Ratgeber LEDs

Die LED kurz erklärt
 

Was sind LEDs? 


Sie sind allgegenwärtig: LEDs arbeiten in Beleuchtungen, Fernsehern und Ampeln, im privaten wie im gewerblichen Bereich. Dank ihrer langen Lebensdauer und dem geringen Stromverbrauch haben sie sich innerhalb kürzester Zeit gegen ihre Konkurrenten Halogenbirne und Energiesparleuchte durchgesetzt.
 

Wie sind LEDs aufgebaut?


Der Aufbau ist am einfachsten am Beispiel einer verdrahteten LED erklärbar: Herzstück einer LED ist der LED-Chip (bzw. der Halbleiterkristall). Er erzeugt mittels physikalischer Prozesse Licht. Eingebaut ist der Chip in eine Reflektorwanne. Diese erhöht den Wirkungsgrad und die Lichtausbeute. Von der Anode aus fließt der Strom in Richtung Halbleiterkristall. Die Reflektorwanne ist mit der Kathode verbunden. Der sog. Bond-Draht verbindet den LED-Chip mit der Anode. Der Aufbau ist von einer Kunststofflinse umschlossen. Diese beeinflusst den Strahlungswinkel und die Lichtausbeute. Je nach Verwendung kann sie oval, dreieckig, gewölbt oder abgeflacht sein.
 

Der LED-Chip besteht immer aus einer negativen (n-Schicht) und einer positiven Schicht. (p-Schicht). Man nennt sie auch negativ bzw. positiv dotierte Schicht. Die Lichtwellen selbst treten aus der p-Schicht aus.
 

Wie funktioniert eine LED?


LED-Leuchtmittel sind Halbleiter-Bauelemente, die eine Diode bilden, welche den Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Bei der LED fließt dieser von der Anode zum LED-Chip. Dessen Kern ist ein Halbleiterkristall, der sich in einer Reflektorwanne befindet. Auf diesem Halbleiterkristall sind zwei Schichten aus Halbleitermaterialien. Die n-dotierte Schicht hat einen Elektronen-Überschuss, die p-dotierte Schicht besitzt zu viele Defektelektronen (Elektronenlöcher). Bekommen die beiden Schichten über die Anode eine kleine Menge an Spannung ab, wandern die überschüssigen Elektronen weiter zur p-Schicht. Dort treffen sie in der sog. Sperrschicht auf die Defektelektronen. Sie rekombinieren sich, wodurch Energie entsteht, welche die Elektronen in Form von Photonen (Lichtblitzen) über die p-Schicht freigeben. Der LED-Chip gibt diese weiter nach außen. Die Innenseiten der Reflektorwanne verstärken hierbei das austretende Licht.
 

Wie entstehen die Lichtfarben der LED?


Die Farbe der Leuchtdioden ist abhängig von der Dotierung der Schichten und den verwendeten Halbleiterstoffen. Die möglichen unterschiedlichen Kombinationen lassen verschiedene Energie-Level entstehen, welche die Lichtfarbe bestimmen. Blaues Licht entsteht z. B. bei einer hohen Abgabe von Energie, während rotes Licht nur bei einer niedrigen Energieabgabe entstehen kann. Farbige LEDs werden durch additive Farbmischungen hergestellt. Die Farbe Weiß hingegen ist ein Sonderfall. Dafür müssen verschiedenfarbige LEDs kombiniert werden, um durch die Überlagerung der Primärfarben Blau, Rot und Grün den Farbton Weiß zu erhalten.
 

Welche LED-Bauformen gibt es?


Da LEDs mittlerweile in vielen Bereichen genutzt werden, sind unterschiedliche Bauformen notwendig. Zu den Standardformen gehören derzeit bedrahtete LEDs, SMD-LEDs und COB-LEDs:
 

  • Bedrahtete LEDs gehören zu den ersten erhältlichen Bauformen. Diese sind für Hobby-Techniker leicht zu verlöten. 
  • Bedrahtete LEDs werden häufig z. B. in Schaltern von Elektrogeräten verbaut.
     
  • SMD-LEDs waren ursprünglich in der Industrie zu Hause, mittlerweile sind sie aber auch vermehrt im Privatbereich anzutreffen. Ihre Bezeichnung kommt von der Art ihrer Befestigung, da sie sich auf Platinen löten lassen. Durch ihre Bauform sind die kleiner als bedrahtete LEDs und damit auch vielseitiger einsetzbar.
     
