LED TECHNIK:

Funktionsprinzip

Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode; Leuchtdioden besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silicium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt werden, ist das Ausgangsmaterial für Leuchtdioden ein direkter Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter.

Wird an eine Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang. Nach Übergang zur p-dotierten Seite geht das Elektron dann in das energetisch günstigere Valenzband über. Dieser Übergang wird Rekombination genannt, denn er kann auch als Zusammentreffen von einem Elektron im Leitungsband mit einem Defektelektron (Loch) interpretiert werden. Die bei der Rekombination frei werdende Energie kann in einem direkten Halbleiter als Licht (Photon) abgegeben werden.

Neben der direkten strahlenden Rekombination ist auch die Beteiligung von Exzitonen und Phononen möglich, was zu etwas weniger energiereicher Strahlung führt (Die Farbe des abgestrahlten Lichts wird ins Rötliche verschoben). Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.

Farben und Technologie

Blaue LED aus InGaN

Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich und die Effizienz lassen sich so beeinflussen:

Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt.

Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten Halbleitermaterials ab. Die Farbe entspricht direkt einer bestimmten Wellenlänge λ bzw. dem Kehrwert der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung.

Spektrale Charakteristik

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Wärmestrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von Leuchtdioden für allgemeine Beleuchtungszwecke werden meist blaue Leuchtdioden mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil. (Siehe auch Abschnitt LED-Leuchtmittel)

Lange Zeit konnten Leuchtdioden nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner Leuchtdioden war für Verkehrsampeln wegen der fehlenden Technologie für die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück.[2] Die Massenproduktion blaugrüner und danach blauer Leuchtdioden begann im Jahr 1993.

Optische Eigenschaften

Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkapselt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen der Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall. Er setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren, bestimmbaren Raumwinkel. Da Glas in der Regel einen höheren Brechungsindex als Kunststoff und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt werden. Das nicht entspiegelte Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa 10 %, auch weil es den Kristall nicht direkt berührt.

Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel.

Strahlungsleistung gegenüber Öffnungswinkel
Öffnungswinkel 180° 170° 160° 150° 140° 130° 120° 110° 100° 95° 90° 85° 80° 75° 70°
sr-Faktor 6,2832 5,7356 5,1921 4,6570 4,1342 3,6278 3,1416 2,6793 2,2444 2,0383 1,8403 1,6507 1,4700 1,2984 1,1363
Öffnungswinkel 65,55° 60° 55° 50° 45° 40° 35° 30° 25° 20° 15° 10°
sr-Faktor 1,0003 0,8418 0,7099 0,5887 0,4783 0,3789 0,2908 0,2141 0,1489 0,0955 0,0538 0,0239 0,0060 0,00024

 

Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel um die Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind mehrere Leuchtdioden notwendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende von der Kugelkalotte abgeleitete Gleichung, genutzt werden.

\mathrm {Anzahl} = \left\lceil \frac{2}{1 - \cos \left( \frac{X}{2} \right)} \right\rceil

X bezeichnet den Öffnungswinkel der LED.

Beispiel: Um eine starke 360°-Lampe mit Leuchtdioden (Parameter: 55° Öffnungswinkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm ≈ 50 lm/W (Lumen pro Watt) zu realisieren, sind 18 Leuchtdioden notwendig (eine LED mit 55° Öffnungswinkel beleuchtet ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2.880 lm, der eine Leistungsaufnahme von 54 W besitzt. Dieser Lichtstrom ist vergleichbar mit dem einer 300-Watt-Glühlampe.

Alterung

Lebensdauer in Einschaltstunden

Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist (L70B50-Wert)[Firma 2][Firma 3]. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen hundert Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs[Firma 4] bis zu über 100.000 Stunden (11,4 Jahre) bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei 15.000 bis 30.000 Stunden liegt. Gute Hersteller von LED-Leuchten erreichen jedoch durch eine optimale Auslegung ihrer Systeme deutlich bessere Werte und garantieren bis zu 100.000 Stunden wartungsfreien Betrieb. Das wird erreicht durch eine kostenaufwendige Selektion der Bauteile aller Komponenten (sowohl der LEDs als auch der Bauelemente des Treibers). Auch im Handel erhältliche LED-Leuchtmittel in Glühlampenform werden mit über 25.000 Stunden bis hin zu 45.000 Stunden Lebenszeit angegeben. Durch zu hohe thermische Belastungen, die durch die Bauform bedingt sind, erreichen sie diese Lebensdauer meist nur mit erheblichen Helligkeitsminderungen. Alternativen sind konsequent als LED-Leuchte entwickelte Komplettsysteme.[Firma 5][4][Firma 6][Firma 7]

Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus Silikongummi gefertigt, wodurch eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erzielt wird. Die Lösung ist eine thermisch optimierte Bauweise, welche oft nicht beachtet wird. Das führt zu Totalausfällen.

Diese Fehlfunktionen werden unter dem englischsprachigen Begriff Mortality (B) oder Totalausfall beschrieben. Steht im Datenblatt einer LED z. B. B50 bei 100.000 Std., bedeutet das, dass 50 % aller Testlampen nach 100.000 Std. durch Defekt ausgefallen sind. Manchmal wird auch der B10-Wert angegeben, d. h. die Zeitdauer, nach der 10 % der Testlampen nicht mehr funktionieren.

Die häufigsten Ursachen für Totalausfälle von LED-Leuchten sind jedoch im verwendeten Netzteil zu finden. Hier sind die verwendeten Kondensatoren zur Glättung der geregelten Kleinspannung das Problem, da diese thermisch empfindlich sind und mit zunehmender Temperatur exponentiell schneller altern. Oft sind sie auch aus Preisgründen von minderer Qualität. Das führt zum Ausfall der Stromversorgung, der nicht der LED angelastet werden kann.

Eine weitere Ursache kann eine Fehlfunktion auf Grund der Alterungsvorgänge in den verwendeten Materialien sein, zum Beispiel Ermüdungserscheinungen der Klebe- oder Bodenverbindungen.

Viele Schaltzyklen trotz spontan vollen Lichtstroms

Bei den meisten Marken-Leuchtmitteln wird heute die Lebensdauer in Stunden (zu erwartende Einschaltzeit über die Lebensdauer) auf der Verpackung angegeben. Glühlampen haben eine Lebensdauer von ca. 1.000 Stunden, Halogenleuchtmittel von ca. 2.000 Stunden, Energiesparleuchtmittel (ESL) von ca. 3.000 bis 12.000 Stunden. Werden ESL-Leuchtmittel jedoch häufiger als 3-mal pro Tag ein- und ausgeschaltet, wie es bei Fluren oder Treppenhäusern mit Bewegungsmeldern und Zeitschaltuhren der Fall ist, wird die auf der Leuchtmittelverpackung angegebene Lebensdauer in Einschaltstunden häufig nicht annähernd erreicht, weil normale Energiesparleuchtmittel ohne Angabe der Schaltzyklen auf der Verpackung nur für ca. 3000 Schaltzyklen gebaut sind.

Das Lebensdauer-limitierende Kriterium ist bei häufigen Ein-Ausschaltungen die Schaltfestigkeit, welche bei Qualitätsleuchtmitteln in Schaltzyklen auf der Verpackung angegeben wird. Bei sehr guten Energiesparleuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit vom Hersteller mit 10.000 bis 20.000 Schaltzyklen angegeben. Lediglich bei einer einzigen etwas teureren Energiespar-Leuchtmittel-Serie (Megaman Ingenium) gibt der Hersteller Megaman eine Schaltfestigkeit von 600.000 Schaltzyklen an. Diese ESL erreichen bzw. überbieten damit als einziges ESL-Produkt die Schaltfestigkeit von LED-Leuchtmitteln. Diese hochschaltfesten ESL benötigen jedoch im Unterschied zu den spontan hell werdenden LED-Leuchtmitteln ab dem Einschalten ca. 15 Sekunden bis zum Erreichen von 60 % des dauerhaft abgegebenen Lichtstroms. Dabei ist ein Schaltzyklus ein manuelles Ein- und Ausschalten des Netzstromes. Unabhängig davon kann die LED zudem noch gepulst sein, wobei die Pulse jedoch von der Elektronik selbst erzeugt werden. Diese Pulse zählen nicht zu den Lebensdauer-begrenzenden Schaltzyklen, welche bei guten LED-Leuchtmitteln seit 2012 meist mit der Produktspezifikation angegeben werden, sondern zur normalen Betriebsdauer, welche in Stunden angegeben wird.

