Die Eigenschaften

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Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperatur-
strahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist fast monochrom. Deshalb ist der Einsatz in Signalanlagen zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern, besonders effektiv.

Als Lebensdauer der LED wird die Zeit, nach der die Lichtausbeute der LED auf die Hälfte des Anfangwertes abgefallen ist, bezeichnet. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber i. d. R. nicht plötzlich aus. Leuchtdioden sind unempfindlich gegen Erschütterungen. Sie haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Lebensdauer hängt von dem jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen 1.000 Stunden bei 5-Watt-LED bis zu über 100.000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LED. Hohe Temperaturen (z. B. durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LED drastisch.

 


Die hohe Schaltgeschwindigkeit der LED ist z. B. bei dem Einsatz in der Optoelektronik wichtig. Die Modulationsfrequenz beträgt bis zu 100 MHz.
Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie. Im Betrieb muss der Strom durch ein weiteres Bauelement begrenzt werden, im einfachsten Fall durch einen Widerstand oder durch eine Konstantstromquelle. Damit ist einer mehr oder weniger starken und zudem meist ungewollten Veränderung des Nennstroms (und somit auch Änderungen der Leuchtstärke) bis hin zur Zerstörung des Leuchtmittels wirksam vorgebeugt. Die Stromaufnahme variiert von Modell zu Modell zwischen 2 mA (z. B. miniaturisierte SMD LED), 20 mA (z. B. 5-mm-LED) bis ca. 700 mA oder mehr bei LED für Beleuchtungszwecke. Die Durchlassspannung (abgekürzt Uf bzw. Vf) reicht dabei von etwa 1,3 V (Infrarot-LED) bis ca. 4 V (InGaN-LED: grün, blau, UV).

Weiße LED

Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz:
Drei Leuchtdioden der Farben Rot, Grün und Blau (RGB) werden zusammengeschaltet und erzeugen weißes Licht (Einsatz: Displays, Effektbeleuchtung). Das kann mit separaten LED oder mit drei LED-Chips innerhalb eines Gehäuses geschehen. Auch mit nur zwei LED in den Farben Blau und Gelb kann weißes Licht gemischt werden.
Der LED-Chip wird mit Fluoreszenzfarbstoff bedeckt. Ähnlich wie bei einer Leuchtstofflampe wird kurzwelliges, energiereiches Licht (blau/UV-Licht) in langwelliges, energieärmeres Licht umgewandelt. Bei geeigneter Wahl der Komponenten ergibt die additive Farbmischung weiß. Die Wahl der Farbstoffe variiert dabei mit den verwendeten Materialien. Entweder regt man mit einer UV-LED verschiedene Farbstoffe (z.B. RGB) an, die in der Kombination weißes Licht erzeugen. Oder man nimmt eine blaue LED als Grundlage und verwendet nur einen einzigen Farbstoff (gelb, meist Cer-dotiertes YAG).
Die Verwendung von mehreren Farbstoffen ist teurer und liefert geringere Lichtausbeute, es lassen sich aber damit gute Farbwiedergabeeigenschaften (Farbwiedergabeindex Ra 90) erzeugen.
Für kommerzielle Beleuchtungen wird aus Kostengründen immer die Variante mit einer Leuchtdiode in Kombination mit Farbstoffen verwendet: handelsübliche weiße LEDs bestehen meist aus einer blauen LED mit einer darüber liegenden gelblich fluoreszierenden Schicht aus Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat-Pulver.
Da blaue LEDs den höchsten Wirkungsgrad haben (UV-LEDs hingegen nicht die Hälfte der Lichtausbeute) und der ganz erhebliche UV-Anteil, den jede blaue LED zusätzlich abstrahlt, durch diese Fluoreszenzschicht ebenfalls weitgehend in gelbliches Licht umgewandelt wird, ist dies die wirtschafllichste Methode, weißes Licht per LED zu erzeugen.
Die Art der Farbstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand der Grafik deutlich sehen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Fluoreszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den meisten roten Farbstoffen nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und in Farbdisplays zu einer schlechten Rotwiedergabe führt. RGB-LEDs hingegen (nicht in der Grafik zu sehen) erzeugen drei ziemlich ‘spitze’, d.h. schmalbandige Farbanteile. Trotz zu erwartender Probleme mit schmalbandigen Farbstoffen ist deren Farbwiedergabe im Allgemeinen besser, was sich vor allem bei Farbdisplays in brillianten Farben bemerkbar macht. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicke resultiert (besonders am Rand) in einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe. Weiterhin werden weiße LED für unterschiedliche Arten von weißem Licht gefertigt (bekannt von kaltem Licht aus Neonröhren gegenüber warmem Licht aus Glühlampen). Die Unterschiede in der Lichtfarbe kann mit der Farbtemperatur angegeben werden (gemessen in Kelvin). Eine Farbtemperatur von 3000 K steht für eine warme rötliche Lichtfarbe, wogegen 6000 K eine kalte, tageslichtähnliche Farbe beschreibt.