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LED
Durch die in den letzten Jahren deutlich gestiegene Energieeffizienz und die Entwicklung sogenannter weißer LED ist ein hohes Interesse am Einsatz von Leuchtdioden in der Lichttechnik entstanden. Die prinzipiellen Vorteile (robust, hohe Energieeffizienz, lange Lebensdauer, geringe Abmessungen, niedrige Betriebsspannung, usw.) der Lichterzeugung mit LED sind weitgehend bekannt. Beim praktischen Einsatz müssen jedoch eine Reihe von Punkten, wie z.B. die elektrische Ansteuerung oder das Wärmemanagement, beachtet werden, um das volle Nutzenpotential dieser Lichtquellen zu erschließen. Von Interesse sind in diesem Zusammenhang folgende Themen: LED im Vergleich zu anderen Lichtquellen, Physikalische Grundlagen der Lichterzeugung in LED, Herstellungsverfahren und Technologien, Marktentwicklungen, Lichtsysteme mit LED Lichtquellen, Abstrahlcharakteristika, Primär- und Sekundäroptiken, Einkopplung in Lichtleiter und -flächen, Lichtdesign mit LED (Architektur, Arbeitsplatzbeleuchtung, Kfz-Innenraum), Lebensdauerverhalten, Alterungs- und Schädigungsprozesse, Elektrische Ansteuerung und Thermomanagement, Anwendungen im Kraftfahrzeug (Leuchten, Scheinwerfer), Anwendungen in der Medizin- und Messtechnik, Anwendungen in Displays und Anzeigen (Hinterleuchtung vs. Direktabstrahlung, großflächige Displays, …), Aufbau- und Verbindungstechnik, Chip on Board Technologie, Stromversorgungen für LED (Konstantstromquellen, Dimmung, Farbmischung, …), Zukunftsperspektiven, Technologie-Trends

Leuchtdioden (Light Emitting Diodes - LED) im Detail:
Quelle: www.led-info.de, Hauke Haller

Bei den Licht emittierenden Dioden (LED) 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; am häufigsten vertreten sind dabei die III/V-Halbleiter, die aus Elementen der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems bestehen, weil sie passende Bandabstände haben und weil ihre Bandstruktur effektiv strahlende Rekombination ermöglicht. Dazu gehören Stoffe wie Galliumphosphid (GaP), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN).

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 dem LED-Konzept. Lumineszenzdioden sind bis zum MHz-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. Die Größe der Leuchtfläche liegt bei etwa 10-3mm2 bis 1mm2 (z.B. 0,4mm x 0,4 mm). Praktisch hat man also eine punktförmige Strahlungsquelle verfügbar.

Halbleiterwerkstoffe

Halbleiterwerkstoffe haben einen kristallinen Aufbau. In einem Halbleiterkristall existiert das sogenannte Valenzband, das die Energie der gebundenen Elektronen der Atome repräsentiert und ein höheres Energieband, genannt das Leitungsband, das die Energie der im Kristall frei beweglichen Elektronen charakterisiert.

Bei Zimmertemperatur ist die thermische Energie groß genug, um einige Atome des Halbleitermaterials zu ionisieren. Es existiert daher eine geringe aber entscheidende Leitfähigkeit, deren Existenz den Namen Halbleiter geprägt hat. Sie ist etwa um das 105 fache geringer als die von Metallen, aber größer als die von Isolierstoffen. Wird einem Elektron genügend Energie zugeführt, um seinem Mutteratom zu entkommen, so bewegt es sich willkürlich durch das Material, bis es ein ionisiertes Atom, ein sogenanntes Loch, trifft, mit dem es rekombiniert. Durch den Rekombinationsprozess verliert es die Energie, die der Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband entspricht. Diese Energie kann in Form eines Photons abgegeben werden und bestimmt die Wellenlänge des emittierten Lichts.

Die Zahl der beweglichen Ladungsträger lässt sich stark erhöhen, wenn der Halbleiter dotiert wird, d.h. dass in das Kristallgitter Störstellen in Form von höher- bzw. geringerwertigen Fremdatomen eingebaut werden.

