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Grundsätzliches zum Thema LED
Wie funktioniert überhaupt eine LED?
Eine LED (Light Emitting Diode) ist ein Silizium-Halbleiter-Chip der mit weiteren Elementen vermischt (dotiert) ist (wie z.B. Aluminium, Gallium, Indium, Phosphor etc.).
An den Chip wird eine Spannung angelegt, das heißt es fließen Elektronen durch das Kristallgitter. Dadurch werden die Elektronen der Fremdatome (z.B. Aluminium, Gallium etc.) energetisch angeregt.
Man kann sich das so vorstellen, daß die "Strom-Elektronen" die Elektronen der Fremdatome anstoßen. Jetzt springen diese Elektronen der Fremdatome auf ein höheres Energieniveau. Kurz danach springen sie wieder auf ihr altes und stabiles Energieniveau zurück. Die dabei frei werdende Energie wird direkt in Form von Photonen, oder anders ausgedrückt, in einer Lichtwelle freigegeben.
Bei diesem ganzen Prozeß wird keine Hitze entwickelt, so daß annähernd die gesamte Energie in Licht umgewandelt wird. Bisher kannte man nur rote, grüne und gelbe Leuchtdioden, die aufgrund ihrer schwachen Leistung nur in Anzeigeinstrumenten eingesetzt wurden. Die Lichtfarbe hängt von der Differenz zwischen den beiden Energieniveaus ab.
Erst seit kurzem ist es durch die Entwicklung neuer Kristallarten möglich, weiße Hochleistungdioden herzustellen und auch bei den farbigen Dioden die Leistung zu optimieren. Erst jetzt ist es möglich Dioden auch als Lichtquelle zum sehen und nicht nur zum gesehen werden einzusetzen.
Bei den Licht emittierenden Dioden erfolgt die Strahlungserzeugung durch Rekombination von Ladungsträgerpaaren in einem Halbleiter mit entsprechendem Bandabstand.
Leuchtdioden gehören zu den Elektrolumineszenzstrahlern. Sie sind Halbleiterdioden, die nach Anlegen der Durchlassspannung aus der Sperrschicht heraus Licht emittieren. Sie basieren auf Halbleiterverbindungen. Dazu gehören Stoffe wie Galliumphosphid, Aluminiumgalliumarsenid oder Indiumgalliumnitrid.
Der Bandabstand und damit die Wellenlänge des Lichtes ist durch die Wahl der Halbleiterstoffe in Zusammenhang mit dem entsprechenden Dotiermaterial bestimmt.
Die LED dienen zur Erzeugung einer (im Vergleich zu Temperaturstrahlern) schmalbandigen Strahlung im nahen UV, im sichtbaren oder im Infrarotbereich. Auch die Laserdiode beruht auf diesem Konzept. Lumineszenzdioden sind bis zum Megaherz-Bereich modulierbar (Optoelektronik) und benötigen nur niedrige Spannung. Im Gegensatz zur Glühwendel sind sie unempfindlich gegen mechanische Stöße, sie haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Praktisch hat man also eine punktförmige Strahlungsquelle verfügbar.
Für den Einsatz der LED-Leuchte sprechen ihre vielen Vorzüge, wie ihre Kleinheit und Stabilität, der Betrieb unter Schutzkleinspannung, die definierte Abstrahlcharakteristik sowie die hohe Effizienz und Lebensdauer.
Es bietet sich an, Leuchtdioden aufgrund der UV- und IR-freien Strahlung in Bereichen einzusetzen, in denen diese Strahlung schädlich ist:
· Museums- und Vitrinenbeleuchtung
· Bilderleuchten
· Beleuchtung von empfindlichen Materialien
· Kühlthekenbeleuchtung
· Medizinische Leuchten
LED-Lampen sind robust und unempfindlich gegen Erschütterungen:
· Automobile
· Fahrradleuchten
· öffentlicher Raum
· Signalleuchten
· Notbeleuchtung
· Arbeitsleuchten (Reperatur und Inspektion)
Durch die Verwendung verschiedener Farben kann die Lichtfarbe verschiedenen Kriterien entsprechend eingestellt werden:
· Anwendungsgebiet (z.B. Beleuchtung, Signal, Display)
· Vorliebe
· Stimmung
· Tageszeit
· Raumnutzung
Leuchtdioden werden mit Schutzkleinspannung betrieben. Defekte bedeuten keine Gefahr fürs Leben:
· Feuchtraumleuchten
· unter Wasser· vereinfachte Installation
· dem Einsatz der Lichtleiter entsprechende Einsatzgebiete
Miniaturisierte Lichtquellen:
· Möbelleuchten
· Orientierungsleuchten
· Displays
· Aufputzmontage
· Flächenleuchten
· Kabinenleuchten
Weisses Licht mit additiven Farbmischverfahren.
