LED
Vorlage:Dieser Artikel Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, kurz LED für Light Emitting Diode bzw. lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge ab.
Inhaltsverzeichnis
Aufbau
Die Zeichnung zeigt den Aufbau einer bedrahteten Leuchtdiode. Der Halbleiterkristall ist in einer Reflektorwanne eingebettet. Das Bild darunter zeigt den Reflektor nach Entfernen der transparenten Kunststoffummantelung. Der rechteckige Draht, der den Reflektor trägt, stellt bei den meisten LEDs den Kontakt zur Kathode her und nimmt die Verlustwärme auf. In der Mitte des Kristalls erkennt man Reste des Bonddrahts, der den Kontakt zur Anode herstellt.
Im linken Bild ist der Bonddraht rechts oberhalb des Trägers als horizontale Linie erkennbar. Die Kathode (–) ist durch eine Abflachung links am Gehäusesockel markiert. Bei fabrikneuen LEDs ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel: Kathode = kurz = Kante). Bei den meisten LEDs ist der Reflektor die Kathode, dann gilt auch die Merkregel, dass die (technische) Stromrichtung von dem Pfeil, den die Anode (+) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird. In seltenen Fällen ist der Aufbau umgekehrt.
Hochleistungs-LEDs werden mit höheren Strömen betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder in den LED-Körper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden.
Die industrielle Verarbeitung von bedrahteten LEDs ist aufwändig und teuer. LEDs werden daher hauptsächlich in SMD-Gehäuseform hergestellt. Eine weitere Möglichkeit ist das direkte „Bonden“ des LED-Chips auf der Platine (chip on board).
Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (zwei oder drei) Dioden in einem Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode oder Kathode und einen Anschluss für jede Farbe. Bei einer Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei LED-Kristalle in Gegenrichtung parallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine Wechselspannung regt beide Dioden an und erzeugt eine Überlagerungsfarbe.
Funktionsprinzip
Der Halbleiter einer LED bildet eine Diode. Durch Anlegen einer Spannung in Durchlassrichtung wandern Elektronen zur Rekombinationsschicht am p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln, sie rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern. Bei Silizium-Dioden erfolgt der Übergang strahlungslos durch Phononenanregung, indem das Gitter den Impuls der Teilchen aufnimmt. Der direkte Übergang bei Gallium-Arsenid (GaAs) geht mit der Aussendung eines Photons einher. Ein weiterer Ursprung der Photonen besteht in einer plasmonisch-polaronischen Wechselwirkung, die durch einen spinfreien Übergang direkt zur Emission eines Auger-Photoelektrons führt. Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei excitonischer Emission in grünen GaP-Leuchtdioden eine Rolle.
Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt das Verhalten der Energieübertragung. Im Unterschied zum sehr vereinfachten Bändermodell ist in der Grafik auf der Abszisse (x-Achse) der Impuls k aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate. Rechts ist kein direkter Strahlungsübergang vom oberen Leitungsband auf das untere Valenzband möglich, da sich nicht nur die Energie, sondern auch der Impuls [math]k[/math] verändert, im Gegensatz zum linken Beispiel (siehe auch Bandlücke).
Halbleitermaterialien mit direktem Übergang und Photonenwechselwirkung wie Gallium-Arsenid werden in der Literatur als direkte Halbleiter bezeichnet. Materialien mit indirektem Übergang wie Silizium werden als indirekte Halbleiter bezeichnet. Bei diesen tritt Phononenwechselwirkung auf, das ist eine Gitterschwingung, die zur Erwärmung des Halbleiters führt. Für LEDs kommen als Werkstoff nur direkte Halbleitermaterialien zur Anwendung.
Die Größe der Energielücke E''-E' bestimmt die Farbe des ausgesandten Lichtes:
- [math] \lambda(W_D) = \frac{h \cdot c}{W_D} \,\qquad\qquad \mathrm{mit}\quad W_D = E''-E' [/math]
bzw. als Zahlenwertgleichung
- [math] \lambda(W_D) = \frac{1240 \, {\rm nm \, eV}}{W_D} \, [/math]
- λ(WD): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für Zahlenwertgleichung in nm, wenn [math]W_D[/math] in eV eingesetzt wird.)
- h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10-34 Js = 4,13567 · 10-15 eVs
- c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 108 ms-1
- WD: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in eV), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.