  • COB-LED steht für Chip on Board. Diese werden direkt auf Platinen verlötet. Ihre Chip-Anschlüsse werden mittels einem oder zwei Golddrähten verbunden. Die COP-LED ist sehr leistungsstark und für eng bepackte Module geeignet. Bei LED-Röhren werden diese bevorzugt verbaut. Anders als bei bedrahteten LEDs oder SMD-LEDs muss bei einer COP-LED eine Epoxylinse auf die Leuchtdiode aufgeklebt werden. Mit dieser lässt sich der Abstrahlwinkel des Lichts flexibel einstellen, außerdem dient sie auch der Kühlung.
     
  • Die „Highpower-LED“ ist eine beliebte Bezeichnung von Herstellern, die gerne benutzt wird, wenn es um sehr helles Licht geht. Beachten Sie aber, dass es keine offizielle Definition einer Highpower LED gibt, weshalb die Angaben der Leistung von Lumen, Watt und Ampere in diesem Bereich stark variieren.
     

Wie ist die Temperaturentwicklung von LEDs?


Wenn Sie selbst LED-Lampen verbauen möchten, ist es notwendig, ein besonderes Augenmerk auf die Temperatur einer LED zu richten, da diese sehr empfindlich auf Wärmeentwicklungen reagieren. Benutzen Sie fertige Produkte, dann ist dies bereits berücksichtigt. Bei defekten LEDs ist selten der Halbleiterkristall fehlerhaft, meistens ist eine zu hohe Wärmeentwicklung dafür verantwortlich. Die entstehende Hitze zerstört dabei das komplexe Innenleben des Halbleiterkristalls. Im Gegensatz zu Glühbirnen gibt es bei LEDs kaum Abwärme, sondern im inneren der lichtemittierenden Leuchtdiode steigt die Temperatur, daher müssen Sie immer darauf achten, passende Vorwiderstände zur Spannungsreduzierung einzubauen. Die Funktionsweise und Lebensdauer eines LED-Leuchtmittels ist umso besser, je kühler die Umgebung ist. Je nach Bauform der LED-Lampen kann die Wärme mittels Aluminium oder Keramik abgeführt werden.
 

Was sind die Vorteile einer LED?


Preis und Leistung:

  • LEDs haben durch ihre hohe Effizienz einen deutlich geringeren Stromverbrauch als andere Leuchtmittel und bieten dabei eine hohe Helligkeit.
  • LEDs haben eine hohe Lebensdauer; je nach verwendeten Halbleitermaterialien und Umgebungsbedingungen kann eine LED auf 15.000 bis 50.000 Betriebsstunden kommen. Bei einer Nutzung von 3 Stunden an allen Tagen wären das 14 bis 45 Jahre.
     

Design:

  • LEDs haben eine sehr kleine Bauform, was die Lieferkosten gering hält.
  • LEDs sind sehr flexibel in der Formenvielfalt, daher lassen sie sich z. B. auch in herkömmlichen Leuchten verbauen.
  • Sie sind in den unterschiedlichsten Bereichen einsetzbar durch ihre unterschiedliche Anzahl an Typen und Formen und dimmbar.
  • LED-Lampen ermöglichen angenehme warmweiße Lichtfarben.
     

Technik:

  • Sie sind aufgrund ihrer geringen Spannung sehr sicher.
  • LEDs sind stoß- und vibrationsfest.
  • LED-Leuchtmittel haben eine geringe Einschaltverzögerung.
  • LED-Lampen haben kaum Ausfallzeiten.
  • LED-Streifen sind nahezu wartungsfrei.
     

Umweltverträglichkeit

  • LEDs sind frei von Giftstoffen.
     

Was sind die Nachteile einer LED?
 

Preis und Leistung:

  • LED-Lampen haben höhere Anschaffungskosten als andere Leuchtmittel.
     

Technik

  • Bei der Verwendung in Räumen mit hoher Feuchtigkeit können einzelne Bestandteile von LED-Lampen korrodieren und die LED somit ausfallen. Achten Sie daher beim Kauf auf den IP-Standard der LED, wenn Sie die LED-Streifen in Feuchträumen einsetzen möchten.
     

Umweltverträglichkeit

  • In LEDs sind seltene Erden verbaut.
  • Sie können nicht im Hausmüll entsorgt werden, sondern müssen bei Müll-Sammelstellen abgegeben werden.
  • Die Leuchtmittel sind in vielen Fällen fest verbaut, was bedeutet, dass LED-Lampen oft komplett entsorgt werden müssen, wenn das LED-Leuchtmittel defekt ist.
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