Was ist Licht?

Zur Erklärung der meisten Phänomene läßt sichLicht als elektromagnetische Welle definieren. UnserEmpfinden für Farbe, Helligkeit und so weiter beziehtsich auf elektromagnetische Wellen, deren Frequenzim sichtbaren Bereich liegt. Wellen andererFrequenzen haben keine Farbe. Sie werden mitNamen bezeichnet, die vor allem angeben, wozu sieverwendet werden.

Der gesamte Frequenzbereich derelektromagnetischen Wellen heißtelektromagnetisches Spektrum und erstreckt sichlückenlos von den energieärmsten, langen Wellen,die leicht mit elektrischen Schwingungskreisenhergestellt und von Antennen abgestrahlt werdenkönnen (Radiowellen), bis zu den energiereichsten,ultraharten Röntgenstrahlen und denGammastrahlen der Atomkerne. Das Spektrum dessichtbaren Lichtes umfaßt nur einen kleinen Bereich.Er liegt bei etwa 370 nm (violett) bis 750 nm (rot),entsprechend einer Frequenz von 8x1014 bis 4x1014

Hz.

p (pico-) = 10-12 = 0,000000000001 (billionstel)n (nano- = 10-9 = 0,000000001 (milliardstel)µ (mikro-) = 10-6 = 0,000001 (millionstel)m (milli-) = 10-3 = 0,001 (tausendstel)k (kilo-) = 103 = 1000 (Tausend)M (mega-) = 106 = 1000000 (Million)G (giga-) = 109 = 1000000000 (Milliarden)

Weil die Wellenlängen (bzw. Frequenzen) derelektromagnetischen Strahlung einen sehr großenBereich umfassen, werden sie meist inZehnerpotenzen angegeben. So bezeichnet z.B. 555nm die Wellenlänge von grünem Licht.

Die Grafik gibt einenÜberblick über dieelektromagnetischeStrahlung. Der sichtbareBereich ist herausgestellt.Kurze Wellen (370nm) sehenviolett aus (wenn auch daskurzwellige Ende desSpektrums oft als Blaubezeichnet wird). Mit größererWellenlänge verändert sich dieFarbe zu Blau, dann zu Grün,Gelb, Orange und schließlich,am langwelligen Ende dessichtbaren Bereichs (750 nm),zu Rot. Der Farbeindruck, den dasLicht im Auge hervorruft, wirdausschließlich von derFrequenz des Lichtesbestimmt, das vom Augewahrgenommen wird.

Geschichte der Erklärung des Lichtes

Licht als Energie war eine Vorraussetzung für dieEntstehung des Lebens. Unsere Umgebung nehmen wirmit vielen Sinnen wahr, die meisten Informationennehmen wir jedoch über die Augen auf. Wir sehen dasLicht, welches in unsere Augen fällt.

Schon seit der Antike haben Gelehrte undWissenschaftler sich bemüht, eine allgemeingültigeTheorie über die Natur des Lichts zu entwerfen. Dabeiwurden viele grundlegende Erkenntnisse gewonnen,deren Theorien heute allgemein als moderne Physikbezeichnet werden.

300 v. Chr. hat Euklid sich in seiner Schrift über dieOptik darum bemüht, seine Überlegungen in eineexakte mathematische Form zu bringen. Hieraufgründete sich die Theorie der geometrischen Optik, diebesagt, daß Licht sich strahlenförmig auf geradlinigenBahnen im Raum ausdehnt. Die Ausbreitung von Lichtlässt sich also geometrisch beschreiben.

Ende des 17. Jahrhunderts kamen mit derEmissions- oder Korpuskeltheorie und der Ondulations-oder Wellentheorie zwei einander widerstreitendeAuffassungen über die Beschaffenheit des Lichts auf.

Die geradlinige Ausbreitung des Lichtes führteIsaac Newton(1643-1727) dazu, 1675 dieEmissionstheorie zu begründen. Danach besteht Lichtaus winzigen Korpuskeln oder Partikeln, die von einerLichtquelle aus geradlinig durch den Raumgeschleudert werden. Die Lichtteilchen können vonHindernissen abprallen und die Richtung ihrerFlugbahn verändern. Weitgehend bleibt dieKorpuskeltheorie der geometrischen Optik verhaftet.

