die von dem Hersteller angegebene Lebensdauer von L70=50 000 Betriebsstunden bedeutet, dass die Leuchtdiode nach dieser Zeit 70% ihrer Nennhelligkeit aufweist. Im Falle von Beleuchtungssystemen ist dies ein Schwellenwert, nach dessen Unterschreiten die Leuchtdiode ihre Eigenschaften verliert und ausgetauscht werden muss.

Eine durchschnittliche Lebensdauer von Leuchtdioden beträgt zwischen 50 000 – 100 000 Betriebsstunden. Die Lebensdauer einer Lampe wird stets durch das die kürzeste Lebensdauer aufweisende Element bestimmt.

Die in unseren Konstruktionen verwendeten Leuchtdioden

In den Luxon-Produkten werden zwei Arten von Leuchtdioden LED OSRAM Duris E5 verwendet. Zur Zeit ist es die innovativste Mid-Power-Leuchtdiode, die auf dem Markt erhältlich ist. Ihre Lichtausbeute ist höher als 130 lm/W und ihre Lebensdauer in allen Luxon-LED-Beleuchtungssystemen beträgt für den gemäß der Verordnung der Europäischen Kommission Nr. 1194/2012 berechneten L70-Wert mehr als 50 000 Betriebsstunden. Die Leuchtdiode Duris E5 wird u.a. in den Leuchten Smart:LED und Intel:LED, also überall dort, wo es auf ein gleichmäßiges und stilvolles Licht ankommt, verwendet.

Die Leuchtdiode OSRAM Oslon Square wird mit 700mA Strom versorgt und weist eine extrem hohe Lichtausbeute von 150 lm/W und eine Lebensdauer von 100 000 Betriebsstunden für den L70-Koeffizienten auf. Sie ist mit einem Chip mit einer Fläche von 2 mm2 und einem Keramikgehäuse, das eine außergewöhnlich hohe Beständigkeit gegen Beschädigungen gewährleistet, ausgestattet. Diese Leuchtdiode wird in der Leuchte Highbay:LED und in den auf Bestellung verfügbaren Tracklight-Versionen verwendet.

Oslon Square
(OSRAM Opto Semiconductors GmbH)
Oslon Square

Duris E5
(LedTech)
Duris E5