Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode (kurz LED von englisch light-emitting diode ‚Licht-emittierende Diode‘, auch Lumineszenz-Diode) ist ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement, dessen elektrische Eigenschaften einer Diode entsprechen. Fließt durch die Diode elektrischer Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab. Die rund ersten drei Jahrzehnte seit ihrer Erfindung 1962 diente die LED zunächst als Leuchtanzeige und zur Signalübertragung, durch technologische Verbesserungen wurde die Lichtausbeute immer größer, und es folgten Ende der 1990er Jahre Anwendungen im Bereich der LED-Leuchtmittel im Alltagsgebrauch.

Nahaufnahme einer im Durchmesser 5 mm großen Leuchtdiode in transparentem Kunststoffgehäuse

Die LED als Halbleiter

Aufbau

Innerer Reflektor einer Leuchtdiode

Leuchtdiode in SMD-Bauweise

Verschiedene Leuchtdioden

Der Halbleiterkristall vieler Leuchtdioden ist auf den Boden einer kegelförmigen Vertiefung in einem Metallhalter gelötet. Die Innenseiten der Vertiefung wirken als Reflektor für das aus den Seiten des Kristalls austretende Licht. Die Lötstelle bildet einen der beiden elektrischen Anschlüsse des Kristalls. Gleichzeitig nimmt sie die Abwärme auf, die entsteht, weil der Halbleiterkristall nur einen Teil der elektrischen Leistung in Licht umsetzt. Der Halter mit dem Reflektor ist bei bedrahteten Leuchtdioden als Draht mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt, der als elektrischer Anschluss dient. Anders als sonst bei Elektronikbauteilen üblich besteht der Anschlussdraht nicht aus verzinntem Kupfer, sondern aus verzinntem Stahl. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist vergleichsweise gering. Dadurch wird der Halbleiterkristall beim Einlöten des Bauteils in eine Leiterplatte nicht durch Überhitzung zerstört.

Die Oberseite des Kristalls ist nur durch einen dünnen Bonddraht elektrisch mit dem zweiten Stahlanschlussdraht verbunden, damit der Anschluss nur sehr wenig der lichtemittierenden Oberfläche verdeckt.

Die Kathode (−) ist durch eine Abflachung am Bund des Gehäusesockels markiert. Bei fabrikneuen Leuchtdioden ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer (Merkregel: Kathode = kurz = Kante). Bei den meisten Leuchtdioden ist der Reflektor die Kathode, dann gilt auch die Merkregel, dass die technische Stromrichtung von dem Pfeil, den die Anode (+) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird. In seltenen Fällen ist der Aufbau umgekehrt.

Hochleistungs-Leuchtdioden (H-LED) werden mit höheren Strömen als 20 Milliampere betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder in den Leuchtdiodenkörper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden. Die meisten H-LEDs von 1 Watt aufwärts sind für die Montage auf Kühlkörper vorbereitet. Eine hohe Temperatur führt bei LEDs unmittelbar zur Absenkung des Wirkungsgrads und langfristig zur Verkürzung der Lebensdauer, ein wesentlicher Nachteil gegenüber Glühlampen.

Eine weitere Möglichkeit ist das direkte Drahtbonden des Leuchtdioden-Chips auf der Platine (chip on board) und der spätere Verguss mit Silikon. Im Fachhandel werden diese Leuchtmittel „COB-LED“ genannt.

Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (zwei oder drei) Dioden in einem Gehäuse. Meist haben sie eine gemeinsame Anode oder Kathode und einen Anschluss für jede Farbe. Bei einer Ausführung mit zwei Anschlüssen sind zwei Leuchtdioden-Chips antiparallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder die andere Diode. Eine quasi stufenlose Farbveränderung kann man über ein variables Pulsbreitenverhältnis eines geeigneten Wechselstroms realisieren.

Funktionsprinzip

Der prinzipielle Aufbau einer Leuchtdiode entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode; Leuchtdioden besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt werden, ist das Ausgangsmaterial für Leuchtdioden ein direkter Halbleiter, meist eine Galliumverbindung als III-V-Verbindungshalbleiter.

Wird an eine Halbleiterdiode eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen von der n-dotierten Seite zum p-n-Übergang. Nach Übergang zur p-dotierten Seite geht das Elektron dann in das energetisch günstigere Valenzband über. Dieser Übergang wird Rekombination genannt, denn er kann auch als Zusammentreffen von einem Elektron im Leitungsband mit einem Defektelektron (Loch) interpretiert werden. Die bei der Rekombination frei werdende Energie wird in einem direkten Halbleiter meist direkt als Licht (Photon) abgegeben.

Neben der direkten strahlenden Rekombination ist auch die Beteiligung von Exzitonen und Phononen möglich, was zu etwas weniger energiereicher Strahlung führt (die Farbe des abgestrahlten Lichts wird ins Rötliche verschoben). Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle.

Spezielle Varianten, die nicht direkt zu den Leuchtdioden gezählt werden aber auf ähnlichen Wirkprinzipien beruhen, sind die Laserdiode, die Resonant-cavity light emitting diode (RCLED bzw. RC-LED) sowie die Organische Leuchtdiode (OLED).

