LEDs gehören aktuell zu den energieeffizientesten Leuchtmitteln überhaupt. Dabei sah es in der Entwicklungsgeschichte gar nicht danach aus, dass diese auch einmal als Ersatz von Glühbirnen verwendet werden konnten. Die ersten LEDs waren lediglich für Statusanzeigen in Elektronikkomponenten vorgesehen. Vielleicht erinnerst du dich noch an die grünen und roten LEDs in den legendären Kassetten- und Tonbandmaschinen, mit denen du den richtigen Aufnahmepegel einstellen konntest. In diesem Ratgeber kannst du dich eingehend mit dem Thema LED Technik Grundlagen informieren.
Was versteht man unter einer LED?
Die Bezeichnung LED steht für Light-Emitting Diodes, also für Leuchtdiode. Es handelt sich um ein sehr energiesparendes Leuchtmittel, wobei die Nutzungsdauer üblicherweise bei etwa 50.000 Stunden liegt. Heute dienen LEDs als Ersatz für herkömmliche Glühbirnen. Sie haben auch die Halogen-Birnen mittlerweile abgelöst. Grund hierfür ist der überaus hohe Wirkungsgrad. Sie besitzen eindeutig eine höhere Lichtausbeute bei sehr geringen Energiekosten.
In den 70er Jahren wurden die ersten Leuchtdioden entwickelt. Sie besaßen nur eine geringe Lichtausbeute und dienten nur als Signallampen. Die winzig kleinen LEDs mussten vorsichtig behandelt werden. Eine falsche Polung führte zur sofortigen Zerstörung. Aber auch die Stromstärke durfte nicht allzu hoch ausfallen. Die Helligkeit wurde schon seinerzeit in Lumen pro Watt angegeben.
Die ersten LED-Leuchtmittel für die Standard-E27- und E14-Lampensockel kamen 2007 auf den Markt. Damit konnten LEDs mit traditioneller Glühbirnenfassung verwendet werden. Sie werden als Retrofit-LEDs bezeichnet. Die ersten Modelle erreichten eine Helligkeit von 300 Lumen, was in etwa einer 30 Watt Glühbirne entspricht. Ab 2010 sind wesentlich leistungsstärkere LEDs erhältlich, die Farbtemperaturen von Warmweiß bis Tageslichtweis zwischen 2.700 und 5.300 Kelvin erreichen.
Während die ersten LED-Leuchtmittel noch verhältnismäßig teuer waren, sind die Preise mittlerweile stark gesunken. Neben den LEDs als moderne Leuchtmittel und Ersatz für herkömmliche Glühbirnen gibt es immer noch die traditionellen Modelle als Elektronikbaustein. Aus diesen setzen sich natürlich auch die heutigen Lampen zusammen. Um eine traditionelle Glühbirne mithilfe von LEDs zu simulieren, werden viele kleine LEDs benötigt.
Die ursprünglichen Modelle waren nur als Signalgeber gedacht und besaßen einen Durchmesser von 3 und 5 mm. Diese gibt es schon seit den 70er Jahren. Später kamen noch Jumbo-LEDs und andere Gehäuseformen vor. Recht flexibel einsetzbar sind die modernen LEDs in SMD-Größe. Damit lassen sich unter anderem lange Lichterketten herstellen. Nachfolgend kannst du erfahren, wie eine LED funktioniert.
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Wie funktioniert eine LED?
Leuchtdioden sind in der Lage, elektrische Energie in Licht umzuwandeln. Dabei funktionieren diese wie die Halbleiterdioden, wobei auch nur in einer Stromdurchlass-Richtung Licht erzeugt wird. Eine LED kann überaus schnell vom leuchtenden in den nichtleuchtenden Zustand umschalten. Der Lichtstrahl der traditionellen LEDs lässt sich bis in den MHz-Bereich takten, ist jedoch verhältnismäßig schwach.
