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Leuchtdiode

Leuchtdioden (light-emitting-diodes = LEDs) sind optoelektronische Halbleiterbauelemente, die direkt elektrische Energie in Licht umwandeln können (Elektrolumineszenz). Für lange Zeit wurden sie praktisch nur für kleine Signallämpchen wie in Abbildung 1 eingesetzt, da sie nur geringe Lichtleistungen liefern konnten und auch nicht sehr effizient waren.

Leuchtdioden werden in LED-Lampen eingebaut, also in Leuchtmitteln, die wiederum in Leuchten eingebaut werden.

In den letzten Jahren wurden jedoch massive technische Fortschritte erreicht, die zu zusätzlichen möglichen Farben, einer dramatisch erhöhten Lichtausbeute und einer sehr hohen Energieeffizienz führten. Insbesondere wurde die früher ineffiziente Lichtauskopplung aus dem Halbleiterchip stark optimiert, ebenfalls die Wärmeabfuhr bei LEDs größerer Leistung. Dadurch werden Leuchtdioden nun auch für Beleuchtungszwecke interessant, zumal sie diverse attraktive Vorteile bieten, wie weiter unten diskutiert. Diese Entwicklung ist noch lange nicht beendet; mit weiteren erheblichen Fortschritten bezüglich Helligkeit, Effizienz, Farbtreue und Herstellungskosten ist zu rechnen.

Bislang ist es schwierig bzw. aufwendig, mit LEDs sehr hohe Lichtmengen zu erzeugen, wenn das Gehäuse kompakt sein muss. Dies liegt daran, dass leistungsstarke LED-Leuchten mehr oder stärkere LED-Chips benötigen, und dass deren Kühlung aufwendiger ist. Obwohl relativ wenig Wärme abgeführt werden muss, brauchen leistungsfähige LED-Leuchten relativ große Kühlkörper (z. B. Kühlrippen), da die LED-Chips keine sehr hohen Temperaturen vertragen. Tiefe Temperaturen sind dagegen kein Problem; sie können die Lichtausbeute und die Lebensdauer sogar noch weiter verbessern.

Neue Bauformen für den Ersatz von Glühlampen oder Leuchtstoffröhren

Leuchtdioden werden mittlerweile auch als Energiesparlampen angeboten, die für den direkten Ersatz von Glühlampen mit Sockel E27 oder E14 geeignet sind. Während die in Abbildung 2 gezeigten Lampen erheblich anders aussehen als Glühlampen und auch eine ganz andere Abstrahlcharacteristik haben, gibt es auch LED-Filament-Lampen, die Glühlampen viel mehr ähneln. Sie enthalten "Filamente", die aus mehreren in Reihe geschalteten LED bestehen und zwar viel dicker sind als ein Glühfaden, aber immerhin sehr länglich, und sie strahlen vor allem seitwärts ab.

Andere LED-Leuchten haben Sockel wie die für Halogenstrahler, um diese direkt zu ersetzen.

In jedem Fall sind diverse Aspekte zu beachten:

• Unterschiedliche Farbtöne sind erhältlich (siehe unten), insbesondere warmweiß und kaltweiß. Im letzteren Fall ist oft ein deutlicher Blaustich zu sehen; für Wohnräume ist dies wenig geeignet.
• Die Energieeffizienz kann sehr hoch sein – meist sogar deutlich höher als diejenige von Leuchtstofflampen. Die Lichtausbeute liegt zwar manchmal unter 70 lm/W, in anderen Fällen aber auch über 100 lm/W – tendenziell für kaltweiße Leuchten höher als für warmweiße. Weitere technische Fortschritte sind zu erwarten.
• Die Abstrahlung erfolgt oft stärker gerichtet als bei einer Glühlampe. Dies kann insbesondere bei Strahlern die effektive Lichtausbeute weiter deutlich verbessern, bei manchen anderen Leuchten aber völlig unpassend sein.
• Die Leuchten starten meistens (aber nicht immer) ohne jede Verzögerung, liefern sofort die volle Helligkeit und flackern nicht.