Materialwahl – indirekte und direkte Halbleiter

Bandstrukturen zweier Halbleiter
links: direkter Halbleiter (z. B. Galliumarsenid),
rechts: indirekter Halbleiter (z. B. Silizium)

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt unter anderem das Verhalten der Energieübertragung beim Übergang eines Elektrons vom Leitungs- ins Valenzband und andersherum. In der Grafik rechts sind zwei vereinfachte Bandstrukturdiagramme dargestellt. Dabei ist der Verlauf des Leitungs- und des Valenzbandes über den Wellenvektor ${\vec {k}}$ aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate, der den nötigen Impulsübertrag charakterisiert. Dargestellt sind die beiden Grundformen von Halbleitern bzw. Bandübergängen: Links ein strahlender Übergang eines direkten Halbleiters und rechts ein Übergang eines indirekten Halbleiters.

Bei indirekten Halbleitern wie Silizium erfordert der Wechsel der Elektronen vom Leitungsbandminimum in das Valenzbandmaximum einen zusätzlichen Impulsübertrag ${\vec {k}}$, um die Impulserhaltung zu gewährleisten. Der Impulsübertrag erfolgt z. B. durch die Emission oder Absorption eines Phonons (Gitterschwingung). Die Bedingung, dass ein zusätzliches Quasiteilchen an dem Übergang beteiligt sein muss, reduziert seine Wahrscheinlichkeit. Indirekte Halbleiter sind daher als Leuchtdiode nicht geeignet. Es dominieren nicht-strahlende Übergänge wie die Rekombination über Störstellen (Shockley-Read-Hall-Rekombination). Entsprechend leuchtet zum Beispiel eine normale Gleichrichterdiode nicht.

Im Gegensatz dazu stehen die direkten Halbleiter, sie zeichnen sich durch einen „direkten Bandübergang“ aus, was bedeutet, dass die Elektronen am unteren Rand des Leitungsbandes (Leitungsbandminimum) und am oberen Ende des Valenzbandes (Valenzbandmaximum) denselben Impuls haben. Damit ist ein direkter Übergang des Elektrons unter Aussendung eines Photons (Licht) möglich, ohne dass ein Phonon zur Impulserhaltung beteiligt sein muss. Die Quantenausbeute des direkten Halbleiters Galliumarsenid liegt bei ca. 0,5, beim indirekten Halbleiter Silizium nur bei etwa 1·10⁻⁵.

Die Energie des emittierten Photons ist gleich der Energie der Bandlücke, also dem energetischen Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband.

$\lambda (W_{\mathrm {D} })={\frac {h\cdot c}{W_{\mathrm {D} }}}\,\qquad \mathrm {mit} \quad W_{\mathrm {D} }=E''-E'$

als Zahlenwertgleichung:

$\lambda (W_{\mathrm {D} })={\frac {1240\,\mathrm {nm\,eV} }{W_{\mathrm {D} }}}$

λ(W_D): Wellenlänge des emittierten Lichtes. (Für die Zahlenwertgleichung in nm, wenn $W_{\mathrm {D} }$ in eV eingesetzt wird.)

h: Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10⁻³⁴ Js = 4,13567 · 10⁻¹⁵ eVs

c: Lichtgeschwindigkeit = 2,99792458 · 10⁸ ms⁻¹

W_D: Arbeit, hier: Bandlücke (Für Zahlenwertgleichung angegeben in eV), abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff.

Zusammenhang von LED-Leuchtfarbe und Durchlassspannung

Die Größe der Bandlücke, also der Energielücke $E''-E'$, bestimmt die Energie, das heißt die Frequenz, Wellenlänge bzw. Farbe des ausgesandten Lichtes. Sie lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. So verändert der Austausch von Atomen im Kristallgitter den kristallinen/molekularen Aufbau des Materials, u. a. seine Gitterparameter oder sogar seine Gitterstruktur. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, das heißt im Bereich des nahen Infrarot. Die Zugabe von Phosphor vergrößert den Bandabstand, was das ausgesandte Licht energiereicher macht, wobei die Wellenlänge abnimmt und die Farbe von Infrarot zu Rot und Gelb übergeht. Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 Prozent der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast zwei Elektronenvolt, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt. Die Energie der Bandlücke spiegelt sich auch in der Höhe der Durchlassspannung der Diode wider. Bei langwelligem Licht liegt sie bei ca. 1,5 V, bei blauem Licht bei 3 V, während Siliziumdioden kleinere Werte von ca. 0,6 V aufweisen.

Farben und Technologie

Blaue LED aus InGaN

Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich und die Effizienz lassen sich so beeinflussen:

• Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot (665 nm) und infrarot bis 1000 nm Wellenlänge
• Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
• Galliumphosphid (GaP) – grün
• Siliziumkarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
• Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte
• Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – Ultraviolett, Violett, blau und grün
• Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer davor befindlichen gelblichen Lumineszenzschicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt und primär im Bereich der LED-Leuchtmittel Einsatz findet.
• ähnlich wie bei der weißen LED, aber mit veränderter Lumineszenzschicht entstehen Pastelltöne

Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt.