1690 entwickelte Christian Huygens(1629-1695)in seiner Schrift Tractatus de lumini (Abhandlung überdas Licht) eine erste Art Wellentheorie des Lichtes. Um1800 konnte Thomas Young (1773-1829) dieWellennatur des Lichtes beweisen. Ebenso wie derSchall kann auch das Licht als ein Wellenphänomenverstanden werden und die Ausbreitung des Lichtesmit allgemeingültigen Gesetzen zur Ausbreitug vonWellen beschrieben werden. Phänomene wie dieBeugung, Interferenz und Polarisation des Lichtes sinddurch die Wellentheorie erklärbar.

Die Wellentheorie wurde 1815 von Augustin JeanFresnel(1788-1827) fortgeführt. Er deutete das Lichtals Welle in einem schwingendem, elastischemMedium, dem Äther. Obwohl zwar mittlerweileerwiesen ist, daß es zur Fortpflanzung von Lichtwellenkeines derartigen Stoffes bedarf, spricht man bisweilenauch heute noch davon, daß Wellen durch den Äthergeschickt werden, wenn z.B. von Rundfunksendungendie Rede ist. Dennoch wurde die mechanischeÄthertheorie bereits im Jahre 1864 von demschottischen Mathematiker Clerk Maxwell(1831-1879) widerlegt, indem er das Licht als einelektromagnetisches Phänomen darstellte. Seitdemwird das sichtbare Licht als ein relativ schmaler Bereichaus einem weiten Spektrum elektromagnetischerSchwingungen definiert.

Euklid erkannte, daß sichdas Licht geradlinig undstrahlenförmig im Raumausbreitet.

Nach Newton prallenwinzige Lichtteilchen wieBillardkugel vonGegenständen ab.

Quantentheorie

Zur Wellentheorie des Lichts ist mit der Quantentheoriegegen Anfang des 20. Jahrhunderts eine weitere Theoriegleichberechtigt hinzugekommen. Sie ist nötig, um dasEntstehen des Lichtes (die Lumineszenz) zu erklären.

Moderne Physik Schon um die Jahrhundertwende verstanden underklärten Physiker fast alle Haupteigenschaften des Lichts.Die ersten Jahrzehnte dieses Jahrhunderts aber zwangendie Physiker durch eine ganze Reihe von Entdeckungendazu, eine neue Realität anzuerkennen und in der altenBeschreibung der Natur, der klassischen Physik, eineIdealisierung zu sehen – so wie die Strahlenoptik eineIdealisierung und Spezialisierung der Wellenoptik ist.Obwohl viele der neuen Theorien, die sich aus dieserErkenntnis ergaben, schon über 80 Jahre alt sind,bezeichnen wir sie gewöhnlich als moderne Physik. Einige der grundlegenden Entdeckungen der modernenPhysik ergaben sich aus Untersuchungen derWechselwirkung von Licht mit Materie.

milqmilq - MünchnerInternetprojekt zurLehrerfortbildung inQuantenmechanik

Der Photoeffekt Elektronen sind in jeder Art von Materie. In manchenMetallen (den Leitern) können sie sich besonders freibewegen. Aber es ist für Elektronen nicht leicht, dem Metallzu entkommen, denn wenn sich ein Elektron mit seinernegativen Ladung von dem (ursprünglich ungeladenen)Metall löst, ist das Metall positiv geladen und zieht dasElektron wieder an. Um ein Elektron zu befreien, muß ihmEnergie zugeführt werden. Das läßt sich zum Beispiel durchErhitzen erreichen. Die Elektronen werden sozusagenabgedampft. Oder sie können vom Licht gestoßen werden –das ist der lichtelektrische- oder Photoeffekt. Die befreitenElektronen heißen Photoelektronen. Der Teil der modernenPhysik, der dieses Verhalten erklärt, ist die Quantentheorie.Als erster hat Albert Einstein den Photoeffekt erklärenkönnen.

JedemonochromatischeelektromagnetischeWelle kann Energienur in diskretenEinheiten(Quanten)übertragen. DieGröße desEnergiequants istproportional zurFrequenz derWelle.