Die Größe der Bandlücke und damit die Farbe lassen sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. Beispielsweise hat der Halbleiter GaAs einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm. Eine Zugabe von Phosphor vergrößert ihn, verformt aber auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 % der As-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand bei fast 2 eV (650 nm). Dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt.
Eigenschaften
Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb ist z. B. der Einsatz in Signalanlagen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern, besonders effizient.
Als Lebensdauer einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute auf die Hälfte des Anfangwertes abgesunken ist. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Sie sind unempfindlich gegen Erschütterungen und haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen tausend Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu über 100.000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs und aktuellen Hochleistungs-LEDs. Hohe Temperaturen (z. B. durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer von LEDs drastisch.
Die hohe Schaltgeschwindigkeit der LED ist z. B. beim Einsatz in der Optoelektronik wichtig. Die Modulationsfrequenz beträgt bis zu 100 MHz.
Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie (s.u.), die u.a.. auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom wird durch den elektrischen Strom vorgegeben, zweckmäßig ist deshalb die Versorgung über eine Konstantstromquelle. Direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist nicht möglich, da der Arbeitspunkt nicht ausreichend genau eingestellt werden kann.
Die Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (z. B. bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis zu 1,5 A bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung Vf (für engl. forward voltage) liegt zwischen 1,3 V (Infrarot-LED) und ca. 4 V (InGaN-LED, grün, blau, UV).
Farben und Technologie
Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich (das entspricht im sichtbaren Bereich der Farbe) und die Effizienz lassen sich so beeinflussen:
- Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge
- Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, LWL bis 1000 nm
- Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
- Galliumphosphid (GaP) – grün
- Siliciumcarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
- Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte
- Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau und grün
- Kupferplumbid (CuPb) – Emitter im nahen Infrarot (NIR)
- Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer Phosphorschicht, die als Lumineszenz-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED)
Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt.
Weiße LED
Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz:
- Leuchtdioden verschiedener Farben z. B. Blau und Gelb (zwei LEDs) oder Rot, Grün und Blau (RGB) werden so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Es ist daher vorteilhaft, die LEDs räumlich nahe aneinander zu platzieren. Aus praktischen Gründen werden die verschiedenfarbigen LED-Chips oft zu einem Bauteil integriert.
- Eine LED wird mit photolumineszierendem Material (Fluoreszenzfarbstoff, Leuchtstoff) kombiniert. Ähnlich wie z. B. in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höher energetisches Licht (blaues Licht und Ultraviolettstrahlung) in langwelliges, niedriger energetisches Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren. Man kann z. B.eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und blau) oder eine blaue LED mit nur einem einzigen Leuchtstoff (gelb, meistens Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) kombinieren. So gefertigte Bauteile verfügen über gute Farbwiedergabeeigenschaften (Farbwiedergabeindex Ra-90). Die Verwendung mehrerer Farbstoffe verteuert allerdings den Herstellungsprozess und reduziert die Lichtausbeute.
Für Beleuchtungszwecke wird aus Kostengründen fast immer die Variante mit einer Leuchtdiode in Kombination mit Leuchtstoffen verwendet; weiße LEDs bestehen meistens aus einer blauen LED mit einer darüberliegenden gelblich fluoreszierenden Schicht aus Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver. Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen weniger als die Hälfte), ist das die wirtschaftlichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Fluoreszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.
Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand der Grafik rechts deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Fluoreszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den meisten roten Farbstoffen nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und z. B. in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LED hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt. RGB-LEDs hingegen (in der Grafik links zu sehen) erzeugen drei ziemlich „spitze“, d. h. schmalbandige Farbanteile. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im allgemeinen besser, was sich vor allem bei der Hinterleuchtung von Farb-LCDs in brillanten Farben bemerkbar macht – die Durchlasswellenlängen der Farbfilter der einzelnen einfarbigen Pixel des LCD können an die Emissionsmaxima der Leuchtstoffe angepasst werden. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen besonders am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe.
Weiße LED werden, wie auch Leuchtstofflampen, für unterschiedliche Arten (Farbtemperaturen) weißen Lichtes gefertigt, z. B. für „kalt“weißes, tageslichtähnliches Licht (Farbtemperatur 5500…6000 K) oder „warmes“ Licht ähnlich Glühlampen (2700…3000 K).