Die Farbe einer Leuchtdiode hängt wesentlich vom Bandabstand des eingesetzten Halbleitermaterials ab. Die Farbe entspricht direkt einer bestimmten Wellenlänge λ, d. h. dem Kehrwert der Frequenz der emittierten elektromagnetischen Strahlung, multipliziert mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Spektrum einer roten, grünen, blauen und weißen Leuchtdiode

Materialsysteme der LEDs verschiedener Farben

Farbe	Wellenlänge λ in nm	Werkstoff
Infrarot	λ > 760	Galliumarsenid (GaAs) Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)
Rot	610 < λ < 760	Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Orange	590 < λ < 610	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Gelb	570 < λ < 590	Galliumarsenidphosphid (GaAsP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Galliumphosphid (GaP)
Grün	500 < λ < 570	Indiumgalliumnitrid (InGaN) / Galliumnitrid (GaN) Galliumphosphid (GaP) Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP) Aluminiumgalliumphosphid (AlGaP) Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Blau	450 < λ < 500	Zinkselenid (ZnSe) Indiumgalliumnitrid (InGaN) Siliziumkarbid (SiC) Silizium (Si) als Träger, in Entwicklung Zinkoxid (ZnO), in Entwicklung
Violett	400 < λ < 450	Indiumgalliumnitrid (InGaN)
Ultraviolett	230 < λ < 400	Diamant (C) Aluminiumnitrid (AlN) Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN)

Weiße LED

Um mit Leuchtdioden, die grundsätzlich nur monochromatisches Licht erzeugen, weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zur additiven Farbmischung zum Einsatz.

Kombination verschiedenfarber LEDs und Leuchtstoffe

Nahaufnahme einer RGB-Leuchtdiode (Durchmesser ca. 5 mm) mit den drei einzelnen LED-Chips

Rote, grüne, blaue Leuchtdioden, sogenannte RGB-LEDs, abgeleitet von dem Begriff des RGB-Farbraumes, werden in einem LED-Gehäuse miteinander so kombiniert, dass sich ihr Licht gut mischt und damit bei entsprechender Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden von außen als weiß erscheint. Zur besseren Lichtmischung sind meist zusätzliche optische Komponenten wie ein Diffusor erforderlich. Bei dieser Kombination von Leuchtdioden ist durch eine entsprechende Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden auch andersfarbiges Licht herstellbar, auch fließende Farbübergänge sind möglich.

Selten wird eine Ultraviolette-LED (UV-LED) mit mehreren verschiedenen Leuchtstoffen in rot, grün und blau kombiniert, was eine gute Farbwiedergabe bis über R_a = 90 erlaubt. Dabei werden drei relative schmale Peaks im Spektrum erzeugt, was für Licht in drei engen Frequenzbändern steht. Unterschiedliche Leuchtstoff-Schichtdicken führen allerdings insbesondere am Rand zu einer inhomogenen, von der Abstrahlrichtung abhängigen Lichtfarbe, auch kann die Farbtemperatur oder Farbe nicht wie bei RGB-LEDs im Betrieb geändert werden.

Lumineszenz

Erzeugen weißen Lichtes mit einer blauen Leuchtdiode und einem breitbandigen Lumineszenzfarbstoff. Übliches Verfahren bei weißen LEDs.

Schematische Darstellung, wie mit einer blauen LED mit darüber liegenden gelben Leuchtstoff weißes Licht erzeugt wird

Eine blaue oder UV-LED wird mit photolumineszierendem Farbstoff, auch als Leuchtstoff bezeichnet, kombiniert. Ähnlich wie auch in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höherenergetisches Licht wie das blaue Licht des LED in langwelligeres Licht umgewandelt werden. Die Wahl der Leuchtstoffe kann variieren und legt die Farbtemperatur fest.

Beim gängigsten Herstellungsverfahren für weiße LEDs wird Galliumnitrid epitaktisch, meist mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE), auf einen Träger (Substrat) aus Saphir aufgebracht. So entsteht die erste Schicht des GaN-Halbleiterkristalls. Die lichtemittierende Schicht besteht in der Regel aus InGaN, deren blaues Licht vom Leuchtstoff teilweise in längerwelliges Licht umgewandelt wird. In einem neuen Verfahren, dessen wesentliche Grundlagen im Jahr 2000 an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickelt wurden, wird das teure Saphirsubstrat durch Silizium ersetzt. Auf das Silizium lässt man dann nach einer ersten AlN-Schicht das Galliumnitrid aufwachsen. Effizient sind solche LEDs jedoch nur, wenn das lichtabsorbierende Siliziumsubstrat entfernt und durch eine hochreflektierende Schicht, meist auf Silberbasis, ersetzt wird, wie es für Hochleistungs-LEDs auf Saphirsubstraten inzwischen der Fall ist. Durch dieses Verfahren können die wesentlich günstigeren und großflächigen Siliziumscheiben zur LED-Herstellung verwendet werden, und der Ablöseprozess vom Substrat wird stark vereinfacht.

Die Art der Leuchtstoffbeschichtung ist dabei für die Qualität entscheidend. Wie man anhand der Grafik erkennen kann, erzeugt die im Mittel gelblich leuchtende Lumineszenzschicht ein sehr breitbandiges Licht, was zu einem ausgeglichenen Spektrum führt. Andererseits ist die Überlappung mit den Spektren der meisten roten Farbstoffe nur schlecht, was die Farbwiedergabe beeinträchtigt und beispielsweise in Farb-LCDs, die mit solchen weißen LEDs hinterleuchtet sind, zu einer schlechten Rotwiedergabe führt.

Eigenschaften

Spektrale Charakteristik

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Wärmestrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochromatisch. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen zur Erzielung einer monochromen Farbcharakteristik Farbfilter den größten Teil des Spektrums absorbieren müssen. Für die Verwendung von Leuchtdioden für allgemeine Beleuchtungszwecke werden meist blaue Leuchtdioden mit Leuchtstoffen kombiniert. Sie besitzen neben dem breiten Spektrum des Leuchtstoffes einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.