Kurzwelliges(hochfrequentes)Licht hat mehrEnergie alslangwelliges(niederfrequentes)Licht.

Optik

Ursprünglich bezeichnet die Optik die Lehre des sichtbaren Lichtes. In derallgemeinen Physik sind jedoch alle dem sichtbarem Licht ähnlichenelektromagnetischen Strahlungen (Ultraviolett bis fernes Infrarot) miteinbezogen.

Die geometrische Optik (Strahlenoptik) umfaßt alle Erscheinungen, beidenen der Wellencharakter des Lichtes vernachlässigt werden kann. Es wirdvon der strahlenförmigen Ausbreitung des Lichtes ausgegangen. DieAusbreitungsrichtung kann durch Reflexion und Brechung beeinflusst werdenund geometrisch dargestellt und berechnet werden. Es werden Erscheinungenerklärt, bei denen die mit dem Licht wechselwirkenden Objekte (Linsen,Spiegel, Blenden usw.) viel größer als die Wellenlänge des Lichtes sind.

Die Wellenoptik behandelt die durch die Wellennatur des Lichtes bedingteEigenschaften. Neben Beugung, Interferenz und Polarisation gehören dazuauch elektro-, magneto- und kristalloptische Erscheinungen. Mit denwellenoptischen Eigenschaften des Lichtes lässt sich z.B. das Prinzip derHolografie oder der LCD-Anzeigen erklären.

Effekte wie z. B. der Photoeffekt oder die Absorptions- und Emissionsspektrender Atome und Moleküle können nur durch die Quantenoptik beschriebenwerden.

Lumineszenz(Wie entsteht Licht?)

Nach dem Bohrschen Atommodell bewegen sichElektronen nicht in beliebigem Abstand um den Kern,sondern nur auf ganz bestimmten, durch eineQuantenbedingung ausgezeichneten Bahnen, den sog.stationären oder erlaubten Bahnen oder Ouantenbahnen.Die Elektronen bewegen sich auf diesen stationärenBahnen strahlungsfrei, d.h. ohne Energieverlust. Je größerder Abstand der Bahnen vom Kern ist, um so größer istdas Energieniveau des Elektrons.

Der Übergang von einer Quantenbahn auf eine andere,der sogenannte Elektronen- oder Ouantensprung, erfolgtdabei immer unter Aufnahme oder Abgabe derentsprechenden Energiedifferenz. Beim Übergang zu einerniedrigeren Energiestufe wird die Energiedifferenz in Formeines Photons abgegeben. Absorption oder Emission vonStrahlung kann nur in dem Energieabstandentsprechenden Frequenzen erfolgen. Die Energie wirddabei in Elektronenvolt (eV) angegeben.

Licht emittierende Halbleiter (LED) müssen den dergewünschten Lichtfrequenz entsprechendenEnergieabstand, der bei der Rekombination überbrücktwird, haben. Kurzwelliges Licht (blau oder UV)emittierende LED müssen also eine größere Energielückebieten. Nach entsprechenden Halbleitern wurde in derGeschichte der LED lange geforscht.

Der Gesamtprozeß,in dem ein AtomEnergie aufnimmtund durchPhotonenemissionwieder zumGrundzustandzurückkehrt, heißtLumineszenz.

www.wundersamessammelsurium.deBeschreibungverschiedenerLumineszenzformen(und vieles anderes..)

Quantensprung unter Aufnahme(Absorption) oder Abgabe(Emission) von Energiequanten imBohrschen Atommodell

DerEmissionsvorgangsetzt voraus, daßdas Atom zu Beginnin einer angeregtenStufe ist.