Seit der Verfügbarkeit von UHB-LED-Chips in den Emissionsfarben rot, orange, gelb, grün und blau gibt es in dem Bereich zukunftsorientierter, sehr langlebiger Lichtquellen neue Entwicklungstendenzen.
Diese Produkte arbeiten nach dem sogenannten Lumineszenzeffekt (Kaltlichtaussendung), emittieren reine Farbanteile und zeichnen sich durch hohe Betriebssicherheit aus. Die zur Zeit verfügbaren LED-Chips aufgebaut in GaInN AlInGaP, weisen je nach Wellenbereich Effizienzwerte im Bereich von 5 - 40 Lm/W auf. Die LED-Halbleiterindustrie stellt zudem schon Prognosen über mögliche Effizienzwerte bis 60 Lm/W an. Dies ergebe eine Erhöhung des Lichtstromes um den Faktor 4 - 5. Die hierbei verwendeten, teilweise transparenten Halbleiterstrukturen sind heute mit speziellen Reflexionsschichten innerhalb der LED-Chips aufgebaut, wodurch mehr Licht nach aussen emittiert werden kann. Durch diese speziellen Reflexionsschichten lässt sich die nach aussen verfügbare Lichtenergie auf theoretisch 60 % steigern. Damit kann man eine Wirtschaftlichkeit erreichen, die mit Leuchtstofflampen vergleichbar ist.
Weisses Licht aus Leuchtdioden
Als Basis einer weissen Leuchtdiode dient ein blauer Chip. Eine Verkapselung des LED-Chips mit einem speziellen Konverterstoff lässt bei Ansteuerung einen Teil des blauen Lichts mit dem Konverterstoff energetisch reagieren. Der Konverterstoff wird durch das blaue Licht zur Emission der Farbanteile Grün/Gelb angeregt. Durch die additive Farbmischung erkennt das menschliche Auge nur die Farbe Weiss.
Da die Basis ein blauer LED-Chip ist, wird immer, je nach Mengenanteil des Konvertermaterials, ein mehr oder weniger hoher Anteil an blauem Licht vorhanden sein, welcher das Licht als kaltweisses oder als warmweisses Licht erscheinen lässt.
Weisslichterzeugung über die LED-Technologie
Über ein Farbentripel, aufgebaut mit LED-Chips in den Farben Rot (650nm), Grün (520nm) und Blau (470nm) lassen sich Lichtquellen mit einer beliebigen Farbemission inklusive der Farbe Weiss realisieren. Die derzeitigen Lichtströme ermöglichen technische Applikationen für den Designbereich und für die akzentuierte Raumbeleuchtung. Die Produktunterstützenden Farben ermöglichen eine vorher nie dagewesene Farbenpracht.
Lichtfarbe von Lichtquellen
Die Lichtfarbe eine Lichtquelle wird mit der Farbtemperatur T in der Masseinheit Kelvin (K) definiert. Die Temperaturskala beginnt hier beim absolutem Nullpunkt, also 0 K = -273°C. Die Farbtemperatur der emittierenden Farbe einer Lichtquelle wird durch Vergleich mit der Farbe des sogenannten "schwarzen Strahlers" bestimmt. Ein schwarzer Strahler ist ein Hohlraum mit idealisierten Innenwänden, die jedwede einfallende Strahlung absorbieren. Versieht man den Hohlraum mit einem Loch und beobachtet die bei Erwärmung des Hohlraums austretende Strahlung, so sieht man dort mit steigender Temperatur die Farben Dunkelrot, Rot, Orange, Gelb bis hin zu Hellblau.
Bestimmung der FarbtemperaturBestimmung der FarbtemperaturBestimmung der Farbtemperatur
Die Temperatur TF eines schwarzen Strahlers, bei der mit der zu bestimmenden Farbtemperatur einer Lichtquelle Farbgleichheit besteht, bezeichnet man als ähnlichste Farbtemperatur einer Lichtquelle. Die vorhandenen Lichttechnischen Normen teilen die Lichtfarben von Lampen in drei Gruppen ein. Normlicht A (beispielsweise Glühlampenlicht) hat mit Ihrem warmweissen Licht eine ähnlichste Farbtemperatur TF von 2700 - 3300 K. Das Normlicht B weisst eine Farbtemperatur einer neutralweissen Leuchtstofflampe mit TF = 3300 - 5000 K aus. Eine tageslichtähnliche Leuchtstofflampe (entspricht Normlicht C) wiederum ist mit einem TF grösser 5000K Farbtemperatur spezifiziert.
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