Das Grundprinzip der LED
LED (Light Emitting Diodes) sind winzige Elektronikchips aus speziellen Halbleiterverbindungen. Fließt Strom durch diesen Festkörper, beginnt er zu leuchten; er „emittiert" Licht. In der Lichttechnik wird dieser Prozess „Elektrolumineszenz" genannt. Mit einer Kantenlänge von etwa einem Millimeter gehören LED zu den kleinsten verfügbaren Lichtquellen. Sie strahlen ein nahezu punktförmiges Licht ab.
Der eigentliche lichterzeugende Chip in einer LED baut sich aus mehreren Halbleiterschichten (epitaxy layer) und Anschlusselementen auf. In der aktiven Schicht wird beim Betrieb der Diode über Gleichspannung Licht einer Wellenlänge (blaues Licht bei weißen LED) erzeugt. Im Halbleiter rekombinieren Elektronen und Löcher. Elektrische Energie wird über Elektrolumineszenz direkt in Licht (elektromagnetische Energie) umgewandelt. Der dabei abgegebene Anteil an Wärmeenergie beträgt aber immer noch 50 bis 70 Prozent. Dieser muss zum Erhalt der Lebensdauer effektiv abgeführt werden (Thermomanagement).
Architektur des LED-Chips
Während herkömmliche Glühlampen ein kontinuierliches Lichtspektrum aussenden, emittiert ein Chip eine ganz bestimmte Farbe. Sie ist im Wesentlichen abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial.
Der Chip wird meist in ein Gehäuse eingebaut. Dieses sogenannte Package führt auch die elektrischen Kontakte nach außen und enthält die Konversionsschicht (Leuchtstoff) zur Erzeugung weißen Lichts. Das Package nimmt noch weitere Funktionen auf, wie zum Beispiel Schutzschaltungen, optische Linsen oder Elemente zur Wärmeabfuhr. Die Einheit aus einem oder mehreren Chips und Package wird üblicherweise LED genannt.
Größen zur Charakterisierung der LED
Wesentliche lichttechnische Kennwerte der LED sind Lebensdauer, Effizienz, Lichtfarbe, Farbwiedergabe und Lichtstrom. Diese Parameter sind aufgrund der Weiterentwicklung meist noch dynamische Größen. In nur wenigen Jahren hat sich der Wert der Effizienz der LED schrittweise erhöht. Es werden bereits LED mit über 200 Lumen pro Watt eingesetzt. Ein Ende dieser Technologieentwicklung ist noch nicht erreicht, liegt aber bei hoher Lichtqualität einer Leuchte bei über 250 Lumen pro Watt. Diese Werte sind mit konventionellen Lichtquellen nicht erreichbar.
Vorteilhaft für die Leuchteneffizienz ist, dass die Lichtemission der LED in einem Halbraum von 180 Grad abgegeben wird.
Bei LED-Modulen beispielsweise wird das Licht in eine Richtung abgestrahlt, während die in der LED entstehende Wärme in die andere Richtung abgeleitet wird.