400 nm ^= 3,10 eV500 nm ^= 2,48 eV555 nm ^= 2,23 eV600 nm ^= 2,07 eV700 nm ^= 1,77 eV

Elektrolumineszenz

Auch der elektrische Strom kann mancheStoffe anregen und Lumineszenz bewirken. Dasnutzen Lumineszenzdioden. Eine LED besteht auszwei unterschiedlich gepolten Halbleitern, diemiteinander verbunden sind. Bei dem inDurchlaßrichtung gepolten pn-Übergang werdenElektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet undDefektelektronen bzw. Löcher in umgekehrterRichtung injektiert, wodurch es zu einerRekombination von Elektronen mitDefektelektronen kommt. Die bei diesemVorgang freiwerdende Energie wird als Strahlungabgegeben. In geeigneten Stoffen, in denen derEnergieabfall groß genug ist, wird dieses Lichtsichtbar.

Für viele Eigenschaften einesAtoms ist die Anzahl derElektronen auf der äußerenHauptenergiestufe (Schale)entscheidend. Diese Elektronenbestimmen die chemischeWertigkeit eines Stoffes. Mannennt sie deshalbValenzelektronen. Die Elementesind im Periodensystem nachWertigkeit in Gruppen sortiert.Elektrolumineszenz im sichtbaremBereich entsteht durchElektronenübergänge derValenzelektronen. Für LEDkommen hauptsächlich Elementeder Hauptgruppen III und V

zum Einsatz.

Floureszenz

Von besonderem Interesse sind die Fälle, in denendas abgegebene Photon eine andere Frequenz hat alsdie Photonen des bestrahlenden Lichts. Dies kannauftreten, wenn das Atom über eine Zwischenstufe zumGrundzustand zurückkehrt. Da die ursprünglichgewonnene Energie dann in mehreren Teilen abgegebenwird, hat jedes abgegebene Photon weniger Energie,also eine niedrigere Frequenz als das aufgenommenePhoton.

Wenn der Vorgang der Lumineszenz sehr raschabläuft, also in einer Zeit, die kurz ist im Vergleich zurLebensdauer des angeregten Zustands, heißt erFluoreszenz (oder Photolumineszenz).

Von der Fluoreszenz wird z.B. beim Theater(fluoreszierende Farben) und bei der LeuchtstofflampeGebrauch gemacht, es wird aus UV-Licht sichtbares Lichtgewonnen. Auf gleiche Weise kann ein Teil des Lichteseiner blauen Leuchtdiode in z.B. gelbes Lichtumgewandelt werden (weiße LED).

Phosphoreszenz

Es kommt vor, daß einer der an der Lumineszenz beteiligten Übergänge eine langeLebensdauer hat. Es kann zum Beispiel der Absorptionsprozeß so viel Energie liefern, daßein Elektron ganz aus einem Atom herauskommt und in einem anderen Atom landet. Esdauert dann einige Zeit, bis das Elektron wieder zu einem Zustand im ursprünglichenAtom gelangt, aus dem es durch Photonenabgabe zum Grundzustand zurückkehren kann.Dieser Vorgang heißt Phosphoreszenz. Das Nachleuchten kann Stunden oder Tagedauern.

Einige Spielzeuge und Ziffernblätter leuchten im Dunkeln, wenn sie vorher im Lichtwaren. Früher wurde oft noch eine radioaktive Substanz, die Elektronen abgibt, aufsZifferblatt aufgetragen. Sie regt es zusätzlich an und läßt es während langer Dunkelheitleuchten.

Einheiten und Definitionen

Man unterscheidet zwischen strahlungsphysikalischen Größen,die sich auf Strahlung beliebiger Wellenlänge beziehen undlichttechnischen Größen, die das sichtbare Licht bezogen auf diespektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges bezeichnen.

Für den sichtbaren Bereich verwendet man zur Bewertung vonLichtstrom und Lichtstärke die fotometrischen Einheiten Lumen(lm) und Candela (cd). Diese bauen auf dieStrahlungsbewertung durch das menschliche Auge auf. Für denübrigen Wellenlängenbereich werden strahlungsphysikalischeEinheiten (z.B. Watt/sterad usw.) gebraucht.

Der Mensch sieht tagsüber am besten bei etwa 555 nm (gelb-grün). Nachts reagieren andere Rezeptoren des menschlichenAuges, sie sind am empfindlichsten im blauen Bereich. Sehrstarke Lichtquellen, deren Wärme wir fühlen können, sehen wirauch im infraroten Bereich (IR) bis etwa 1100 nm. Wir könntenauch ultraviolettes Licht wahrnehmen, wenn nicht die Augenlinsedieses Licht verschluckte. Menschen, deren Linse etwa wegeneines Grauen Stars operativ entfernt wurde, sehen bis zu etwa300 nm. Insekten wiederum sind für ultraviolettes Lichtbesonders empfindlich.