Eine LED ist deutlich unempfindlicher gegenüber Schaltvorgängen als Glühlampen oder Energiesparleuchtmittel. Denn durch Schaltvorgänge wird sie üblicherweise gedimmt. Der begrenzende Faktor der Schaltzyklen von LED-Leuchtmitteln ist nicht der LED-Chip selbst, sondern die Vorschaltelektronik, wozu das eingebaute Netzteil oder die Steuerelektronik gehören. All diese Bauteile sind weitaus empfindlicher gegenüber Schaltungen und z. B. den damit verbundenen thermischen Wechselbelastungen als die LED selbst, die viele Millionen Schaltprozesse problemlos übersteht. LED-Leuchtmittel sind aber auch inklusive Vorschaltelektronik meist deutlich schaltfester als normale Energiesparlampen. Die Herstellerangaben für Qualitäts-LED-Leuchtmittel liegen meist im Bereich von 50.000 bis 1 Million Schaltzyklen. Bei billigeren LED-Leuchtmitteln wird die Schaltfestigkeit häufig auch 2013 noch nicht auf der Verpackung angegeben. In diesen Fällen muss man von einer Schaltfestigkeit in der Größenordnung von 20.000 Schaltzyklen ausgehen.

Dass LED-Leuchtmittel eine deutlich höhere Schaltfestigkeit als Energiesparleuchtmittel haben, ist auch neben der höheren Lebensdauer in Einschaltstunden und der höheren Lichteffizienz bzw. Lichtausbeute in Lumen pro Watt mit ausschlaggebend dafür, dass seit 2011 bei langer Einschaltzeit und vielen Ein/Aus-Schaltungen LED-Leuchtmittel in den meisten Fällen trotz höherer Anschaffungskosten insgesamt wirtschaftlicher als ESL oder Glühlampen sind.

LED-Leuchtmittel

Ab 2007 kamen von vielen Herstellern LED-Lampen für die üblichen E27- und E14-Glühlampensockel auf den Markt, sogenannte LED-Retrofit (auch Retrofit-LED genannt). Allerdings erreichten viele maximal 300 lm Helligkeit, was etwa einer 20 Watt starken konventionellen Glühlampe entspricht. Neben der für viele Zwecke ungenügenden Helligkeit wurde auch oft die bläuliche („kalte“) Lichtfarbe kritisiert. Während anfangs die Lichtfarbe noch ein Problem darstellte, erzeugen inzwischen einige LED-Lampen auch für den Wohnbereich angenehmes Licht, welches in der Farbwiedergabe der Energiesparlampe deutlich überlegen ist.[6] Seoul Semiconductor gab Ende Februar 2008 die Entwicklung und Markteinführung ultraheller LEDs bekannt, die 900 Lumen bei 10 Watt leisten.[Firma 8] Das gleicht etwa der Helligkeit einer Glühlampe mit 75 W oder der einer Energiesparlampe mit 17 W. Um die emittierte Farbe einer LED zu beeinflussen, werden die Halbleiterkristalle in lumineszensierende Stoffe eingebettet oder eingekapselt. Das primäre Licht aus dem p-n-Übergang wird in diesen Stoffen durch Fluoreszenz oder Phosphoreszenz in andersfarbiges Licht umgewandelt. Zudem wird die additive Farbmischung zwischen dem Lumineszenzlicht und dem primären Licht genutzt.