Bis Anfang der 1990er Jahre konnten Leuchtdioden nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums in hinreichender Qualität hergestellt werden, insbesondere blaue Leuchtdioden waren nicht verfügbar. Auch der Einsatz grüner Leuchtdioden war für Verkehrsampeln wegen der geforderten blaugrünen Lichtfarbe nicht möglich. Die Entwicklung erster blaugrüner Leuchtdioden geht auf Arbeiten von Isamu Akasaki im Jahr 1989 auf Basis des Werkstoffes Galliumnitrid zurück. Die Massenproduktion blaugrüner und danach blauer Leuchtdioden begann im Jahr 1993.

Elektrische Eigenschaften

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie, die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung (Spannung über die Diode, bei z. B. 1/20 des Maximalstroms) stellt sich durch Betrieb unter Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuung und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig angenähert in Form eines Vorwiderstandes) ist daher wichtig für eine definierte Leuchtstärke. Ein direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist sehr riskant, da der Arbeitspunkt über die Spannung für den gewünschten Strom wegen der Exemplarstreuung und der Temperaturabhängigkeit nicht ausreichend genau eingestellt werden kann.

Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute durch Optimierungen des Halbleitermaterials und der Geometrie von Halbleiterkristall und Gehäuse erhöht. Das ermöglichte es ab etwa den 1990er Jahren, LEDs mit sehr kleinem Strom zu betreiben (Low-current-LEDs) und dennoch eine sinnvolle Helligkeit zu erzielen. Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung U_f (für englisch forward voltage) hängt vom Halbleitermaterial ab, das wiederum die Lichtfarbe bestimmt. Anhaltspunkte für den Spannungsabfall sind:

• Infrarot-LED: 1,2–1,8 V, typ. 1,3 V
• Rot: 1,6–2,2 V
• Gelb, Grün: 1,9–2,5 V
• Blau, UV, weiß: 3–4 V, typ. 3,4 V .

Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel 5 Volt.

Optische Eigenschaften

Leuchtdioden werden meist mit Polymeren verkapselt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas-, Keramik- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen der Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall. Er setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren, bestimmbaren Raumwinkel. Da Glas in der Regel einen höheren Brechungsindex als Kunststoff und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt werden. Das nicht entspiegelte Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa 10 %, auch weil es den Kristall nicht direkt berührt.

Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel.

Strahlungsleistung gegenüber Öffnungswinkel

Öffnungswinkel	180°	170°	160°	150°	140°	130°	120°	110°	100°	95°	90°	85°	80°	75°	70°
sr-Faktor	6,2832	5,7356	5,1921	4,6570	4,1342	3,6278	3,1416	2,6793	2,2444	2,0383	1,8403	1,6507	1,4700	1,2984	1,1363
Öffnungswinkel	65,55°	60°	55°	50°	45°	40°	35°	30°	25°	20°	15°	10°	5°	1°
sr-Faktor	1,0003	0,8418	0,7099	0,5887	0,4783	0,3789	0,2908	0,2141	0,1489	0,0955	0,0538	0,0239	0,0060	0,00024

Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel um die Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind mehrere Leuchtdioden notwendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende von der Kugelkalotte abgeleitete Gleichung genutzt werden.

$\mathrm {Anzahl} =\left\lceil {\frac {2}{1-\cos \left({\frac {X}{2}}\right)}}\right\rceil$

$X$ bezeichnet den Öffnungswinkel der LED.

Beispiel: Um eine starke 360°-Lampe mit Leuchtdioden (Parameter: 55° Öffnungswinkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm; entspricht ca. 50 lm/W) zu realisieren, sind 18 Leuchtdioden notwendig (eine LED mit 55° Öffnungswinkel beleuchtet ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2.880 lm, der eine Leistungsaufnahme von 54 W besitzt. Dieser Lichtstrom ist vergleichbar mit dem einer 300-Watt-Glühlampe.

Leuchtdioden mit einer Linse, die zur Erzielung eher großer Öffnungswinkel ausgelegt ist, werden auch als Straw-Hat-Led bezeichnet. Mitunter werden zu diesem Zweck auch konkave kegelförmige Formen eingesetzt; sie wirken durch Totalreflexion, wodurch Licht so reflektiert wird, dass es seitlich (in etwa parallel zu Emitterfläche) aus dem Gehäuse austritt.

Alterung

Lebensdauer in Einschaltstunden

Als Lebensdauer (Licht-Degradation) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der der Lichtstrom im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist (L70B50-Wert); einige Internet-Quellen sprechen auch vom Ende der Lebensdauer bei 80 % oder 50 % des anfänglichen Lichtstroms.

Der Lichtstrom von Leuchtdioden nimmt nach und nach ab, sie fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Alterung ist annähernd linear. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial, den Betriebsbedingungen (Temperatur, Strom) und der individuell tolerierbaren Farbtemperaturveränderung der Fluoreszenzfarbstoffe ab (weiße LEDs werden blaustichiger). Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LEDs drastisch.

Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung der Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar.

Anwendungen und Einsatzbereiche

Leuchtdioden unterschiedlicher Farbe, Form und Leistung

Der Anwendungsbereich der LEDs umfasste zunächst in den 1970er und 1980er Jahren aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Farben hauptsächlich Anzeigeelemente wie beispielsweise Statusanzeigen mit den Farben rot, orange, gelb und gelb-grün. Sie ersetzten dabei kleinere Glühlampen oder Glimmlampen. Dieser Anwendungsbereich umfasst auch Anzeigen wie beispielsweise Siebensegmentanzeigen oder Matrixanzeigen, in welchem sie spezielle Elektronenröhren, wie die Fluoreszenzanzeige und deren Vorgänger, die Nixie-Röhre, ablöste.