Pastellfarben
Aufgrund der möglichen Verwendung in der Unterhaltungselektronik, speziell für die Tastaturbeleuchtung von Mobiltelefonen und anderen Trend-Produkten, geht man inzwischen auch dazu über, insbesondere SMD-LEDs in Pastelltönen zu produzieren. Dazu wird im wesentlichen wie bei weißen LEDs vorgegangen, nur dass die Fluoreszenzschicht, die über den blau leuchtenden LED-Chip gelegt wird, nicht gelblich, sondern rötlich ist, wodurch dann Rosa („pink“) erzeugt wird. Um ein Pastell-Blau zu erzeugen, muss man nur die gelbliche Schicht etwas dünner machen als bei weißen LEDs, so dass ein höherer Blau-Anteil durchdringt. Da auch grüne LEDs mittlerweile zu den sehr wirtschaftlichen gehören, ist das gleiche auch mit grünen Chips möglich. Da nur Licht hoher Frequenz einen fluoreszierenden Stoff niedrigerer Frequenz zum Leuchten anregen kann, ist es nicht möglich, mit einer roten LED einen blau fluoreszierenden Stoff anzuregen, umgekehrt aber schon. Deswegen können für pastellfarbene LEDs praktisch nur Chips in den „Farben“ UV, Blau und Grün verwendet werden.
Binning
In vielen Einsatzbereichen werden durch Normen genau definierte Lichtfarben vorgegeben. Bedingt durch den Herstellungsprozess können bei LEDs eines Types und Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich auffallen. Generell geben alle LED-Hersteller Bereiche an, in denen ihre Produkte streuen. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als binning (engl.: Klasseneinteilung) bezeichnet.
Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den sogenannten „Flux bin“, die Durchlassspannung sowie den Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeprägte Farbstich liegt. Bzgl. der Farblage wird nicht nur unterschieden, in welchem Bereich der Farbmischung (tendenziell mehr rot oder grün oder blau) sie liegt, sondern welche Farbtemperatur die LED bei Nennstrom erzeugt.
Auch bei farbigen LED können die einzelnen Lichtfarben mit selektierten Toleranzen angeboten werden.
Informationen darüber, welchem „Bin“ (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, sind an den Hersteller gebunden (Datenblatt).
Einsatzbereiche
Nachdem die LED lange Zeit aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Lichtfarben hauptsächlich als Anzeigelampe in Siebensegment- und Punktmatrixanzeigen eingesetzt wurde, erschließen sich nun weite Einsatzbereiche z. B. auch in der Beleuchtungstechnik. Einige Einsatzbereiche sind:
- Statusanzeigen, beispielsweise Betriebsbereitschaft bei Geräten aller Art
- Leuchtmittel, um Glühlampen oder Halogenlampen zu ersetzen, z. B. in gesockelter Ausführung (siehe Bilder unten)
- Laufschriftanzeigen zur Informationsübermittlung in der Öffentlichkeit, aktive Verkehrszeichen im Straßenverkehr
- Infrarot-LED in Fernbedienungen, vor allem im Bereich der Unterhaltungselektronik
- Datenübertragung, sowohl analog zum Beispiel bei der Lichttonübertragung als auch digital
- LED-Bündel in Verkehrsampeln (statt gewöhnlicher Glühlampen mit Farbfiltern). Hier machen sich neben der längeren Lebensdauer auch die schnellere Ansprechzeit gegenüber Glühlampen und der größere Kontrast bei Sonnenlicht bemerkbar. Hauptgrund für den Einsatz farbiger LEDs in Verkehrsampeln ist jedoch die bessere Wirtschaftlichkeit, die durch den gegenüber farbgefilterten Glühlampen erheblich höheren Wirkungsgrad (Energieeinsparung) und die Wartungsfreiheit zustande kommt
- Siebensegmentanzeigen an Taschenrechnern und Messgeräten (dort inzwischen weitgehend abgelöst durch Flüssigkristallanzeigen)
- rote und gelbe LEDs für Anzeigen in Bereichen, wo die Dunkeladaptation des Auges nicht beeinträchtigt werden darf (Flugzeug-Cockpits, Schiffsbrücken, Sternwarten, im nächtlichen Geländeeinsatz (Militär oder Tierbeobachtung))
- Mobile Beleuchtung wie Taschenlampen, Fahrradbeleuchtung, Stirnlampen, zunehmend auch im Automobilbereich (ab 2007 auch als Frontscheinwerfer)
- als Teil von Bewegungs- und Abstandssensoren, beispielsweise bei der optischen Computermaus, für Lichtschranken und in triangulatorischen optischen Abstandssensoren
- zur Belichtung der Tonerwalze bei LED-Druckern
- zur Bildschirmhinterleuchtung (Mobiltelefone, kleine Bildschirme, Messgeräte)
- zur Beleuchtung (hohe Lebensdauer und Effizienz, geringe Wärmeentwicklung)
- zur Befeuerung
- RGB-Effektbeleuchtung mit änderbaren Lichtfarben
- im Medizinbereich (u. a. UV-LED zum Polymerisieren von Kunststoffen in der Zahntechnik, Beleuchtung)
- als Spannungsreferenz (statt Z-Dioden). Die LED wird dabei in Flussrichtung betrieben.