DerstrahlungsphysikalischenGröße Strahlungsfluß (inWatt) entspricht dielichttechnische GrößeLichtstrom (in Lumen)

Die spektrale Empfindlichkeit des helladaptierten menschlichenAuges V() ist in DIN 5031 für einen „Normalbetrachter“tabelliert.

Im Maximum derAugenempfindlichkeitbei 555 nm entspricht 1W Strahlungsfluß einemLichtstrom von 683 lm.

CVRL Color & VisiondatabaseUmfangreicheDatensammlung (auchKoeffizienten zurUmrechnung vonStrahlungsfluss (W) inLichtstrom (lm))

Lichtstrom

Der Lichtstrom ist der mit der V()-Kurve (spektraleHellempfindlichkeit des menschlichen Auges) bewerteteelektromagnetische Strahlungsfluß (elektrischeStrahlungsleistung) und stellt die von einer Lichtquelleabgestrahlte oder von einem Körper reflektierteLichtleistung dar.

Der Lampenlichtstrom ist die gesamte abgegebeneLichtleistung einer Lampe unabhängig von derAusstrahlungsrichtung.

Der Lichtstrom ist die Leistungseinheit imlichttechnischen Maßsystem.

Maßeinheit:lm (Lumen)

40W Leuchtstofflampen750 bis 3200 lm

100W Glühlampe1600 lm

weiße LED bei 20mA1,2 lm

Im Maximum derAugenempfindlichkeitbei 555 nm entspricht1 W Strahlungsflußeinem Lichtstrom von683 lm.

Lichtstärke

Der in einer bestimmten Richtung in einenRaumwinkel ausgestrahlte Lichtstrom bezogen aufdiesen Raumwinkel (sr (Steradiant)). Damit wird dieRichtungsabhängigkeit des ausgestrahlten Lichtstromscharakterisiert.

Maßeinheit:cd (Candela)

1 cd=1 lm/sr

100 W Glühlampe 110 cd

100 W Scheinwerfer biszu 106 cd inStrahlrichtung

LED für Signalzwecke(10 mA) 1-300 mcd

weiße LED (20 mA, 20°Abstrahlwinkel) 5,6 cd

(2000)

Beleuchtungsstärke

Maß des auf eine Fläche auffallenden Lichtstromes.Wenn ein Lichtstrom von 1 lm gleichmäßig auf eineFläche von 1 m2 trifft, dann ist die Beleuchtungsstärke1 lx.

Maßeinheit:lx (Lux)

1 lx=1 lm/m2

Sonnenschein, mittags imFreien max. 100000 lx

Büroarbeitsplatz 500 lx

klare Vollmondnacht0,2 lx

Leuchtdichte

Maß für die „gesehene Helligkeit“. Die Leuchtdichteist der Lichtstrom je Fläche und Raumwinkel. Dasmenschliche Auge empfindetLeuchtdichteunterschiede als Helligkeitsunterschiede.

Maßeinheit:cd/m2

(Candela/Quadratmeter)

Sonnenoberfläche1,5 x 109 cd/m2

Glühdraht einer Glühlampe5 bis 35x 106 cd/m2

moderne Leuchtstofflampe0,3 bis 1,5x 104 cd/m2

Nachthimmeletwa 10-11 cd/m2

Lichtausbeute (Effizienz)

Die Lichtausbeute ist ein Maß für die effektiveUmwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie. DieEffizienz der LED liegt zur Zeit bei bis zu 55 lm/W.

