Die aktuelle LED Technik hat sich durchgesetzt. Die vielen Vorteile sorgen für den Vormarsch der LED Beleuchtung in allen Lebensbereichen. Doch wie funktionieren überhaupt LEDs und LED Lampen? Dieser Artikel bringt Licht ins Dunkel und zeigt dir den Aufbau und die Funktionsweise von LEDs und LED Lampen. So bekommst du ein gutes Verständnis der aktuellen Lichttechnik.
Wie funktioniert eine LED?
Die Abkürzung LED steht im Englischen für light-emitting diode. Übersetzt heißt das soviel wie licht-emittierendes Halbleiter-Bauelement. Die grundlegende Funktionsweise ist einfach erklärt, denn LEDs bestehen nur aus wenigen Komponenten. Dazu gehören:
- Anode
- Kathode
- Bonddraht
- LED-Chip
- Reflektorwanne
- Kunststofflinse
LED Aufbau
Der LED-Chip sitzt in einer kleinen Reflektorwanne auf der Kathode. Ein Golddraht, welcher auch als Bonddraht bezeichnet wird, stellt den Stromfluss zwischen Anode und Kathode her. Eine Linse aus Kunststoff bzw. Expoxidharz hält alle Teile zusammen und sorgt gleichzeitig für eine gute Lichtverteilung. Der LED-Chip ist ein Halbleiterkristall und besteht aus zwei Schichten von unterschiedlich dotiertem Halbleitermaterial.
In der einen Halbleiterschicht besteht ein Überfluss an positiven Ladungsträgern. In der anderen Schicht sind die negativen Ladungsträger in der Überzahl. Werden Anode und Kathode mit Spannung versorgt, entsteht ein Elektronenfluss zwischen den Halbleiterschichten. Als Resultat wird Energie freigesetzt, wodurch kleine Lichtblitze entstehen. Die LED sendet Photonen aus, was wir dann als sichtbares Licht wahrnehmen.
Der LED-Chip besitzt eine Kantenlänge von nur etwa einem Millimeter und strahlt quasi punktförmiges Licht ab. Erst durch die Reflektorwanne wird das Licht in die obere Hälfte der Leuchtdiode gelenkt. Die Kunststofflinse sorgt je nach Beschaffenheit für eine entsprechende Lichtverteilung im Raum. Außerdem ist die LED durch den Kunststoff-Verbund unempfindliche gegen Stöße und Vibrationen.
LED Wellenlänge
Die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts lässt sich durch die Dotierung des Halbleitermaterials sehr genau bestimmen. Damit lassen sich LEDs je nach Anwendungsfall gezielt mit verschiedenen Lichtfarben und Farbtemperaturen herstellen. Durch den schmalen Bereich der Wellenlänge werden auch keine anderen Strahlungen im Infrarot- oder UV-Bereich erzeugt.
Weitere LED Typen
Die grundlegende LED Funktionsweise und deren Aufbau wurde zuvor beschrieben. Davon gibt es noch verschiedene Unterarten von Leuchtdioden. Für LED Leuchtmittel und Leuchten werden überwiegend SMD LEDs und COB LEDs eingesetzt.
SMD LED Aufbau
Die Abkürzung SMD steht für surface mounted device. SMD LEDs können direkt auf der Leiterplatte im Leuchtmittel befestigt werden. Bei dieser Bauform dient das Gehäuse gleichzeitig als Kühlkörper für den LED-Chip. Dadurch ist eine gute Wärmeableitung möglich, wodurch die Chip-Temperatur sinkt. Die LED lässt sich durch die gute Kühlung mit einem höheren Strom betreiben, womit sich eine hohe Effizienz erreichen lässt.
SMD LEDs sind außerdem recht kompakt. Deshalb werden diese häufig in größerer Anzahl in einem Leuchtmittel verbaut. Beispielsweise werden in Lampen mit großem Abstrahlwinkel meist mehrere LEDs kreisförmig angeordnet. Durch die Kombination verschiedener LED Typen ist es auch möglich, bestimmte Farbspektren zu erreichen.
COB LED Aufbau
Die COB LED ist eine Weiterentwicklung der SMD Variante. Die Abkürzung COB steht dabei für chip on board. Hier wird der LED-Chip direkt mit Wärmeleitkleber auf der Leiterplatte befestigt. Durch den direkten Kontakt vom Halbleiter zur Platine kann die Verlustleistung noch besser abgeleitet werden als bei der SMD Version. Die Kühlung wird damit nochmals verbessert, wodurch sich der Wirkungsgrad weiter erhöht.