GeAs Beispielsweise bleibt beim Einbau von Arsenatomen (As) in ein Germaniumgitter (Ge) jeweils das fünfte Valenzelektron übrig, da es nicht zur Bindungsbildung benötigt wird. Schon bei Zimmertemperatur wandert es frei durch das Gitter. Man bezeichnet das Arsenatom als Donator (Elektronenspender), da es durch Abgabe eines Elektrons die Elektronenleitung ermöglicht. Diesen Halbleiter mit überschüssigen Leitungselektronen nennt man n-Leiter. n-Leiter sind durch Fremdatome mit höherer Wertigkeit dotierte Halbleiter.

GeIn Ein Atom mit nur drei Valenzelektronen, z.B. Indium, wird dagegen als Akzeptor (Elektronenfänger) bezeichnet. Bei diesem wandert ein positiver Ladungszustand durch das Fehlen eines Elektrons frei durch das Gitter, der eine Löcherleitung ermöglicht. Man bezeichnet diesen Halbleiter als p-Leiter. p-Leiter sind durch Fremdatome mit kleinerer Wertigkeit dotierte Halbleiter.

Halbleiterdioden
Stoßen zwei Halbleiterzonen verschiedener Leitungsart aneinander, so entsteht ein pn- Übergang. Er bildet die Grenzschicht zwischen einem p-Leiter und einem n-Leiter. Es diffundieren negative Ladungsträger (Elektronen) vom n-Leiter in den p-Leiter und positive Ladungsträger (Löcher) vom p-Leiter in den n-Leiter. Dabei finden Rekombinationen statt. Die Leitungselektronen der Grenzschicht werden zu gebundenen Valenzelektronen, und die Löcher verschwinden. In der Grenzschicht halten sich keine beweglichen Ladungsträger mehr auf.

Die Diffusion beeinflusst die Lage der Ionen, welche im Halbleiter ortsfest sind, nicht. Deshalb verbleibt in der Grenzschicht des n-Leiters nach Abwandern der Elektronen eine positive Ladung. Entsprechend erhält der p-Leiter in der Grenzschicht eine negative Ladung. Die Ladungen innerhalb der Grenzschicht bewirken eine Spannung am pn-Übergang, die ein weiteres Eindringen von Ladungsträgern in die Grenzschicht verhindert. Der Ladungstransport wird dort gesperrt. Somit wird die Grenzschicht zu einer Sperrschicht.

Sperrichtung und Durchlassrichtung
Die Sperrschichtbreite nimmt bei Anlegen der Spannung zu, wenn der Pluspol der Spannung am n-Leiter und der Minuspol am p-Leiter liegen. Diese Richtung der Polung nennt man Sperrichtung. In Sperrichtung ist der Widerstand (Sperrwiderstand) groß. Es fließt nur ein kleiner Sperrstrom.

Die Sperrschichtbreite nimmt beim Anlegen der Spannung ab, wenn der Minuspol der Spannung am n-Leiter und der Pluspol am p-Leiter liegt. Diese Richtung der Polung nennt man Durchlassrichtung. In Durchlassrichtung ist der Widerstand (Durchlasswiderstand) klein. Es fließt der Durchlassstrom (Vorwärtsstrom). Dioden werden z.B. zur Gleichrichtung von Wechselstrom genutzt.

LED Bauformen

Es ist eine große Vielfalt von Bauformen lieferbar. Neben diversen Metall-/Glas-Gehäusen werden hauptsächlich Plastikbauformen eingesetzt. Hier setzt der Kunststoffkörper zum einen den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Chipoberfläche herab und erhöht damit die aus dem Kristall austretende Strahlungsleistung, zum anderen wirkt die gekrümmte Oberfläche als Linse und bündelt die Strahlung in Achsrichtung. Sie sind problemlos in großen Stückzahlen zu fertigen.

Je nach Verlötungsverfahren wird bei elektronischen Bauteilen zwischen den auf der Rückseite der Platine verlöteten und den SMD (Surface Mounted Device) Bauformen unterschieden. Auch LED werden in beiden Bauformen angeboten.