Maßeinheit:lm/W (Lumen/Watt)

Natriumdampf-niederdrucklampen(monochromatischgelb)ca. 200 lm/W

Halogenglühlampenbis ca. 35 lm/W

Allgebrauchsglühlampen10 bis 20 lm/W

grüne LEDbis zu 55 lm/W

weiße LEDz.Zt. bis zu 25 lm/W

Don Klipstein'sLED Main Pageregelmässigaktualisierte, nachFarben sortierteAuflistung dereffektivsten LED

Lichtfarbe

Die Lichtfarbe einer Lichtquelle bezeichnet den Farbeindruck, der beim direkten Einfalldes Lichtes dieser Lichtquelle ins Auge entsteht. Monochromatisches (einfarbiges) Lichtwird durch die dominante Wellenlänge definiert. Mischfarben können entweder durch denFarbort x, y in der Normfarbtafel oder (bei Temperaturstrahlern) näherungsweise durchdie ähnlichste Farbtemperatur Tn angegeben werden.

LED erzeugen monochromatisches Licht, ihre Lichtfarbe wird duch den eingesetztenHalbleiter bestimmt. Der Aufbau der weißen LED ermöglicht es alle anderen Lichtfarbenzu erzeugen.

Farbtemperatur

Die Farbe von (konventionellen) Lichtquellen ist schwerlichdurch ihre Lichtwellenlänge ausdrückbar, da dasAusstrahlungsspektrum zu berücksichtigen ist. Daher werdenQuellen mit breitem Spektrum oft nach ihrer Farbtemperaturklassifiziert, also nach der Temperatur eines schwarzen Körpers(glühendes Titan), der der in derselben Farbe leuchtet, wie dieQuelle.

Je heißer der schwarze Körper ist, um so größer ist beikürzeren Wellenlängen die relative Intensität. Ein kalter Körperstrahlt fast ausschließlich im Infraroten. Wenn er erhitzt wird,beginnt er rot zu glühen. Weiteres erhitzen kann ihn gelb, weißund sogar blau erscheinen lassen.

Fast alle glühenden Quellen (Temperaturstrahler) mitderselben Farbtemperatur haben dieselbe Intensitätsverteilungund lassen sich deshalb gut normieren. Bezugsgröße ist derideale schwarze Körper, dessen Ausstrahlung genau bekanntist (Plancksche Strahlungsformel).

Die Temperatur wirdin Grad Kelvinangegeben, wobeiK=°C+273 ist. EineähnlichsteFarbtemperatur3000 K steht für einewarme rötlicheLichtfarbe, wogegen6000 K eine kalte,tageslichtähnlicheFarbe beschreibt.

In der CIE-Normfarbtafelliegen die Farben des Lichtesglühender Quellen auf einerKurve, die aus dem Infrarotemkommend bei einerunendlichen Temperatur ineinem blau-weiß endet.

Der Weißton und damit dieannähernde Lichtemperatur(z.B. weißer LED) kann durchdie x- und y-Koordinaten inder CIE-Normfarbtafelbestimmt werden.

AlsFarbtemperatureinerLichtquellebezeichnetman dieTemperatur,die einschwarzerKörper habenmüßte, um dengleichenFarbeindruckwie dieLichtquelle zuerzeugen.

Die CIE-Normfarbtafel LED Farben in der CIE-Normfarbtafel Multi LED (mit mehreren LED-Chips) weiße LED

Farbwiedergabe

Die Farbe des an einem Gegenstand reflektierten Lichts hängt von der Farbe derBeleuchtung ab. Ein extremes Beispiel dafür läßt sich an den weiß-gelben Natriumlampenbeobachten, wie sie oft an Kreuzungen stehen; manche Gegenstände verlieren in diesemLicht ihre Farbe, weil diese Quelle sehr wenig grünes und rotes Licht abstrahlt. Selbstwenn zwei Beleuchtungen ganz gleich scheinen (metamer sind), kann ein Objekt beidiesen Beleuchtungen jeweils ganz verschieden aussehen, da das Objekte nur in denFarben oder Mischungen der Farben erscheinen kann, die auch in dem Licht enthaltensind.

Die Farbwiedergabe bezeichnet die Beziehung zwischen Farbreiz und Farbeindruck,d.h. die Wiedergabe der Farben von Gegenständen bei Beleuchtung mit verschiedenenLichtquellen für einen Beobachter im Vergleich zu einer Vergleichslichtquelle. DieFarbwiedergabeeigenschaften von Lampen werden in verschiedene Stufen derFarbwiedergabeeigenschaften eingeteilt, die durch den allgemeinen FarbwiedergabeindexRa gekennzeichnet sind.