Weiße LED

Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz:

  • Verschiedene Chips (selten verwendet): Blaue Leuchtdioden werden mit gelben oder mit roten und grünen so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten erforderlich. Aus praktischen Gründen werden zumindest die LED-Chips in einem Bauteil integriert.
  • Lumineszenz: Eine blaue oder UV-LED wird mit photolumineszierendem Material (Lumineszenzfarbstoff, Leuchtstoff) kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höherenergetisches Licht (blaues Licht und Ultraviolettstrahlung) in langwelligeres Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren. Seltener wird eine UV-LED mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen (rot, grün und blau) kombiniert, was eine gute Farbwiedergabe bis Ra = 90 erlaubt. Die Verwendung mehrerer Farbstoffe verteuert allerdings den Herstellungsprozess und reduziert die Lichtausbeute.
Für Beleuchtungszwecke wird deshalb fast immer eine blaue LED mit nur einem gelben Leuchtstoff kombiniert, meist 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, aber mit dem Nachteil eines Blaustichs des weißen Lichts. Der Ultraviolett-Anteil, den blaue LEDs am kurzwelligen Ausläufer ihres Strahlungsspektrums aussenden, wird durch die Lumineszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt.
  • Verschiedene Chips in Kombination mit Lumineszenz: Hersteller höherwertiger LEDs für Raumbeleuchtung verwenden mittlerweile weiße Lumineszenz-LEDs in Kombination mit roten Power-LEDs, um einen besseren Farbraum bis hin zum Rot zu erreichen. Teilweise werden blaue und rote LEDs unter einer lumineszierenden Kappe des einschraubbaren Leuchtkörpers montiert.

Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid epitaktisch, meist mittels MOVPE, auf einen Träger (Substrat) aus Saphir aufgebracht. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. Die lichtemittierende Schicht besteht in der Regel aus InGaN, deren blaues Licht vom Leuchtstoff teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird. In einem neuen Verfahren[7], dessen wesentliche Grundlagen im Jahr 2000 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt wurden, wird das teure Saphirsubstrat durch Silicium ersetzt.[Firma 9] Auf das Silicium wird dann nach einer ersten AlN-Schicht das Galliumnitrid aufgewachsen. Effizient sind solche LEDs jedoch nur, wenn das lichtabsorbierende Siliciumsubstrat entfernt und durch eine hochreflektierende Schicht, meist auf Silberbasis, ersetzt wird, wie es für Hochleistungs-LEDs auf Saphirsubstraten inzwischen der Fall ist. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliciumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden und der Ablöseprozess vom Substrat wird stark vereinfacht.

Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand obiger Grafik in der rechten Hälfte deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Lumineszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LEDs hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.

RGB-LEDs hingegen (in der linken Hälfte der Grafik wiedergegeben) erzeugen drei relative schmale Peaks im Spektrum, was für Licht in drei engen Frequenzbändern steht. 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 LCDs können an die Emissionsmaxima der Leuchtstoffe angepasst werden. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen allerdings besonders am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe.

Weiße LEDs werden wie Leuchtstofflampen auch für unterschiedliche Arten (Farbtemperaturen) weißen Lichtes gefertigt. Übliche Kategorien sind das „kaltweiße“, tageslichtähnliche Licht (Farbtemperatur 5500–6000 K) und das „warmweiße“ Licht, ähnlich dem der Glühlampen (2700–3000 K).

Pastelltöne

Aufgrund der möglichen Verwendung in der Unterhaltungselektronik, speziell für die Tastaturbeleuchtung von Mobiltelefonen und anderen Trendprodukten, 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 Lumineszenzschicht, die über den blau leuchtenden LED-Chip gelegt wird, nicht gelblich, sondern rötlich ist, wodurch dann Rosa („pink“) erzeugt wird. Um ein Pastellblau zu erzeugen, muss man nur die gelbliche Schicht etwas dünner machen als bei weißen LEDs, so dass ein höherer Blauanteil 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, das folgt aus der Stokesverschiebung, 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 und Blau verwendet werden.

Klasseneinteilung

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 (deutsch Klasseneinteilung) bezeichnet. Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den sogenannten „Flux bin“, die Schwellenspannung, die Lichtausbeute sowie den Bereich, in dem der mehr oder weniger ausgeprägte Farbstich liegt. Bezüglich der Farblage wird nicht nur unterschieden, in welchem Bereich der Farbmischung (tendenziell mehr rot oder grün oder blau) sie liegt, sondern welche Farbtemperatur das Licht der LED bei Nennstrom aufweist. Auch farbige LEDs werden mit selektierten spektralen Toleranzen angeboten. Informationen darüber, welchem „Bin“ (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen. QUELLE WIKIPEDIA