• Ihre Lebensdauer ist in der Regel noch höher als die von Leuchtstofflampen, also weitaus höher als von Glühlampen. Häufiges Ein- und Ausschalten sollte diesen LED-Leuchten nicht schaden, wenn das eingebaute Netzteil gut konstruiert ist. (Zu gelegentlich doch auftretenden Problemen mit der Lebensdauer siehe unten.) Das Dimmen ist bei manchen Modellen möglich.
• Etliche Modelle, vor allem Billigprodukte, zeigen eine stark ausgeprägte Oszillation der abstrahlten Lichtleistung, meist mit einer Frequenz von 100 Hz (doppelte Netzfrequenz). Häufig liegt die Spitzenleistung mehr als doppelt so hoch wie die durchschnittliche Leistung. Vor allem dimmbare Leuchten emittieren oft eine Folge ziemlich kurzer Pulse, wenn sie bei niedriger Leistung betrieben werden: Die Spitzenleistung bleibt beim Dimmen etwa konstant, nur die Dauer der Pulse wird reduziert. Dies führt zu Stroboskop-Effekten, wenn man schnell bewegte Dinge in diesem Licht beobachtet. Bei ruhenden Szenen ist die Frequenz der Lichtmodulation meist zu hoch, um als Flimmern bemerkt zu werden, jedoch würde man sich trotzdem eine gleichmäßigere Abstrahlung wünschen. Mit hochwertiger Elektronik im Leuchtmittel ist das auch problemlos erreichbar.
• Im Vergleich zu Kompaktleuchtstofflampen sind LED-Leuchten noch teuer. Ein starker Preiszerfall ist für die nächsten Jahre jedoch zu erwarten.

Ebenfalls gibt es LED-Leuchten in Röhrenform, die direkt in die Fassungen von Leuchtstofflampen eingesetzt werden können. Manche Modelle erfordern allerdings, dass die Ballast-Drossel und der Starter entfernt werden; bei anderen muss nur der Starter entfernt oder ausgewechselt werden. (Falls später doch wieder eine Leuchtstoffröhre in die Fassung eingesetzt werden soll, muss wieder der ursprüngliche Starter eingebaut werden.) Die Abstrahlung erfolgt nicht nach allen Seiten, sondern vorwiegend in eine Richtung, was die Effizienz z. B. bei indirekter Beleuchtung erheblich verbessern kann.

LED-Bänder (Leuchtstreifen) (siehe Abbildung 3) können mehrere Meter lang sein und werden aufgerollt geliefert. Sie sind einerseits für dekorative Lichteffekte geeignet (in diesem Falle meist mit geringer Leuchtkraft), andererseits aber auch in versteckter Form für indirekte Beleuchtungen, für die man früher gewöhnlich Leuchtstoffröhren einsetzte. In den letzteren Fällen wird man oft Leuchtbänder mit hoher Leuchtstärke einsetzen, beispielsweise mit 1000 Lumen pro Meter.

Es gibt auch Leseleuchten, die nicht auswechselbare LEDs enthalten. Dies bedeutet, dass beim Ausfall des Leuchtmittels die ganze Leuchte praktisch unreparierbar ist. Das mag bei sehr einfachen Leuchten noch halbwegs akzeptabel sein, wenn eine Lebensdauer von zehntausenden von Stunden erreicht wird. Durch einen Stecksockel austauschbare Leuchtmittel sind freilich vorzuziehen, allein schon weil dies den Einsatz unterschiedlicher Lichtstärken oder Farbtöne ermöglicht und eventuell auch das Dimmen.

Andere Einsatzmöglichkeiten

LEDs werden heute bereits sehr viel für diverse kleine Leuchten verwendet wie z. B. Taschenlampen oder auch kleine Scheinwerfer für Fahrräder. In dieser Form lassen sie sich relativ preisgünstig herstellen. Ihre sehr geringe Stromaufnahme ermöglicht sehr viel längere Lebensdauer von Batterien als mit kleinen Glühlämpchen, die sogar ineffizienter sind als große Glühlampen. Ebenfalls sind so wesentlich kompaktere Gehäuse möglich.

Es gibt auch bereits etwas stärkere Scheinwerfer z. B. für Beleuchtungszwecke im Garten. Diese haben z. B. eine Aufnahmeleistung von 10 Watt und erzeugen damit 800 Lumen. Verglichen mit einem 500-Watt-Halogenstrahler, der über 5000 Lumen erzeugt, ist die Helligkeit erheblich geringer, der Stromverbrauch aber auch 50 mal geringer.