- als Scharfstellhilfe für den Autofokus in kompakten Kameras
- als Blitzleuchte anstelle von Elektronenblitzgeräten bei Digitalkameras und Foto-Handys
- in tageslichtfähigen Großbildschirmen, wobei jedes RGB-Tripel aus drei LEDs geformt wird.
- als Fassadenbeleuchtung von Gebäuden
- als Hinterleuchtung von TFT-Flachbildschirmen für Profi-Grafikanwendungen. Voraussetzung für die Darstellung eines Farbraums von mehr als 100 % ANSI ist die Verwendung eines RGB-Tripels, das bei besonders hohen Anforderungen durch weitere LED-Farben z. B. im Grünen ergänzt wird.
- als Museumsbeleuchtung, da keine UV- oder IR-Strahlung vorhanden ist, die Exponate schädigen würden.
LEDs werden auch kombiniert mit Vorwiderstand oder einer Blink-Elektronik im üblichen 5-mm-Gehäuse angeboten. Diese zu Meldezwecken konzipierten LEDs können ohne Vorwiderstand an den spezifizierten Spannungen (z. B. 12 oder 24 Volt) betrieben werden. Es gibt sie auch mit für kleine Glühlampen üblichen Sockeln (Ba9s) als langlebiger, erschütterungsresistenter Ersatz für Glühlampen in Anzeigen.
Geschichte
Henry Joseph Round beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer Lichtemission fähig sind. Er veröffentlichte seine Entdeckung noch im gleichen Jahr in der Zeitschrift „Electrical World“. 1921 entdeckte der russische Physiker Oleg Vladimirovich Losev den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis 1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des Einsteinschen, photoelektrischen Effektes zu deuten ist [1]. George Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.
In der Folgezeit konnte erst 1951 durch die Entwicklung des Transistors ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht und die Lichtemission erklärt werden. Zunächst wurde allerdings weiter mit Zinksulfid experimentiert. Erfolgreicher waren jedoch die Forschungen an den als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleiter. Ab 1957 konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz auf die Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) war von Bedeutung.
Andere Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode allerdings Nick Holonyak zu und datiert die Erfindung auf 1962 [2]. Aktueller Forschungsgegenstand sind organische Leuchtdioden, sogenannte „OLEDs“.
Im Laufe der Entwicklung, seit den ersten LEDs 1962, wurde die Lichtausbeute um ca. drei Größenordnungen von < 0,1 Lumen/Watt auf 100 Lumen/Watt gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen stattgefundenen Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen) auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, Quantenwells, transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er Jahre rot-gelb), wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er Jahre, grüne LEDs) und GaN (1980er/1990er Jahre, grün bis UV) entwickelt, so dass es LEDs in nahezu allen Farben des Spektrums (bis auf eine Lücke im grün-gelb-Bereich) gibt. Insbesondere nach Halbleitern, die Licht im kurzwelligen Bereich (blau, UV) effektiv erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war lange Zeit das Dotieren eines p-leitenden Bereichs von geeigneten breitlückigen Halbleitern, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe von Akasaki in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Letzterer führte zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laser, seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumcarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist.
Die weitere Steigerung der Effizienz und die preiswertere Herstellung der Halbleiter ist das Ziel weiterer Entwicklungen. Gegenwärtig wird z. B. daran gearbeitet, sowohl transparente Trägermaterialien und Halbleiter-Materialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen. Die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) decken einen Teil der aktiven Fläche ab.
Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung von Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-basierten LEDs im blauen und UV-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses aus Silikonen gefertigt, womit Lebensdauern von 100.000 Stunden erzielt werden, was etwa 10 Jahren Dauerbetrieb entspricht.