Seit Beginn der LED ergaben sich auch Anwendungen zur Signalübertragung, wo die Leuchtdiode in ihrer Funktion nicht unbedingt für den Benutzer optisch sichtbar ist und wo Leuchtdioden bis heute dominierend sind. Beispiele sind infrarote LEDs in Infrarotfernsteuerungen, in Lichtschranken oder in Optokopplern zur galvanischen Trennung elektrischer Stromkreise.

LED-Straßenlaterne in Charente, Frankreich

In späterer Folge kam gegen Ende der 1990er Jahre - und mit der Marktverfügbarkeit von leistungsfähigen und kostengünstigen blauen Leuchtdioden in den 2000er Jahren - der Anwendungsbereich der Beleuchtung hinzu. Neben der Raumbeleuchtung oder Straßenbeleuchtung kommen LEDs auch in Taschenlampen, LED-Scheinwerfern und bei der Effektbeleuchtung vor, z. B. in beleuchteten Möbel- und Designerstücken wie Vitrinen oder Rahmen, bei denen schmale und teilweise versteckte LED-Streifen für eine angenehme indirekte Beleuchtung und Raumatmosphäre sorgen sollen.

Gleichzeitig mit der Verfügbarkeit leistungsfähiger Leuchtdioden für Beleuchtungszwecke kamen auch Signalisierungen mit höherer Lichtausbeute hinzu, wie bei Verkehrsampeln, als Rücklicht und als Kennleuchten auf Fahrzeugen. Im Jahr 2011 wurde erstmals in Europa ein Flughafenvorfeld mit LEDs beleuchtet: In Innsbruck leuchtet ein System mit 14 hohen Masten eine Fläche von 49.000 m² aus.

Ein weiterer Anwendungsbereich von LEDs ist die Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristallbildschirmen, da LEDs eine langzeitstabilere Beleuchtung und zum Teil einen niedrigeren Strombedarf als Kaltkathodenlampen aufweisen. Außerdem lassen sich so sehr geringe Bautiefen realisieren. Entsprechende LCD-Fernseher werden umgangssprachlich häufig als LED-Fernseher bezeichnet.

Daneben existieren noch spezielle Einsatzbereiche, welche die spektralen Eigenschaften der eingesetzten Leuchtdioden ausnutzen. Beispiele sind die Medizintechnik, wo unter anderem ultraviolette LEDs zum Polymerisieren von Kunststoffen in der Zahntechnik, rote und infrarote LEDs zur Messung der Sauerstoffsättigung in Pulsoximetern verwendet werden, oder in der Licht-Hauttherapie – auch als LED-Photorejuvenation bekannt.

LED-Entwicklung

Geschichte

Nachbildung des Experiments H. J. Rounds. Eine negativ geladene Nadelspitze auf Siliziumkarbid erzeugt einen grün glimmenden Leuchtdiodenübergang.

Entwicklung des maximalen Lichtstroms kommerziell erhältlicher LEDs. Die Skala ist logarithmisch und die Gerade entspricht daher einem exponentiellen Anstieg.

Am Anfang der Entwicklung der Halbleiter stand eine wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle. Er schildert seine Versuche, bei denen er eine Metallspitze auf einen Sulfidkristall (u. a. Bleisulfid) presste und herausfand, dass der Kristall in einer Richtung gut leitet und zwar umso besser, je höher der Strom ist – in die andere Richtung fließt hingegen nur wenig Strom. Da man damals nur ohmsche Leiter und Isolatoren kannte, passte dieser Gleichricht(er)effekt nicht in die damals bekannten Eigenschaften der Materie, und es dauerte fast 60 Jahre, bis eine Erklärung dieser besonderen Merkmale gefunden werden konnte. Henry Joseph Round (1881–1966) beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer Lichtemission fähig sind. 1921 entdeckte der russische Physiker Oleg Lossew den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis 1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des Einsteinschen photoelektrischen Effektes zu deuten ist. Georges Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.

In der Folgezeit konnte ab 1951 durch die Entwicklung des Bipolartransistors ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht werden. Weiter war es möglich, den Prozess der Lichtemission aufzuklären. Zunächst wurde allerdings weiter mit Zinksulfid experimentiert. Erfolgreicher waren jedoch die Forschungen an den als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleitern. Ab 1957 konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz auf Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) war von Bedeutung.

Einige Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode Nick Holonyak zu und datieren sie auf 1962.

1968 führte William S. Knowles in den Labors von Monsanto die entscheidenden Experimente über chiral katalysierende Hydrierungsreaktionen durch, wofür er 2001 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. In den 1970er Jahren hat Monsanto die Entwicklung von LEDs vorangetrieben, nachdem das Unternehmen 1968 als erste Firma die Massenproduktion von (roten) LEDs auf Basis von Galliumarsenidphosphid aufgenommen hatte. Die Produkte (diskrete LEDs und Siebensegmentanzeigen) ermöglichten damals erste Taschenrechner und Digital-(Armband-)Uhren.

