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BASIS
LED
Bei einer Leuchtdiode, Abkürzung LED für „Light Emitting Diode“, kommen Halbleiterkristalle zur Lichterzeugung zum Einsatz. Man spricht in dem Zusammenhang auch von einer Elektrolumineszenz, da ein Feststoff durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zum Leuchten angeregt wird.
Um dies zu ermöglichen, werden Halbleiterkristalle wie Galliumnitrid (GaN) oder Indiumphosphid (InP) leitfähiger gemacht, indem sie mit verschiedenen Stoffen „verunreinigt“ oder „dotiert“ werden. So wird eine Schicht des Kristallgitters durch Einlagerung eines Fremdstoffes mit einem Elektronenüberschuss versehen (n-Dotierung) und die andere mit einem Elektronendefizit ausgestattet (p-Dotierung). Die Elektronendefizite bezeichnet man auch als „Löcher“. Eine LED besitzt immer eine Kathode und eine Anode. Legt man nun eine Spannung korrekt gepolt an, bewegen sich Löcher und Elektronen aufeinander zu und es kommt zu einer Rekombination im Übergang der beiden Halbleiterschichten. Diese Übergangsschicht wird auch Sperrschicht (im Englischen: junction) oder p-n-Übergang genannt.
Bei der Rekombination wird unmittelbar elektromagnetische Strahlung in Form von Photon (= sichtbarem Licht) frei. Da aber nicht alle Elektron-Lochpaare am p-n-Übergang rekombinieren, entsteht auch Wärme. Diese wiederum erhöht die Eigenleitung der p- und n-Schicht und verstärkt den Effekt der ungewollten Rekombination jenseits der p-n-Schicht. Diese Wärme muss durch Wärmeleitung abgeführt werden (= Thermomanagement). Im Spektrum ist jedoch keine Wärme- (= Infrarot) Strahlung enthalten. Je nach Halbleitermaterial erzeugt eine LED immer monochromatisches (einfarbiges) Licht. Typische Lichtfarben sind (je nach verwendetem Halbleitermaterial): Rot, Orange, Gelb, Grün oder Blau. Kein Halbleiter kann auf direktem Weg weißes Licht erzeugen. Eine LED „weiss“ ist eigentlich eine blaue LED, welche mit gelbem Phosphor beschichtet ist. Somit erfolgt eine Farbmischung zwischen dem ursprünglichen Blau des Halbleiters und dem Gelb aus der Phosphoreszenz. Eine vor dem Chip platzierte Polymerlinse schützt und dient als Optiklinse.
GESCHICHTE
Im 1907 entdeckt der Engländer Henry Joseph Round, dass anorganische Stoffe leuchten können, wenn elektrische Spannung angelegt wird.
Im 1962 kommt die erste rote Lumineszenzdiode (Typ GaAsP) auf den Markt, entwickelt von dem Amerikaner Nick Holonyak. Sie markiert die Geburtsstunde der industriell gefertigen LEDs.
Im 1995 wird die erste LED vorgestellt, die durch Zugabe von Leuchtstoffen weißes Licht aus Lumineszenskonversion gewinnt. Zwei Jahre später kommen diese weißen Leuchtdioden auf den Markt.
VORTEILE
Im Vergleich zu heute gebräuchlichen Lampen verbrauchen LEDs weniger Strom.Die Lichtausbeute (Lumen/Watt) der LED Beleuchtungen ist derjenigen von Glühbirnen, Halogenlampen und Leuchtstofflampen überlegen.
Le rendement (lumen/Watt) des éclairages LED est en effet supérieur à celui des lampes à incandescence, halogène et fluorescentes.
Die Lichtausbeute (Lumen/Watt) der LED Beleuchtungen ist derjenigen von Glühbirnen, Halogenlampen und Leuchtstofflampen überlegen.
LEDs haben eine Lebensdauer von 35’000 bis 40’000 Stunden (abhängig vom Modell, der Qualität der Integration und den Benutzungsbedingungen wie z.B. der Umwelttemperatur).
Im Vergleich haben Glühbirnen eine durchschnittliche Lebendauer von ca. 1’000 Stunden, Halogenlampen eine von ca. 2’000 bis 3’000 Stunden und die Leuchtstofflampen ca. 10’000 Stunden.
Im Vergleich zu den «klassischen» Lampen geben LEDs weniger Wärme ab.
LEDs geben keine Infrarotstrahlung ab. Die Folge davon ist, dass das Lichtbündel keine hohe Temperatur aufweist. Dies ist ein echter Vorteil, zum Beispiel für die Beleuchtung von Lebensmitteln.