Stand der Technik
Die effizientesten verfügbaren weißen LEDs erreichen eine Lichtausbeute von 40 bis 110 lm/W (Stand November 2007). Die Lichtausbeute liegt über der von Glüh- und Halogenlampen mit 17 bzw. 30 lm/W und mittlerweile gleichauf mit der von Leuchtstofflampen, 60–110 lm/W. Mit hoher Effizienz können auch LEDs in den Farben Orange-Rot und Grün hergestellt werden, hier werden Werte von über 50 lm/W erreicht. Die Effizienz anderer Farben, gemessen in Lumen pro Watt, fällt geringer aus, weil sich in dieser photometrischen Größe die farbabhängige Empfindlichkeit des menschlichen Auges widerspiegelt. Der physikalische Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer Energie in Licht wird dagegen nicht mit einer physiologischen Empfindlichkeitskurve bewertet und kann auch für andere Farben als Grün oder Orange-Rot bis zu 25 Prozent erreichen.
Die Leuchtdiodenhersteller arbeiten intensiv an der Erhöhung des Wirkungsgrades. Erst wenn dieser deutlich über Halogenlampen liegt, ist eine breite Anwendung im Automobilsektor für Frontscheinwerfer sinnvoll. Für Blink-, Rück- und Bremsleuchten sind die Helligkeiten schon heute ausreichend, und Leuchtdioden setzen sich hier immer mehr durch. Hauptargumente für den Einsatz sind dabei der Wegfall der Lampenwartung, was neue Designmöglichkeiten eröffnet, unter anderem, da die Lampengehäuse nicht mehr von innen zugänglich zu sein brauchen, und der vermutete Sicherheitsgewinn durch das schnellere Ansprechen einer LED-Bremsleuchte gegenüber Glühlampen.
Bereits jetzt ist die LED dabei, die Glühlampe in etlichen Spezialanwendungen zu verdrängen. Die Vorteile gegenüber der herkömmlichen Glühlampe: Die LED verbraucht weniger Energie, erzeugt weniger Wärme, ist unempfindlich gegenüber Erschütterungen, erreicht deutlich kürzere Schaltzeiten und hat bei niedriger Sperrschicht-Temperatur (!) eine hohe Lebensdauer. Die Helligkeit einer 1-W-Glühlampe entspricht etwa der einer LED mit 12 cd. So wird erwartet, dass Leuchtdioden in den nächsten Jahren die Glühlampe als Lichtquelle für Taschenlampen weitgehend ersetzen.
Für den großen Durchbruch müssen LEDs allerdings noch in zwei Bereichen verbessert werden. Einerseits muss die Effizienz (umgangssprachlich „Licht pro Watt“) verbessert werden, andererseits müssen noch leistungsstärkere LEDs entwickelt werden.
In Punkto Effizienz gab es Ende 2006 einen Durchbruch: Die Firmen Seoul Semiconductors und Cree haben Leuchtdioden mit 100 lm/W angekündigt, was auch verglichen mit den als effizient bekannten Gasentladungslampen ein guter Wert ist. Mittlerweile liefern Seoul Semiconductors, Cree und Philips Lumileds Leuchtdioden mit 80–110 lm/W aus (Stand September 2007).
Mitte Dezember 2006 kündigte Nichia sogar eine LED an, die in Labortests 150 lm/W erreicht haben soll. Diese LEDs werden in ihrer Effizienz nur noch von Natriumdampflampen (bis zu 200 lm/W) übertroffen. Die Serienfertigung steht aber noch aus.
Im September 2007 meldete Cree einen Rekord in der erzeugten Lichtmenge pro Chip. Im Labor gelang es, eine kaltweiße LED mit über 1000 lm bei einer Effizienz von 72 lm/W zu betreiben, die warmweisse Variante kam bei 52 lm/W immer noch auf 760 lm Lichtausbeute.
Hochleistungs-LEDs werden bereits als Serienprodukt auf dem Markt angeboten. Die Lichtkonzerne Philips und Osram bieten bereits Lösungen für Allgemeinbeleuchtung, Straßenbeleuchtung, Projektionsanwendungen und für Kfz-Scheinwerfer an. Der Durchbruch der LEDs im Frontbereich des Automobils wird mit der Einführung des Tagfahrlichts für alle EU-Neuwagen ab 2009 sein. Audi verwendet ebenso wie BMW bereits LEDs als Tagesfahrlicht.