Im Laufe der Entwicklung seit den ersten LEDs 1962 wurde die Lichtausbeute um mehr als drei Größenordnungen von unter 0,1 lm/W auf über 100 lm/W gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen gemachten Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen) auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, niederdimensionalen Strukturen (Quantenpunkte), transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er Jahre, rot-gelb) wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er Jahre, grüne LEDs) und GaN (1980er/1990er Jahre, grün bis UV) entwickelt, so dass es heute LEDs in nahezu allen Farben des Spektrums gibt (bis auf eine Lücke im Grün-gelb-Bereich). Nach Halbleitermaterialien, die Licht im kurzwelligen Bereich (blau, UV) effizient erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war lange Zeit das Dotieren eines p-leitenden Bereichs geeigneter breitlückiger Halbleiter, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe Akasakis in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Dieser führte zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laserdioden, seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumkarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura erhielten 2014 den Nobelpreis für Physik für „die Erfindung effizienter blauer Leuchtdioden, mit denen helle und energiesparende weiße Lichtquellen möglich wurden.“

2006 erreichte eine blaue LED von Nichia in Labortests 150 lm/W (fast 22 % Wirkungsgrad). Das entspricht der Effizienz von Natriumdampflampen, welche in verschiedenen Arten seit den 1970er Jahren verfügbar sind. 2007 gelang es dem Unternehmen Cree im Labor, eine kaltweiße LED mit über 1000 lm bei einer Effizienz von 72 lm/W zu betreiben, die warmweiße Variante kam bei 760 lm immerhin noch auf 52 lm/W Lichtausbeute. Seit 2009 ist eine LED von Nichia auf dem Markt mit einer angegebenen Lichtausbeute von 160 lm/W, allerdings nur geringer Gesamtleistung. Cree lieferte 2010 erste LEDs aus, die bei 1 W 160 lm/W erreichen und bei 10 W immer noch ca. 100 lm/W.

Im September 2009 begann Cree mit der Auslieferung einer weißen LED mit einer Lichtausbeute (Herstellerangaben) von 132 lm/W, die bei der maximalen Leistungsaufnahme von fast 10 W auf 105 lm/W abfällt, wobei für diesen Produktionstyp Lichtstromwerte bei 350 mA in den Leistungsklassen 114 lm; 122 lm; 130 lm und 139 lm (=132 lm/W) angeboten werden. Das Unternehmen berichtete im Februar 2010 über eine Labor-Prototyp-LED, die 208 lm/W bei Raumtemperatur erreichte, bei einer Farbtemperatur von 4579 K. Im Oktober 2011 konnte Osram Prototypen einer roten LED vorstellen, die bei 609 nm und Nennstrom von 350 mA eine Lichtausbeute von 168 lm/W erreicht.

Beim Vergleich der Lichtstärke unterschiedlicher LEDs ist der Abstrahlwinkel in die Berechnung einzubeziehen. Häufige Abstrahlwinkel liegen zwischen 24 und 40 Grad.

Die Steigerung der Effizienz und die preiswertere Herstellung der Halbleiter sind die Ziele weiterer Entwicklungen. Gegenwärtig wird besonders daran gearbeitet, sowohl transparente Träger- und Halbleiter-Materialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen, da die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) einen Teil der leuchtenden Fläche abdecken.

Stand der Technik

Lichtausbeute

Theoretische maximale Lichtausbeute für monochrome Lichtwandler

Die effizientesten weißen LEDs erreichten März 2014 eine Lichtausbeute von 303 lm/W, bereits im September 2010 waren es 250 lm/W. Das theoretische Maximum liegt bei ca. 350 lm/W, wenn weißes Licht mit 6600 K Farbtemperatur mit einem physikalischen Wirkungsgrad von 100 % erzeugt wird.

Da durch die Messung in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt werden (vgl. Hellempfindlichkeitskurve), erreichen LEDs in den Farben Grün bis Gelb besonders hohe Werte, während beispielsweise blaue LEDs deutlich schlechter abschneiden. Im rein physikalischen Wirkungsgrad, also der Umwandlung elektrischer Energie in Licht, sind blaue LEDs in der Regel besser. Derzeit sind physikalische Wirkungsgrade bis etwa 85 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche LED, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und gegebenenfalls Optik.

Massenfertigung

Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED-Labormuster mit hohem Wirkungsgrad im Labor hergestellt und bald darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten „Fluxbinning“ werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten. Selbstverständlich wirbt ein Hersteller mit seiner höchsten Klasse. Wie klein der Anteil der besten Klasse an der Gesamtproduktion ist, erfährt man indirekt über den Preis und die Lieferbarkeit.

Betrieb und Anschluss

Schaltzeichen einer Leuchtdiode

Der Lichtstrom einer LED wächst mit der Leistungsaufnahme. Bei konstanter Halbleitertemperatur ist die Zunahme annähernd proportional. Der Wirkungsgrad sinkt in der Regel mit steigender Temperatur, deshalb sinkt die Lichtausbeute an der Leistungsgrenze je nach Art der Kühlung ab. Die LED altert beschleunigt bis hin zum Spontanausfall, wenn die Temperatur des Halbleiters zirka 150 °C für längere Zeit übersteigt.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte Spannung reagiert. Bei einem ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. Eine Leuchtdiode besitzt, typisch für Halbleiterdioden, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen große Stromänderungen.

Schematische Kennlinie einer blauen LED die durch die Beschichtung weiss leuchtet.

Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie einer Leuchtdiode schematisch wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße Hochleistungsleuchtdiode mit einem Nennstrom von 350 mA. Diesen Strom kann sie unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest man eine Flussspannung bei Nennstrom von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von etwa 1 W.