Eine LED besteht im Grunde aus einer Anode und einer Kathode. Zwischen beiden Polen verläuft ein sogenannter Bonddraht, der für den Stromfluss wichtig ist. Für die gewünschte Elektrolumineszenz (Helligkeit) fließt über diesen Draht die notwendige Energie. Auf der eigentlichen Kathode befindet sich ein Chip. Dieser ist von einer Kunststofflinse umgeben, welche nicht nur den Chip vor Beschädigungen schützen soll, sondern auch das Licht besser abstrahlen lässt.
Der Chip dient der Lichterzeugung und verfügt über eine Reflektorwanne, welche die beste Lichtausbeute und einen hohen Wirkungsgrad erzielt. Der Chip selbst besteht aus verschiedenen Materialien in Form von Halbleiterkristallen. Je nach Einsatzzweck existiert ein positiver oder negativer Überschuss an Ladungsträgern. Durch Stromfluss reagieren nun die Elektronen und es wird Energie in Form von Photonen freigesetzt. Diese lassen die LED leuchten.
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Was bedeutet es, dass eine LED gepolt ist?
Auch wenn du die heutigen LED-Glühbirnen problemlos in eine Lampenfassung einschrauben kannst und hierbei nicht auf eine besondere Polung achten musst, sieht dies im Elektronikbereich bei einzelnen LED-Bauteilen anders aus. Ähnlich wie eine Diode sind auch LEDs polungsabhängig. Wie zuvor erläutert, besteht eine LED aus zwei Anschlussseiten, wobei eine für die Anode und die andere für die Kathode zuständig ist.
Wenn du dir die einzelne LED genau anschaust und durch die Kunststofflinse siehst, findest du einen dickeren Metallstab und einen dünneren. Der dickere Anschluss ist für die Kathode bestimmt. Der Anschlussdraht der Kathode ist zudem etwas kürzer ausgeführt. Ebenso ist an der Kathode der Kunststoffkörper der LED abgeflacht.
Beachte bitte, dass bei einer falschen Polung eine LED unweigerlich zerstört würde. LEDs überleben nur eine sehr geringe Sperrspannung. Schon bei 5 bis 6 Volt Falschpolung werden diese zerstört.
Wie funktioniert der Farbwechsel bei LED?
Die traditionellen LEDs sind in den Farben rot, grün, gelb und orange erhältlich. Später wurden auch Modelle mit blauem oder weißem Licht hergestellt. Die Farbe ist vom Halbleiterkristall einer LED abhängig. Je nach Farbe bestehen LEDs aus verschiedenen Mischkristallen, wie zum Beispiel…
- Galliumarsenid
- Galliumphosphid
- Galliumarsenidphosphid
- Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid
- Indium-Gallium-Nitrogen
- GalliumNitrid
Mit diesen Mischungen lassen sich die vorgenannten Farben darstellen. Ein Tauschen der Farben untereinander ist eigentlich nicht möglich. Jedoch besteht die Möglichkeit, rote, grüne und blaue LEDs zu mischen. Hieraus entsteht ein weißes LED-Licht mit einem veränderbaren Farbraum. Bei dieser Lösung müssen mindestens 3 unterschiedliche LEDs in einem Gehäuse untergebracht sein. Das Gehäuse verfügt über sechs Anschlüsse, welche sternförmig am LED-Chip angebracht sind. Du kannst hierüber nicht nur die Farbtemperatur, sondern auch die Farbe an sich sehr feinfühlig einstellen. Ein Farbwechsel ist somit möglich.
Warum braucht man für LED einen Vorwiderstand?
LEDs können bei einem zu starken Durchlassstrom zerstört werden. Aus diesem Grund darf eine LED niemals direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Diesbezüglich musst du immer einen passenden Vorwiderstand verwenden. Als Alternative eignet sich teilweise auch ein FET mit Kondensator. Der Vorwiderstand ist aber immer die sicherste Variante. Der Widerstand begrenzt den Durchflussstrom, sodass die Leuchtdiode nicht beschädigt werden kann.