Vorteile der SMD Technologie:
- Miniaturisierung durch höhere Packungsdichte und geringe Bauhöhe
- Qualitätssteigerung, Kosten- und Zeitersparnis durch automatische Bestückung
- Vereinheitlichtes Design aller Bauteile
- Einheitlicher Löt- und Bestückungsprozess aller Bauteile
- Weniger Bohrungen in der Platine

Neben den „Standard-Bauformen“ 3mm, 5mm und verschiedenen miniaturisierten SMD-LED sind LED entwickelt worden, die durch ihre besondere Gehäuseform den Betrieb mit einem höheren Strom erlauben und die dadurch einen höheren Lichtstrom erzeugen. Bei der „SuperFlux“ wird die durch den höheren Strom entstehende Wärme über zusätzliche Lötkontakte und bei der „Luxeon“ über ein Kühlblech auf der Lampenrückseite abgeleitet. Diese LED bieten sich für Beleuchtungszwecke besonders an.

Eine weitere Möglichkeit ist es, die LED-Chips direkt auf die Platine zu bringen. Mit dieser Chip on Board (COB) Technologie können besonders enggepackte und gut wärmeableitende Lösungen realisiert werden.

Abstrahlungscharakteristik

Die Lichtstärke in die verschiedenen Ausstrahlungsrichtungen hängt vom Lampenkörper ab, sie wird durch die Lichtstärkeverteilungskurve (LVK) beschrieben.
Die Lichtstärkeverteilungskurve wird meistens in Polarkoordinaten angegeben. Für rotationssymmetrische Lichtverteilungen reicht die Darstellung in einer Ebene durch die Leuchte aus. Als Abstrahlwinkel ist der Winkel definiert, bei dem die Intensität 50% beträgt.

Strom

Die Abstrahlung von LED ist etwa proportional zum Strom. Die Strombelastbarkeit hängt ähnlich wie bei anderen Bauelementen von der Wärmeabfuhr ab. Soll also die LED mit höheren Strömen beschaltet werden, um den erzeugten Lichtstrom je LED zu erhöhen (das bedeutet keine Erhöhung der Effektivität), so muss also durch eine entsprechende Bauform eine gute Wärmeableitung aus dem Lampenkörper gewährleistet sein.

Gewöhnlich werden LED mit 20 mA betrieben. Bei der „SuperFlux LED“ und der „Luxeon“ von Lumileds ist der Betriebsstrom höher, nämlich 70 mA und 350 mA.

Schaltbild

Diode mit Strom-begrenzungswiderstand Der Durchlassstrom steigt mit wachsender Spannung erst langsam und dann immer schneller an. Ein stärkerer Strom bewirkt eine erhöhte Wärmeentwicklung. Höhere Temperatur erzeugt aber mehr Ladungsträger. Dadurch steigt der Strom weiter an, der Halbleiter wird noch mehr erwärmt. Oberhalb einer bestimmten Temperaturgrenze wird das Kristallgitter eines Halbleiters zerstört, d.h. Lebensdauer und Effizienz werden verringert. Deshalb muss in jedem Stromkreis mit einer Diode auch ein Widerstand liegen, der den Strom begrenzt, und entstehende Wärme muss abgeleitet werden.

Die Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit der Temperatur. Die Effizienz von LED sinkt.

Ebenso wird durch das Anlegen einer zu großen Spannung in Sperrrichtung eine Diode zerstört.

Spannung

Wegen des hohen Dotierungsunterschieds an der Sperrschicht vertragen Leuchtdioden nur geringe Sperrspannung von ca. 5 V. Die Durchlassspannung hängt direkt von der Bandlücke ab und damit von der Lichtfarbe. Die Betriebsspannungen betragen 2V bis 4V. Der durch die Diode fließende Strom ist von der angelegten Spannung abhängig.

LED Wirkungsgrad

Für den Gesamtwirkungsgrad der LED ist nicht nur der Prozess der Lichtentstehung, der bei bestimmten (direkten) Halbleitern mit nahe 100% abläuft (interne Quanteneffizienz), von Bedeutung, sondern auch die Frage der Auskopplung des Lichts von der tief im Halbleiter vergrabenen Sperrschicht in die Umgebung. Hierbei entstehen Verluste, die den Wirkungsgrad auf wenige Prozent herabsetzen.