Eine LED sollte aufgrund ihrer Kennlinie nicht direkt an einer Spannungsquelle wie eine Batterie angeschlossen werden. Ein direkter Betrieb an einer Stromquelle, idealerweise einer Konstantstromquelle, ist aufgrund der Kennlinie problemlos möglich. Beispielsweise wird eine blaue LED bei Anlegen einer Spannung von 2,4 V (zwei NiMh-Akkus à 1,2 V) dunkel bleiben. Bei 3 V (zwei Alkali-Mangan-Primärzellen handelsübliche nichtaufladbare „Batterien“) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku-Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %, ohne aktive Kühlung fällt die LED nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im Diagramm markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch Exemplarstreuungen der Halbleitereigenschaften beziehungsweise Temperaturerhöhung (mit steigender Temperatur nehmen Bandabstand und Durchlassspannung ab). Daher kann der Strom auch bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LEDs an Spannungsquellen ausschließlich mit zusätzlichen Maßnahmen zur Strombegrenzung.

Für einige µs bis wenige ms können LED mit Strömen des Mehrfachen des Dauer-Nennstromes im Impulsbetrieb betrieben werden. Vor allem Infrarot-LED sind dafür spezifiziert. Eine typische Anwendung dieser Toleranz sind Infrarot-Fernbedienungen, bei denen LEDs mit etwa 40 kHz gepulst betrieben werden. Die Modulation der Licht- bzw. Strahlungsleistung ist je nach LED-Typ bis zu mehreren 100 kHz bis einigen 10 MHz möglich.

Betrieb mit Vorwiderstand

Bestimmung des Arbeitspunktes bei bekannter Diodenkennlinie

Die einfachste Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer Spannungsquelle ist, in Reihe zu ihr einen Vorwiderstand zu schalten. Der Wirkungsgrad ist prinzipiell nicht schlechter als bei einer linear geregelten Konstantstromquelle. Wird diese Anordnung mit einer Spannungsquelle betrieben, deren Spannung U₀ unter Last (Nennstrom I) bekannt ist, so lässt sich der gewünschte Strom I über die Wahl des Widerstandes einstellen:

$R={\frac {U_{0}-U_{\mathrm {LED} }}{I}}$

Beispiel: $U_{0}=4{,}5\ \mathrm {V} ,\ I=0{,}35\ \mathrm {A} ,\ U_{\mathrm {LED} }=3{,}4\ \mathrm {V}$

$R={\frac {4{,}5\ \mathrm {V} -3{,}4\ \mathrm {V} }{0{,}35\ \mathrm {A} }}=3{,}1\ \Omega \$

Die Verlustleistung und damit die Baugröße des Widerstandes ergibt sich zu

$P_{\text{Verlust}}=\Delta {U}\cdot \ I_{\mathrm {LED} }=1{,}1\ \mathrm {V} \cdot 0{,}35\ \mathrm {A} =0{,}385\ \mathrm {W}$

Der nächsthöhere Normwert ist 0,5 W.

Bei einer ungeregelten Spannungsquelle wie einem Netzteil aus Transformator mit Gleichrichter und Glättungskondensator führt der Innenwiderstand der Quelle zu einer starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Laststrom. Bei der obigen Formel ist dann zu beachten, dass U₀ nicht die Leerlaufspannung ist, sondern die Ausgangsspannung beim Nennstrom I, welche sich bei kleinen Transformatoren (ca. 3 VA) gegenüber der Leerlaufspannung nahezu halbieren kann.

Der Nachteil eines Vorwiderstands liegt in der starken Variabilität des Stroms bei einer veränderlichen Versorgungsspannung begründet, wie es beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen der Fall ist. Das gilt vor allem dann, wenn durch die Reihenschaltung mehrerer LEDs eine relativ geringe Spannung am Vorwiderstand abfällt, was andererseits die Verluste verringert.

Beispiel

An ein 12-V-Bordnetz werden drei LEDs à 3,4 V angeschlossen, so dass bei einer Spannung U = 12 V nur 1,8 V für den Vorwiderstand verbleiben. Mit einem Vorwiderstand von 5,2 Ω ergibt sich so ein Strom von 348 mA. Beim Laden des Akkus im Auto können aber durchaus Spannungen bis 14,4 V auftreten. Das hätte dann einen praktisch verdoppelten Strom von rund 700 mA zur Folge (der Spannungsabfall an der LED steigt ebenfalls leicht an), obwohl sich die Bordspannung nur um 16 % erhöht hat. Die gewählte Ausführung ist somit nicht betriebssicher und damit ungeeignet. Abhilfe könnte die Reduzierung der in Reihe geschalteten Leuchtdioden oder der Betrieb mit Konstantstromquelle darstellen.

Betrieb mit Konstantstromquelle

Je nach Einsatzzweck kann es vorteilhaft sein, Leuchtdioden an einer Konstantstromquelle zu betreiben. Damit entfällt das Problem der Abhängigkeit des Vorwiderstandes von der Versorgungsspannung. Die LED kann dann über einen sehr weiten Spannungsbereich mit einem konstanten Strom sicher betrieben werden. Konstantstromquellen lassen sich mit Transistoren oder integrierten Schaltungen realisieren.