LEDs tragen zu einer Senkung von Hitzeemissionen bei.
An gewissen Orten ist die Wärmeabstrahlung der Glüh- oder Halogenlampen ein echtes Problem. LEDs tragen somit auch dazu bei, Einsparungen bei Klimaanlagen zu erzielen.
LEDs geben keine Ultraviolettstrahlung ab.
LEDs sind ultra schlagfest.
Im Gegenteil zu klassischen Lampen ertragen LEDs Schläge oder häufi ges Austauschen. Dies ist von Vorteil vor allem für Personen, welche Dienstleistungen im Bereich von Beleuchtungen anbieten und diese z.B. häufi g versetzen müssen.
LEDs erzeugen sofort nach Einschaltung 100% ihrer Leistung.
Im Gegensatz zu den Leuchtstoffl ampen (so genannte „Spar“-Lampen) sind die LEDs sofort mit 100% Leistung operationell. Ausserdem erlauben sie sehr häufige Folgen von Ein-/ Ausschaltungen ohne Schaden zu nehmen.
TYPEN
LEDs-TYPEN
Low-Power-LEDs
Zu den Low-Power-LEDs – auch radiale LEDs genannt – zählen die klassischen Bauformen in drei oder fünf Millimeter Größe. Low-Power-LEDs werden mit Strömen von 20 mA bis maximal 100 mA betrieben. Superflux-Modelle werden meist im Automobilbau eingesetzt.
High-Power-LEDs
High-Power-LEDs, auch Hochleistungs-LEDs genannt, geben am meisten Licht ab. Sie kamen zunächst als effiziente Ein-Watt-Packages auf den Markt, betrieben mit 350 Milliampere. Kurz darauf folgten Hochleistungs-LEDs mit 3 und 5 Watt. Gleichzeitig konnten die LEDs weiter miniaturisiert werden.
BAUTYPEN
Bedrahtete LEDs (radiale LEDs)
Sie stammen noch aus den ersten Tagen der LED-Technologie. Der innenliegende LED-Chip ist durch eine Kunststoffkappe verkapselt, die vor Schäden schützt. Wegen ihrer meist geringen Lichtleistung werden diese Low-Power-LEDs heute vorwiegend für einfache Signalanzeigen verwendet.
LED COB (= Chip on Board)
Sie werden für besonders leistungsstarke, eng bepackte LED-Module eingesetzt. Bei dieser Bauform werden „nackte“, nicht verkapselte LEDChips direkt auf eine Leiterplatte verklebt und über sogenannte „Bond-Drähte“ kontaktiert. Eine aufgeklebte Epoxylinse, „Bubble“ genannt, definiert den Ausstrahlwinkel, der eng- oder breitstrahlend sein kann.
LED SMD (= Surface Mounted Devices)
Sie sind extrem kleine Standardprodukte für die industrielle Fertigung. Sie werden direkt auf einer Leiterplatte verklebt und im Lötbad kontaktiert. Ebenso wie bedrahtete LEDs sind sie bereits verkapselt. SMD-LEDs sind die Bauform, die am häufigsten in Modulen oder Leuchten eingesetzt wird. SMD-Bauformen werden sowohl mit Low-Power-LEDs bestückt als auch mit High-Power-LEDs. Sie ermöglichen die industrielle Produktion ausgesprochen leistungsfähiger, dabei extrem flacher und schmaler Module.
THERMOMANAGEMENT
Auch wenn das abgestrahlte Licht einer LED nicht heiß ist, ist es doch eine falsche Annahme, dass LEDs keine Wärme abgeben. Denn ebenso wie bei anderen Lampen, wird auch in LEDs nur ein Teil der Energie in Licht umgesetzt – innerhalb des Halbleiters entsteht Wärme. Diese Leitungswärme muss unbedingt abgeführt werden, damit eine lange Lebensdauer und hohe Effizienz gewährleistet sind. Dies gilt insbesondere für LEDs mit hohem Lichtstrom.
BINING
Bei der industriellen Produktion von LEDs kommt es innerhalb einer Charge immer zu Abweichungen: Die Dioden variieren zum Beispiel in ihrer Farbe und Leuchtkraft. Damit eine konstante Lichtqualität mit gleichem Helligkeitsniveau und einheitlicher Lichtfarbe gewährleistet ist, müssen die LEDs einer Charge sortiert werden („Binning“ genannt).
Wichtige Auswahlkriterien sind hier:
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Lichtstrom, gemessen in Lumen (lm)
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Farbtemperatur, gemessen in Kelvin (K)
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Vorwärtsspannung, gemessen in Volt (V).