Lampe

Eine Lampe ist die technische Ausführungsform künstlicher Lichtquellen(Leuchtmittel). Lampen dienen der Umwandlung von elektrischer Energie in sichtbareStrahlung. Am häufigsten angewendet werden Temperaturstrahler (Glühlampen,Halogen-Glühlampen) und Gasentladungsstrahler (z.B. Leuchtstoffröhren).

Leuchte

Bauelement zur Aufnahme der Lampe mit dem Zweck der Lichtstromlenkung, derBlendungsbegrenzung sowie des mechanischen und elektrischen Schutzes, sowie die zurBefestigung und Energieversorgung notwendigen Bestandteile.

Bei LED-Leuchten können LED (aufgrund deren langen Lebensdauer) und Leuchte zueiner unlösbaren Einheit verbunden werden. Werden LED mit linsenförmigen Körpereingesetzt, so kann auf zusätzliche blendungsbegrenzende und lichtlenkende Maßnahmenweitgehend verzichtet werden.

Blendung

Blendung führt zu Beeinträchtigung des Sehvermögens (physiologische Blendung)bzw. Auslösen einer Störempfindung wie Unbehagen und Ermüdung (psychologischeBlendung), hervorgerufen durch zu große Leuchtdichteunterschiede im Gesichtsfeld oderdurch eine für den Adaptationszustand zu hohe Absolutleuchtdichte im Gesichtsfeld.

Blendungsbegrenzung

Maßnahmen, die die Blendung auf ein zulässiges Maß beschränken. Meistens geschiehtdies durch Abschirmung der Lampen in Richtung auf die Beobachter oder durchVergrößerung der leuchtenden Flächen der Leuchten.

Um mit LED einen für Beleuchtungszwecke ausreichenden Lichtstrom zu erzeugen,müssen viele LED eingesetzt werden. Das führt zu einer Herabsetzung der Leuchtdichtean der Leuchte und damit zu einer geringeren Blendung. Der linsenförmige Aufbau derLEDkörper kann Abschirmmaßnahmen überflüssig machen.

Farbe

Farbe und Licht können in vielfältiger Weise auf die Psyche des Menschen einwirken.Zum Beispiel wirkt in der Lichttherapie gegen depressive Symptome der gezielte Einsatzvon Licht neben der Verabreichung von Johanniskrautpräparaten beschleunigend auf dieTherapie.

additive Farbmischung

Obwohl gewöhnliches Licht, wie es etwa von derSonne oder einer Glühlampe erzeugt wird, in derRegel weiß in Erscheinung tritt, sind darin dennochviele verschiedene (Licht-) Farben enthalten. Wirdweißes Sonnenlicht mit einem Prisma in seineWellenlängen auffächert, so sind alle Farben desSpektrums zu sehen. Verfolgt man diesen Prozeß inumgekehrter Richtung, so ist es möglich, mit denunterschiedlichen Farben wiederum weißes Licht zuerzeugen. Bei weißem Licht handelt es sich also umein Mischlicht.

Bei der additiven Farbmischung nimmt das Augemehrere Strahlungen gleichzeitig (z.B. durchProjektion), oder schnell nacheinander (z.B.Farbkreisel) wahr. Bei dem Farbfernseh-Bildschirmoder LED Farbdisplays liegen drei kleine Farbflächenin rot, grün und blau (RGB) nebeneinander, so daßsie bei ausreichendem Abstand nicht mehr aufgelöstwerden und dem Auge als eine einheitlicheFarbfläche erscheinen. Der Farbreiz entsteht durchAddition der einzelnen Farben, durch additiveMischung kann z.B. weiß entstehen.

Bei einer RGB-Beleuchtung mischen sich dieFarben auf der beleuchteten Fläche. Durchprogammgesteuertes Dimmen der einzelnenLichtfarben können subtile oder auch sehr effektvolleFarbwechsel erzielt werden. Dazu werden spezielleelektronische Steuergeräte benötigt

metamere FarbenCIE Normfarbtafel

Den verschiedenenSpektralfarben können

Wellenlängenbereichezugeordnet werden. Licht miteiner bestimmten Wellenlängenennt man monochromatisch.