Eine Leuchtdiode ist kein sogenannter ohmscher Verbraucher, bei dem ansonsten der Widerstand immer gleich ist. Eine LED stellt einen Halbleiter dar, sodass dessen Widerstand bei Spannung gegen Null sinkt. Anders gesagt, steigt der Strom theoretisch unbegrenzt an. Somit wird die LED zu einem stromhungrigen Verbraucher. Da diese aber keine hohen Spannungen verträgt, würde sie zerstört.
Vor einer solchen Zerstörung erfolgt ein rapider Temperaturanstieg. Die Leuchtdiode könnte sogar explodieren. Abhängig vom Modell und vom Hersteller werden üblicherweise Vorwiderstände mit 20 mA oder 10 bis 15 mA verwendet.
Kann man LED mit Wechselstrom betreiben?
Eigentlich sind LEDs für Gleichstrom konzipiert. Es gibt aber auch Einsatzzwecke, bei denen LEDs mit Wechselstrom betrieben werden sollen. Dies ist zum Beispiel im Modellbau bei den 3-Leiter-Wechselstrom-Eisenbahnen der Marke Märklin der Fall. Damit dies möglich ist, könnte die LED mit einem Kondensator zu einem Einweggleichrichter ausgebaut werden. An der LED kann dann keine negative Spannung anliegen. Die LED flackert nicht und leuchtet konstant. Du musst hier nur darauf achten, dass mithilfe des Vorwiderstandes die Gleichspannung das 1,4-fache der Wechselspannung beträgt. Eine Alternative stellt ein Brückengleichrichter aus vier Dioden dar.
Was ist besser: COB oder SMD LED?
Bei einer COB-LED handelt es sich um einen Chip-Baustein, der mit mehreren SMD-LEDs bestückt ist. Dieser Baustein ist kleiner und heller als eine einzelne SMD-LED bei gleicher Leistung. Generell gehören SMDs und COBs zu den integrierten LEDs. Die COB-LED bietet den Vorteil, dass diese als Chip-On-Board-Variante konzipiert ist und aufgrund des Aufbaus eine sehr gute Wärmeabfuhr besitzt. Sie ist sehr klein und kann letztlich auch heller leuchten als eine SMD-LED. COB-LEDs sind somit besser einsetzbar.
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Bei LED 5050 handelt es sich um eine SMD-Variante, bei der nur RGB LEDs Verwendung finden. Sie eignet sich sehr gut für einen Farbwechsel, da sie letztlich aus roten, grünen und blauen LEDs besteht. Damit lässt sich eine sehr gute Farbmischung punktgenau erzielen.
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Die Funktionstüchtigkeit von LEDs kannst du mit einem Messgerät überprüfen. Die Höhe der Prüfspannung ist dabei nicht von Bedeutung, da du nur feststellen musst, ob eine LED leuchtet oder nicht. Ein Vorwiderstand wird nicht benötigt, da sich diese im Messgerät befindet. Du musst nur auf die Polarität achten. Die Anode steht für den Plus-Anschluss und die Kathode für den Minus-Anschluss. Wenn die Polarität stimmt und die LED in Ordnung ist, leuchtet diese.
Sind LED wirklich sparsamer?
LEDs haben eine sehr hohe Energieeffizienz und sind sogar sparsamer als die bisherigen Energiesparlampen. Eine normale 60 Watt Glühbirne erzeugt einen Lichtstrom mit einer Stärke von 600 Lumen. Eine vergleichbare LED-Lampe verbraucht dagegen nur 8 Watt. Hinzu kommt noch die enorme Lebensdauer von 50.000 Stunden. Auch wenn LEDs nicht so heiß werden wie Glühbirnen, sollten diese Lampen dennoch ausreichend gekühlt werden. Sie entwickeln ebenfalls eine hohe Hitze, die letztlich zu Dauerschäden führen kann. Von daher kommen bei LEDs Keramikkühlungen oder Aluminiumkühlungen zum Einsatz. Letztlich kann festgestellt werden, dass LEDs wirklich sparsamer sind als andere Leuchtmittel.