Als Stromquelle für LEDs geeignete Konstantstromquelle mit JFET

Eine Möglichkeit zur Realisierung einer Konstantstromquelle bietet ein JFET in Form eines einfachen Linearreglers, der in Serie mit einer LED an eine Spannungsquelle geschaltet wird. Nebenstehende Schaltung wird dabei statt des Vorwiderstandes R in Serie zur LED geschaltet. Durch Wahl von R₁ kann die Stromstärke durch die LED eingestellt werden. Der Widerstandwert ist von den Parametern des JFET abhängig und – im Gegensatz zum Betrieb mit Vorwiderstand – nicht von der Versorgungsspannung. Überschlagsmäßig kann der Konstantstrom nach folgender Gleichung bestimmt werden:

$I_{\text{D}}\approx {\frac {U_{\text{GS}}}{R_{1}}}$

(U_GS ist die Spannung zwischen Gate und Source; dieser Wert ist aus dem Datenblatt des jeweiligen JFET zu entnehmen und gleich der Spannung, die im Betrieb am Widerstand R₁ anliegt.)

Die mit dieser Schaltung erzielbaren typischen Versorgungsspannungsbereiche können den Bereich einiger weniger Volt bis zu 100 Volt überstreichen und sind nur durch die Spannungsfestigkeit und maximale Verlustleistung des JFETs begrenzt. Der Betrieb einer LED oder einer Serienschaltung weniger LEDs an hohen Spannungen an einer Konstantstromquelle hat einen geringen Gesamtwirkungsgrad zur Folge. In diesem Fall und in vielen Anwendungen mit Hochleistungs-LEDs mit Betriebsströmen ab einigen 100 mA aufwärts werden zur Minimierung der Verluste häufig Schaltregler eingesetzt, welche auf einen konstanten Ausgangsstrom regeln.

Betrieb mit Schaltregler

Einfacher Aufwärtswandler zum Betrieb einer oder mehrerer weißer LED an einer Primärzelle (1,5 Volt)

Die beiden vorherigen Schaltungen haben den Nachteil, dass sie bei Abweichungen zwischen Durchlassspannung und Betriebsspannung das Produkt aus Spannungsdifferenz und Betriebsstrom in Form der Verlustleistung in Wärme umwandeln. Außerdem muss die Flussspannung der LED (bei weißen LEDs 2,5 V bis über 4 V) überschritten werden, damit die LED überhaupt leuchtet. Das stellt eine Hürde für den Batteriebetrieb dar.

Effizientere Lösungen auf der Basis eines Schaltreglers beziehungsweise eines DC-DC-Wandlers mit Konstantstromausgang wandeln die Energie ähnlich effizient wie ein Transformator. Sie arbeiten im Schaltbetrieb bei hohen Frequenzen und verwenden zur Zwischenspeicherung der Energie Speicherdrosseln. Die hohe Schaltfrequenz und die Konstanthaltung des Stroms sorgen dafür, dass so betriebene LEDs für das menschliche Auge weitestgehend flimmerfrei leuchten. Außerdem kann man mit dafür ausgelegter Elektronik den Betriebsstrom und damit die Helligkeit mittels Pulsweitenmodulation (PWM) steuern. Dafür gibt es auch spezielle integrierte Schaltungen.

Die im Bild rechts dargestellte einfache Schaltung besitzt dagegen keine Stromregelung – der Spitzenstrom, der bei gesperrtem Transistor durch die LED fließt, wird durch die Sättigungsstromstärke der Ferrit-Ringkernspule und/oder die Stromverstärkung des Transistors bestimmt.

Betrieb an Netzspannung

Der effiziente Betrieb einer LED an Netzspannung ist mit einem Gleichrichter und einem Vorschaltkondensator möglich. Die Summe der Flussspannungen der in Reihe geschalteten LED muss dabei deutlich geringer als die Netzspannung sein, um den Strom innerhalb der Netzspannungstoleranz ausreichend konstant zu halten. Diese oft in Leuchtmitteln angewendete Lösung erfordert zusätzlich einen Widerstand zur Strombegrenzung und einen weiteren Kondensator, die den Gleichrichter beziehungsweise die LED vor dem vom Vorschaltkondensator verursachten Einschaltstromstoß sowie vor Überspannungsimpulsen im Netz schützt.

Seit 2006 werden LED-Module als „Wechselstrom-LEDs“ vermarktet, die auf der ohnehin zur Wärmeableitung nötigen Metallkern-Leiterplatte auch einen Brückengleichrichter unterbringen. Damit ist auch der Betrieb an Wechselspannung möglich, allerdings verursacht der Gleichrichter einen zusätzlichen Spannungsabfall von ca. 1,4 V. Für den Betrieb an 230 V spielt das nur eine untergeordnete Rolle. Jedoch ist eine Glättung des Gleichstroms und damit der Lichtstärke nicht mehr möglich.

Literatur

• M. George Craford: Visible Light-Emitting Diodes: Past, Present, and Very Bright Future. In: MRS Bulletin. Band 25, Nr. 10, 2000, S. 27–31, doi:10.1557/mrs2000.200. 
• Roland Heinz: Grundlagen der Lichterzeugung: von der Glühlampe bis zum Laser, Lampen, Leistungsreduktion, LED, OLED, Laser. 4., erweiterte Auflage. Highlight, Rüthen 2011, ISBN 978-3-937873-03-9. 
• E. Fred Schubert: Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press, Cambridge 2003, ISBN 0-521-53351-1. 

Weblinks

Wiktionary: Leuchtdiode – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wiktionary: LED – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Leuchtdioden – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikibooks: Arbeiten mit LEDs – Lern- und Lehrmaterialien

• Lehrvideo zur Leuchtdiode auf YouTube (englisch)
• Leuchtdiode (Grundlagen und Weiteres)
• Resource of technical information (englisch)