Durch die ultra-kompakte Bauform lassen sich mit COB LEDs einerseits alle erdenklichen Formen von LED Leuchten herstellen. Viele futuristische Lampendesigns sind erst durch die COB Technik möglich geworden. Andererseits lässt sich durch eine hohe Chip-Dichte eine hohe Lichtleistung auf engstem Raum erzeugen. Damit lassen unter anderem sehr helle LED Strahler herstellen.
Wie funktioniert eine LED Lampe?
Die Funktionsweise einer LED Lampe ist im Vergleich zu den herkömmlichen Leuchtmitteln deutlich komplexer geworden. Eine LED Lampe besitzt neben einer oder mehreren Leuchtdioden noch weitere Komponenten. Dazu gehören:
- LED(s)
- LED Treiber
- Netzteil
- Optik
Der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise einer LED wurde in den vorigen Absätzen bereits beschrieben. In den meisten Retrofit LED Leuchtmitteln werden überwiegend SMD LEDs eingesetzt. In modernen LED Leuchten wird zum Großteil auf die COB Technik gesetzt. Hiermit lassen sich moderne Leuchten designen, welche mit den Standardformen der Retrofit Leuchtmittel nicht möglich waren.
Betriebsspannung erzeugen
LED Lampen gibt es sowohl für 230 Volt Netzspannung als auch für 12 oder 24 Volt Niederspannung. LED Lampen für Netzspannung haben einen eingebautes Netzteil, welches aus den 230 Volt eine Niederspannung erzeugt. Niedervolt LED Lampen haben kein integriertes Netzteil, sondern müssen an einen externen LED Trafo angeschlossen werden.
LED Treiber als Stromquelle
Der Halbleiterchip in der LED muss in seinem richtigen Arbeitspunkt betrieben werden. Nur dann wird ein hoher Wirkungsgrad und eine konstante Helligkeit erreicht. Das wäre an einer reinen Spannungsquelle aufgrund von Qualitätsstreuungen bei der LED Massenfertigung nur schwer möglich. Aus diesem Grund wird die Leuchtdiode an einer Konstantstromquelle namens LED Treiber betrieben.
Der LED Treiber besteht vor allem bei LED Lampen im Lowcost-Bereich auch manchmal nur aus einem Widerstand, wodurch sich der Strom einstellt. In vielen Hochvolt Lampen sind Netzteil und Treiber oft in einer Schaltung vereint, welche auch als LED Vorschaltgerät bezeichnet wird.
Weißes Licht durch Lichtmischung
Für Beleuchtungszwecke benötigen wird meist weißes Licht. Dieses lässt sich von LEDs jedoch nicht direkt erzeugen. Eine Möglichkeit zur Erzeugung von weißem Licht ist das Mischen von drei LEDs mit den Farben rot, grün und blau. Durch Ansteuerung mit unterschiedlicher Helligkeit lässt sich durch diese Kombination neben weiß auch jede andere RGB Farbe einstellen. Gleichzeitig ist diese Variante aber auch am teuersten.
In den meisten LED Lampen wird weißes Licht deshalb über einen anderen Weg erzeugt. Zum Einsatz kommen hier blaue LED-Chips mit einer Phosphorschicht. Blau in Kombination mit der gelblichen Phosphorschicht erzeugt eine Lichtmischung, welche als weißes Licht erscheint. Bei diesem Herstellungsprozess wird auch die Farbtemperatur, wie kaltweiß, neutralweiß oder warmweiß festgelegt.
Optik zur Lichtverteilung
Die Optik einer LED Lampe sorgt für die gewünschte Lichtverteilung. Viele Lampen enthalten Streulinsen oder Diffusionsscheiben. Darüber lässt sich der Abstrahlwinkel einstellen und eine homogene Abstrahlung erzielen. Durch die Kombination der LED Anordnung im Lampenkörper in Verbindung mit der Optik lässt sich nahezu jede gewünschte Lampenform herstellen.
Fazit
Du hast nun einen Überblick über den Aufbau und die Funktionsweise von LEDs und LED Lampen. Die Komplexität hat gegenüber den alten Leuchtmitteln zugenommen. Die Vorteile und Möglichkeiten der LED Technik stellen jedoch die alten Leuchtmittel sprichwörtlich in den Schatten.