Absorption

Die Halbleiterschichten müssen möglichst dünn und tranparent sein, damit das Licht aus dem Halbleiter austreten kann. Durch die Verwendung eines transparenten, wenn auch teureren Substrates werden auch die nach unten emittierten Photonen nicht absorbiert.

Reflexion beim Lichtaustritt
Die durch den großen Unterschied im Brechungsindex zwischen Luft n=1 und Halbleiter n=3,5 auftretende Totalreflexion ist eine wichtige Ursache für den schlechten Wirkungsgrad der LED. Eine Verbesserung lässt sich z.B. durch eine Epoxydharzabdeckung (n=1,5) erzielen. Es ergibt sich ein vergrößerter Winkel, unter dem das Licht aus dem Halbleiter austreten kann.

Die Absorptions- und Reflexionsgrade bestimmen die Menge der Strahlung, die das Lumineszenzdioden-Bauelement verlassen können. Der externe Quantenwirkungsgrad einer LED ergibt sich aus dem Verhältnis der Photonen, die die LED verlassen, zur aufgenommenen
(elektrischen) Leistung. Der letztlich auf das Auge wirkende Lichteindruck (Helligkeit) hängt, bedingt durch die spektrale Augenempfindlichkeit, sehr stark von der Wellenlänge des Strahlers ab. So kann durchaus eine grün leuchtende LED mit geringer Strahlungsleistung dem Auge heller erscheinen als eine viel stärker strahlende rote LED.

Der Leuchtwirkungsgrad ergibt sich durch Gewichtung der spektralen Emission mit der Augenempfindlichkeit V(l), bezogen auf die gesamte abgestrahlte Leistung. Der höchste theoretische Leuchtwirkungsgrad ergibt sich für monochromatisches Licht mit der Wellenlänge von 555nm. Sein Wert ist hier 683 lm/W.

Alterung und Lebensdauer der LED

Beim Langzeitverhalten von Lumineszenz- und Laserdioden spielen die zeitlichen Veränderungen ihrer Emissionseigenschaften die entscheidende Rolle. Im allgemeinen nimmt die Intensität der Emissionsstrahlung einer unter konstanten Bedingungen betriebenen
Lumineszenzdiode kontinuierlich ab. Dieses Verhalten wird als Alterung oder Degradation bezeichnet und ist noch nicht restlos geklärt, hängt aber wohl mit der Wanderung bzw. Ausweitung von Störstellen im Kristall zusammen. Eine abrupte Abnahme der Emission, wie sie von Glühlampen her bekannt ist, wird bei Halbleiterlichtquellen nur bei der Laserdiode beobachtet, wenn infolge einer Kettenreaktion der Schwellenstrom so hoch wird, dass es zu einer Zerstörung der Diode kommt.

Die Alterung von Lumineszenzdioden, die bei niedriger Stromdichte betrieben werden, verursacht beim Anwender gewöhnlich keine gravierenden Probleme. Bei Standard-LED werden Lebensdauern von mindestens 100000 Stunden (das entspricht 111?2 Jahren ununterbrochener Leuchtdauer) erreicht, die höchsten angegebenen Werte liegen weit darüber (bei 109h). Die Lebensdauer hocheffektiver LED liegt oftmals niedriger, ca. bei 25000 bis 50000 Stunden.

Die LED-Lampe gehört heute schon zu den wirtschaftlichen Leuchtmitteln, da Service-Einsätze und Lampenaustausch nicht erforderlich sind.