Zur Anwendung von Hochleistungs-LEDs muss das optische System mit Primär- und Sekundärlinsen ausgelegt werden. Die hohen Ströme (typische Gruppierungsströme 350 mA bzw. 700 mA) als Konstantstrom verlangen spezielle Treiberbausteine (IC) und elektronische Lösungen zur Ansteuerung mit PWM. Das thermische Management bekommt durch die hohen Leistungen eine hohe Bedeutung. Dabei hat eine höhere Sperrschichttemperatur Tj (von engl. junction) eine Verminderung von Lebensdauer und Lichtleistung zur Folge. Eine „OSTAR LED“ besitzt eine elektrische Leistung von 10 bzw. 15 Watt (aktuell sogar 22 Watt mit bis zu 1100 Lumen Lichtausbeute, Stand September 2007), die über thermische Substrate (z. B. Metallkernleiterplatte) und einen Kühlkörper an die Umgebung abgeführt werden muss. Durch die gesteigerte Effizienz lässt sich so eine 20-Watt-Halogenglühlampe durch eine 10-Watt-LED ersetzen.
2007 galt für die Lichtausbeute handelsüblicher LED-Leuchten die Faustregel: Leistung der LED(s) multipliziert mit 4 ergibt die Leistung in Watt einer klassischen Glühlampe. Die besten LEDs erreichten bereits einen Faktor 4 gegenüber Halogenlampen, waren aber noch kaum in handelsüblichen Lampen anzutreffen.
2007/2008 kamen von vielen Hersteller Led-Glühlampen auf dem Markt für die üblichen E27 und E14 Sockel. Allerdings kammen sie auf max. 300 Lumen (entspricht etwa 30 W starkem konventionellem Leuchtmittel) Helligkeit.
Seoul Semiconductor gab Ende Februar 2008 die Entwicklung und Markteinführung der ultrahellen LED der Z-Power P7-Serie bekannt[3]. Die P7-Serie erreicht laut Herstellerangabe 900 Lumen bei 10 Watt, der Wirkungsgrad beträgt ca. 90 Lumen/Watt.
LED-Anschlussbeispiel
Die Helligkeit einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Die Maximaltemperatur des Halbleiters setzt ihr eine Grenze. Die LED fällt aus, wenn die Temperatur des Halbleiters ca. 150 °C übersteigt.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte Spannung reagiert. Bei einem ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Eine Leuchtdiode besitzt, typisch für Halbleiterdioden, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen große Stromänderungen.
Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie einer Leuchtdiode schematisch wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße Hochleistungsleuchtdiode mit einem Nennstrom von 350 mA. Diesen Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest man eine Durchlassspannung von ca. 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von ca. 1 W.
Eine LED sollte nicht unmittelbar an eine Spannungsquelle, wie z. B. eine Batterie, angeschlossen werden, wie ein Anwendungsbeispiel zeigt:
Eine weiße LED bleibt beim „Betrieb“ mit der Spannung 2,4 V (z. B. zwei Ni-Cd-Akkus à 1,2 V) dunkel. Bei 3 V (z. B. zwei Zink-Kohle-Primärzellen (handelsübliche nichtaufladbare „Batterien“) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku-Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %, ohne aktive Kühlung fällt die LED nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im Diagramm markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch Exemplarstreuungen der Halbleitereigenschaften bzw. lokale Temperaturerhöhungen. Daher kann der Strom auch bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LED mit einem Konstantstrom.
Betrieb mit Vorwiderstand
Eine Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer Festspannungsquelle [math]U_0[/math] besteht mit Hilfe eines Reihenwiderstands [math]R[/math]. Nachteile dieser Schaltung sind der schlechte Wirkungsgrad und die Spannungsabhängigkeit des benötigten Widerstandswertes [math]R[/math]. Ist [math]U_D[/math] der Spannungsabfall an der Diode im Betrieb, dann gilt
- [math]\frac{U_{0}-U_{D}}{I} = R \, [/math]
Beispiel: [math]U_{0}=4{,}5\ \mathrm{V},\ I=0{,}35\ \mathrm{A},\ U_{D}=3{,}4\ \mathrm{V} \rightarrow\ R=3{,}2\ \Omega\ (0{,}5\ \mathrm{W})[/math]
Betrieb mit Konstantstromquelle
Je nach Einsatzzweck kann es vorteilhaft sein, Leuchtdioden an einer Konstantstromquelle zu betreiben. Damit entfällt das Problem unterschiedlicher Vorwiderstände, die in ihrem benötigten Wert von der Versorgungsspannung abhängen. Die LED kann dann über einen sehr weiten Spannungsbereich mit einem konstanten Strom sicher betrieben werden.