Das CIE-Normvalenzsystem oder CIE-Normfarbsystem wurde von der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE – Commission internationale de l’éclairage) definiert, um eine Relation zwischen der menschlichen Farbwahrnehmung (Farbe) und den physikalischen Ursachen des Farbreizes (Farbvalenz) herzustellen. Es erfasst die Gesamtheit wahrnehmbarer Farben. Befindet sich die Binninggruppe auf der schwarz eingezeichneten Plank’schen Kurve, spricht man von einem „reinen Weiß“. Liegt das Bin oberhalb der Kurve, wirkt die LED grünlich.
Heute werden LEDs nach der ANSI-Norm (ANSI = American National Standards Institute) sortiert. Sie definiert Farbwertabweichungen im xy-Raum mithilfe der MacAdam-Ellipse und empfiehlt, dass der Farbwert innerhalb einer Ellipse mit vier Schwellwerteinheiten liegen sollte. LEDs dieser enggefassten Bins garantieren einheitliche Lichtfarben, zum Beispiel 2.700 Kelvin für Warmweiß.
La distance depuis le point cible dans chaque ellipse est mesurée en déviations standards de concordance de couleur (SDCM). Un SDCM de 1 indique qu'il n'y a pas de différence chromatique entre les chips ou puces de la LED, 2 ou 3 SDCM indiquent une différence chromatique difficilement perceptible. Une stabilité chromatique de 4 SDCM est généralement acceptée par le marché.
BETRIEBS- UND STEUERGERÄTE
Certains luminaires sont alimentés directement par la tension du réseau (p.ex. lampes E27 et GU10). Dans ce cas, les convertisseurs sont intégrés dans les luminaires. La variation de ces produits se fait généralement par coupure de phase. D'autres luminaires sont alimentés par des convertisseurs externes (p.ex. modules LED). La variation de ces produits se fait par des signaux de commande séparés (p.ex. 1-10V, DALI, DMX) ou par modulation de fréquence (PWM).
BETRIEBSGERÄTE
Typ und Anwendung der LED-Leuchte bestimmen die Wahl der Betriebsgeräte. Es gibt zwei Arten von Betriebsgeräten, um die Netzspannung LED-gerecht zu transformieren:
Betriebsgeräte mit konstanter Ausgangsspannung drosseln die Netzspannung von 230 Volt auf eine stabilisierte Kleinspannung – zum Beispiel 12 oder 24 Volt.
Betriebsgeräte mit konstantem Ausgangsstrom erzeugen aus der Netzspannung von 230 Volt einen stabilisierten Ausgangsstrom. Üblicherweise werden konstante Ausgangsströme von zum Beispiel 350 Milliampere (mA), 700 mA oder 1.050 mA realisiert. Mit dieser Variante können LED-Module direkt betrieben und die LEDs „in Reihe“ geschaltet werden.
SCHNITTSTELLEN FÜR STEUERSYSTEME UND DIMMEN
Über geeignete Schnittstellen lassen sich LED-Leuchten problemlos in moderne Steuersysteme einbinden. Zu den technisch einfachen Systemen zählen analoge Schnittstellen, wie die 1-10 V-Steuertechnik zum Dimmen von LEDs.
Sowohl DALI als auch DMX lassen sich in übergeordnete Gebäudesystemtechniken, wie zum Beispiel KNX, integrieren. Diese Systeme vernetzen alle technischen Komponenten, steuern Heizung, Beleuchtung, Jalousien, Belüftung und Sicherheitstechnik nach Bedarf. Damit bieten sie hohen Komfort bei maximaler Effizienz.
Für raumbezogene Anwendungen oder kleinere Gebäudelösungen eignen sich Systeme, die mit der digitalen Schnittstelle DALI (Digital Addressable LightingInterface) arbeiten. Sie kann mit einer geringen Anzahl von Leitungen viele Steuerkreise auch über große Entfernungen einzeln ansteuern. Über ein zentrales Steuerungs- und Bedienelement lassen sich so gewünschte Farbabläufe und Helligkeiten einfach dirigieren; auch energiesparende Präsenz- und Tageslichtregelungen sind mit entsprechenden Steuerungsgeräten möglich.
Zu den aufwendigeren digitalen Lösungen (z.B. Architekturbeleuchtung) zählt das Multiplex-Übertragungsverfahren DMX512. Es wird heute auch von Architekten und Lichtplanern häufig eingesetzt, denn es kann mit einer zentralen Steuereinheit bis zu 512 Kanäle mit schnellen Signalfolgen individuell ansteuern, ermöglicht Farbmischungen, automatisierte Aus- und Überblendung.