Faktoren, die das Altern der LED beschleunigen
Um den Lichtstrom je LED zu erhöhen, kann der elektrische Strom erhöht werden. Da sich dann jedoch auch die Temperatur in der LED erhöht, verkürzt sich deren Lebensdauer. Besondere Bauformen der LED und der Platinen führen die Wärme effektiv von dem Chip ab und ermöglichen eine höhere Lichtausbeute, ohne die Lebensdauer stark zu verringern.
Durch hohe oder stark schwankende Umgebungstemperaturen wird die Lebensdauer verkürzt. Die thermische Belastung (auch beim Löten) ist gering zu halten.
Das Anlegen einer zu großen Spannung (in Durchlass- oder Sperrrichtung) zerstört die Diode. Ein Verpol- und Überlastschutz kann dies verhindern.
Die eingesetzten Halbleiter (hauptsächlich InGaN und AlInGaP) haben unterschiedliche Lebensdauern.
Die bei den meisten LED eingesetzten Kunststoffe der Linsen trüben sich mit der Zeit.
Insbesondere die weißen und blauen LED lassen deswegen schneller in ihrer Leistung nach (UV-Lichtanteil). Auch auf diesem Gebiet entwickelt sich die LED-Technologie weiter.

Einfluss der Umgebungstemperatur auf LED

LED zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit des Lichtstroms von der Temperatur. Der Temperaturkoeffizient ist abhängig vom Material. Die Strahlungsleistung fällt bei den meisten LED bei einer Temperaturerhöhung um 100°C auf weniger als die Hälfte ab.

Je kälter also die Umgebung ist, um so effizienter ist die LED.

Temperaturstrahler verhalten sich genau umgekehrt. Dies ist ein Grund, warum bei der Entwicklung und dem Einsatz von LED besonders auf den Wärmehaushalt geachtet werden muss. Ein Wärmestau im LED-Lampenkörper muss vermieden werden.

Die Lichtfarbe ist je nach Halbleitertyp mehr oder wenig von der Umgebungstemperatur abhängig. Zu hohe Temperaturen (z.B. beim Verlöten) können die Leistung der LED dauerhaft mindern oder die Lebensdauer herabsetzen.

LED Farben

Die LED dienen zur Erzeugung einer schmalbandigen (monochromatischen) Strahlung im nahen UV, im sichtbaren oder im Infrarotbereich.

Der Farbton der LED wird als dominante Wellenlänge definiert. InGaN-Dioden haben eine geringere Farbsättigung, sie sind nicht streng monochromatisch.

Durch die Zugabe von Leuchtstoffen auf den LED-Chip können Mischfarben erzeugt werden.
Dadurch sind weiße LED oder auch pastellfarbene LED möglich. Deren Farbton wird meistens durch die x- und y-Werte in der CIE-Normfarbtafel definiert. Manchmal wird aber auch die (annähernde) Lichttemperatur angegeben.

Vor- und Nachteile der LED

Wirtschaftliche Vorteile
· geringer Energieverbrauch
· geringe Wärmeentwicklung
· Reduzierung der Klimatisierungskosten
· nahezu unbegrenzte Lebensdauer der Lampe
· keine Wartungskosten
· keine Reinigungskosten
· geringere Transportkosten
· geringere Entsorgungskosten
· teilweise verfügbare Produktionstechnik

Design-Vorteile
· kleine Bauform, miniaturisierte SMD-Ausführungen
· passen in herkömmlichen Leuchten
· neues, feinstrukturiertes Design
· individuelle Formbarkeit des Leuchtmittels durch unterschiedliche Anordnung der LED
· Dimmen ist ohne Änderung der Lichttemperatur möglich
· Lichtfarbe ist regelbar (bei Verwendung verschiedenfarbiger LED)
· alle Lichtfarben möglich (LUCO-LED oder Farbkombination)
· große Typenvielfalt Umwelt-Vorteile
· geringer Einsatz von Ressourcen
· geringerer Energiebedarf im Betrieb
· stört nicht die Insektenorientierung

Technische Vorteile
· stoß- und vibrationsfest (Fahrzeugtechnik)
· kann nicht implodieren
· plötzlicher Ausfall ist unwahrscheinlich
· präzise Lichtlenkung ohne zusätzlichen Reflektor durch LED mit definiertem Abstrahlwinkel
· gute Blendungsbegrenzung
· brummfrei
· keine UV Strahlung
· keine IR Strahlung (Wärme)
· Keine Lampenfassungen erforderlich
· Sicherheit durch Schutzkleinspannung
· praktisch trägheitslos schalt- oder modulierbar
· gute Farbwiedergabeeigenschaften bei RGB Mischung

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