Eine einfache Möglichkeit zur Realisierung einer Konstantstromquelle als Ersatz des Vorwiderstandes bietet ein JFET, der in Serie mit einer LED an eine Konstantspannungsquelle geschaltet wird. Nebenstehende Schaltung wird dabei statt des Reihenwiderstandes R in Serie zur LED geschaltet. Durch Wahl von [math]R_1[/math] kann die Stromstärke durch die LED eingestellt werden. Die Wahl des Widerstandwertes ist von den Parametern des JFET abhängig und – im Gegensatz zum Betrieb mit Vorwiderstand – nicht von der Versorgungsspannung. Überschlagsmäßig kann der Konstantstrom nach folgender Gleichung bestimmt werden:
- [math] I_D \approx \frac{U_{GS}}{R1} \, [/math]
([math]U_{GS}[/math] ist die Spannung zwischen Gate und Source; dieser Wert ist aus dem Datenblatt des jeweiligen JFET zu entnehmen und gleich der Spannung, die im Betrieb am Widerstand [math]R_1[/math] anliegt.)
Die mit dieser Schaltung erzielbaren typische Versorgungsspannungsbereiche können den Bereich von einigen wenigen Volt bis zu 100 Volt überstreichen und sind nur durch die Spannungsfestigkeit und maximale Verlustleistung des JFETs begrenzt. Hochleistungs-LEDs mit Betriebsströmen im Bereich einiger hundert Milliampere bis zu über einem Ampere werden zur Minimierung der Verluste an Schaltreglern betrieben.
Betrieb mittels DC-DC-Wandler
Die beiden vorherigen Schaltungen haben den Nachteil, daß sie bei Abweichungen zwischen Durchlassspannung und Betriebsspannung die Spannungsdifferenz einfach in Wärme umwandeln. Moderne Vorschaltgeräte wandeln ähnlich einem Transformator die Energie. Diese Geräte heißen DC-DC-Wandler und gibt es in drei prinziellen Formen:
- Tiefsetzsteller: Die Betriebsspannung ist höher als die Durchlassspannung, im Gegensatz zu Vorwiderstand oder Stromquelle wird die Spannungskonvertierung in ein Mehr an Strom umgewandelt.
- Hochsetzsteller: Die LED leuchtet trotz zu niedriger Betriebsspannung für einen direkten Betrieb.
- Sperrwandler: Die Betriebsspannung kann sowohl niederiger wie auch höher als die Durchlassspannung sein.
Durchlassspannung
Die Durchlassspannung oder auch Vorwärtsspannung bei Nennstrom (in vorwiegend englischsprachigen Datenblättern häufig als forward voltage angegeben) ist charakteristisch für den Dioden-Bautyp:
- GaAIAs/GaAs (rot und infrarot): 1,2–1,8 V
- InGaAIP (rot und Orange): 2,2 V
- GaAsP/GaP (gelb): 2,1 V
- GaP, InGaAlP (grün, ca. 570 nm): 2,2–2,5 V
- GaN/GaN (grün): 3,0–3,4 V
- InGaN (grün, 525 nm): 3,5–4,5 V
- InGaN (blau und weiß): 3,2–4 V
zum Vergleich:
- Schottky-Diode: 0,2–0,5 V
- Silizium-Diode: 0,6–1 V
Literatur
- DIN VDE 0100-799 (VDE 0100-799):2006-10 (zz. Entwurf) Errichten von Niederspannungsanlagen -Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Teil 799: Lichtwerbeanlagen mit Leuchtröhren und/ oder LED, VDE-Verlag, Berlin
Fußnoten und Einzelnachweise
- ↑ Deutsches Fernsehmuseum Wiesbaden-Technikstory
- ↑ Spektrumdirekt – Der erste Licht emittierende Transistor
- ↑ http://www.seoulsemicon.com/en/prCenter/news/view.asp?seq=45
Siehe auch
Weblinks
- Britney's Guide to Semiconductor Physics (engl.) – zur Theorie lichterzeugender Halbleiter
- Resource of technical information (engl.)
- LED Calculator (engl.)eu:LED diodogl:LEDis:Ljóstvisturka:მანათობელი დიოდებიml:എല്.ഇ.ഡി.nn:Lysdiode