Lichtfarben

Naturgemäß strahlen Leuchtdioden (LEDs) farbiges Licht ab. Besonders gut funktionieren rote, orangene und blaue LEDs, während bei grünen LEDs die Lebensdauer bisher tendenziell weniger gut ist.

Für Beleuchtungszwecke wird meistens weißes Licht benötigt. Hierfür gibt es zwei verschiedene technische Ansätze:

• Eine LED-Leuchte kann eine Ansammlung von LEDs mit verschiedenen Farben enthalten, die sich insgesamt zu weißem Licht mischen. (Selbst ein einzelnes Bauteil kann Chips für verschiedene Farben enthalten.) Beispielsweise können rote, grüne und blaue LEDs kombiniert werden; man spricht dann von RGB-LEDs.
• Eine blaue LED kann mit einem Lumineszenz-Leuchtstoff kombiniert werden, der einen Teil des blauen Lichts absorbiert und dafür grünes, gelbes und rotes Licht abstrahlt. In der Summe ergibt sich wieder ein weißer Farbeindruck. Die meisten weißen LEDs (weiße Standard-LEDs) basieren auf diesem Prinzip.

Der RGB-Ansatz hat den Vorteil, dass die Leistung für die einzelnen Lichtfarben getrennt eingestellt werden kann, was eine nachträgliche Abstimmung bzw. Änderung des erzeugten Farbtons ermöglicht. Beispielsweise wird in modernen Flugzeugen die LED-Beleuchtung auf weniger intensives und wärmeres Licht (mit stärkeren Rottönen) gestellt, wenn sich die Fluggäste entspannen sollen. Wenn dagegen Einreiseformulare ausgefüllt werden müssen, wird helleres Licht mit stärkerem Blauanteil erzeugt. Ähnliche Anwendungen werden auch für Wohnräume eingeführt.

Ähnlich wie bei Leuchtstofflampen kommen bei weißen LED-Lampen unterschiedliche Varianten von "weiß" vor, die sich unter anderem in der Farbtemperatur unterscheiden. Warmton-Lampen ("warmweiß") mit relativ niedriger Farbtemperatur gelten als gemütlicher, während Kaltton-Lampen (kaltweiß) beispielsweise für Büros und Küchen eher besser geeignet sind. Leider ist der genaue Farbeindruck durch die Farbtemperatur noch nicht festgelegt; beispielsweise emittieren manche Warmton-Lampen ein etwas unnatürlich rötlich gefärbtes Licht, welches nicht dem von heruntergedimmten Glühlampen entspricht. Der Farbwiedergabeindex kann je nach verwendete Modell recht hoch oder auch ziemlich niedrig liegen.

Vor- und Nachteile von Leuchtdioden

Die Vorteile von Leuchtdioden sind vielfältig:

• Die Lichtausbeute ist je nach Farbe und Konstruktionsdetails unterschiedlich, bei modernen LEDs aber generell sehr hoch. Weiße LEDs können nun weit über 100 lm/W (teils sogar schon über 200 lm/W) erreichen und damit selbst Leuchtstofflampen noch erheblich übertreffen.
• Die extreme Kompaktheit der LED-Chips ermöglicht eine große Vielfalt von Bauformen (darunter auch sehr kleine) und damit sehr vielfältige Lichtanwendungen. Auch für Bildschirme z. B. von Fernsehern und Computermonitoren eignen sie sich sehr gut. Lediglich bei höheren Leistungen kann wegen der Notwendigkeit der Kühlung ein etwas größeres Gehäuse notwendig werden. Bei kleinen Leistungen sind auch sehr gut zu versteckende Bauformen möglich.
• Die Abstrahlung kann stark gerichtet erfolgen, was eine gezielte Beleuchtung mit hoher Effizienz erleichtert. Eine diffuse Abstrahlung ist genauso möglich.
• Die Lebensdauer ist meist außerordentlich hoch (weit über 10 000 Stunden, teils sogar 100 000 Stunden), vorausgesetzt dass die Betriebstemperatur nicht zu hoch wird und keine Stromspitzen (z. B. durch Blitzeinschläge) auftreten. Die hohe Lebensdauer ist z. B. bei Verkehrsampeln sehr vorteilhaft, aber auch überall wo der Aufwand für einen Lampenwechsel besonders hoch wäre. Allerdings wird in der Praxis leider doch häufig eine stark reduzierte Lebensdauer von Haushalts-LEDs beobachtet, was unterschiedliche Ursachen haben kann, beispielsweise eine zu hohe Betriebstemperatur bei stundenlangem Betrieb in einer wenig belüfteten Leuchte, oder auch schlicht eine mangelhafte Produktqualität.
• Ein Flackern wie bei manchen Leuchtstofflampen gibt es mit LEDs in aller Regel ebenso wenig wie Brummen oder andere Geräusche (außer evtl. mit schlechten Netzteilen).
• LEDs sind sehr robust gegen Schläge, die z. B. Glühlampen und Leuchtstofflampen zerstören würden. Dies ist wichtig z. B. für den Einsatz in Fahrzeugen.
• LEDs lassen sich ohne Verlust an Lebensdauer sehr schnell und sehr oft schalten, vorausgesetzt dass die eingesetzte Elektronik genügend hochwertig ist. Es ist sogar möglich, durch sehr schnelles, für das Auge nicht sichtbares Schalten Daten mit hohen Raten auf geeignete Empfänger zu übertragen. Dies könnte in Zukunft z. B. dazu dienen, Musiksignale an drahtlose Empfänger zu senden, ohne damit Elektrosmog zu erzeugen.
• Das Dimmen der Helligkeit ist ebenfalls möglich, wenn das Netzteil dafür ausgelegt ist (was allerdings oft nicht der Fall ist). Die Helligkeit lässt sich hier anders als bei Glühlampen reduzieren, ohne dass die Effizienz darunter leidet oder sich der Farbton wesentlich verändert.
• Farbiges Licht kann direkt erzeugt werden, und zwar ohne zusätzliche Farbfilter, die die Effizienz stark reduzieren würden.

Auf der anderen Seiten gibt es diverse Nachteile:

• Die Kosten für LED-Lampen vor allem mit höheren Leistungen sind heute noch wesentlich höher als für Lampen mit anderen Leuchtmitteln. Allerdings dürften die Preise noch erheblich fallen.
• Die Farbwahrnehmung bei Beleuchtung mit weißen LEDs (insbesondere weißen Standard-LEDs mit Leuchtstoffen) ist teilweise stark verändert; das Licht kann sehr "kalt" wirken, manchmal sogar bläulich. Teilweise muss ein Kompromiss zwischen höherer Effizienz und besserer Farbtreue eingegangen werden. Die Entwicklung dürfte hier aber auch weitergehen. Teurere RGB-LEDs mit besserer Farbwiedergabe oder gar einstellbarem Farbton sind bereits erhältlich.
• LEDs müssen mit sehr geringen elektrischen Spannungen, aber höheren Stromstärken betrieben werden. Für den Betrieb am Stromnetz wird ein Netzteil benötigt, und selbst für Betrieb mit Niederspannung braucht man in der Regel eine entsprechende Elektronik (am besten mit einem Schaltregler). Eine solche Elektronik ist z. B. in Energiesparlampen auf LED-Basis integriert. Minderwertige Elektronik kann die Energieeffizienz und die Lebensdauer reduzieren.

• LED-Lampen (vor allem solche höherer Leistung), die in rundum geschlossenen Lampengehäusen betrieben werden, könnten durch Überhitzung an Lebensdauer verlieren. Sie sind deswegen auch für den Betrieb in sehr warmen Umgebungen kaum geeignet.
• LEDs enthalten giftige Substanzen wie Gallium und Arsen, allerdings nur in geringen Mengen (Größenordnung von 1 mg). Diese Substanzen sind zudem in einem Festkörpermaterial so stark gebunden, dass sie erst bei totaler mechanischer Zerstörung (mehr als nur Zerbrechen der Leuchte), bei der Auflösung in einer Säure oder beim Verbrennen frei werden. Sie enthalten auch diverse elektronische Bauelemente, die dem Recycling zugeführt werden sollten. Sie sollten deswegen nicht in den Hausmüll gegeben werden.

Siehe auch: Beleuchtung, Glühlampe, Leuchtstofflampe, Leuchtmittel, Energiesparlampe, Energieeffizienz