370 - 450 Violett

455 - 485 Blau500 - 550 Grün570 - 590 Gelb600 - 620 Orange über 625 Rot

www.farbenlehre.comRGB Theorie und Kritik

metamere Farben

Für den Beobachter völlig gleiche Farben könnendurch sehr unterschiedliche Farbreize hervorgerufenwerden. Man nennt solche gleich aussehende, aberauf verschiedenen spektralenStrahlungsverteilungen beruhende Farben bedingtgleiche (metamere) Farben.

Die additive Mischung hat für die Farbmetrik großeBedeutung, weil sich metamere Farben gleich verhalten.

Monochromatisches Blauplus monochromatischesGelb

Breitbandiges Weiß (allesichtbaren Wellenlängen)

Licht mit diesen Intensitätsverteilungen scheintunserem Auge gleich zu sein (weißes Licht); dabeisind in einem nur zwei Wellenlängen vertreten,während das andere alle sichtbaren Wellenlängenaufweist. Farbige Objekte können im Licht solcherQuellen verschiedenfarbig aussehen, weil dieIntensitätsverteilung der Quellen trotz ihres gleichenAussehens verschieden ist.

Gleich aussehendeFarben führen in deradditiven Mischungzum gleichenErgebnis, unabhängigvon der spektralenZusammensetzungihrer Strahlung.

CIE-Normfarbtafel

Zur Addition von Lichtfarben lassen sich einfache Regelnaufstellen, die aus der CIE-Normfarbtafel ablesbar sind. Hierentsprechen die Punkte auf der hufeisenförmigen Kurve,dem Spektralfarbenzug, also den jeweiligen Spektralfarben.

Das untere Ende des Spektralfarbzuges ist mit derPurpurgeraden abgeschlossen; auf ihr liegen dieMischfarben von Violett und Rot. Diese Farben sind keineSpektralfarben. In der Mitte des Diagramms befindet sichder Weißpunkt (Unbuntpunkt), der Farbort desenergiegleichen Spektrums, in ihm sind alle Farben zugleichen Anteilen enthalten. Das Komplement einer Farbeerhält man, indem man eine Gerade von der Farbe durchden Weißpunkt zur anderen Seite des Hufeisens zieht.

Der Farbraum dreier Farben (diezu mischenden Farben) wirddurch das Dreieck, das die Farbenals Eckpunkte hat, dargestellt. Mitden drei Ausgangsfarben lassensich alle Farben mischen, dieinnnerhalb des Dreiecks liegen.

Mit den additiven GrundfarbenRot, Grün und Blau (RGB) lässtsich das größte innerhalb desSpektralfarbenzugs liegendeDreieck bilden.

Alle Mischfarben, die aus zweiKomponenten durch Mischung inunterschiedlichen Anteilenherstellbar sind, liegen auf einerMischgeraden.

So kann z.B. mit blauen undgelben LED weißes Licht gemischtwerden.

Lichttemperatur in der CIE-Normfarbtafel LED Farben in der CIE-Normfarbtafel Multi LED (mit mehreren LED-Chips) weiße LED

Um jede Farbe mittels Koordinaten genau zudefinieren, wird von den imaginärenGrundfarben [X], [Y] und [Z], die die Eckpunkteeines den gesamten Farbraum umschließendenDreiecks bilden, ausgegangen. In derNormfarbtafel wird dargestellt, wie groß dierelativen Anteile x der Grundfarbe [X] und y von[Y] einer jeden Farbe ist. Die Einheiten sind sogewählt, daß der Weißpunkt bei x, y, z =1/3liegt. Die beiden Zahlen x und y geben denFarbwert der Farbe an (DerNormfarbwertanteil von z läßt sich errechnen,denn es ist x+y+z=1). Die Helligkeit wird beiLicht durch die Lichtstärke angegeben.

subtraktive Farbmischung

Wenn ein lichtundurchlässiger Gegenstand in einerbestimmten Farbe erscheint, so bedeutet das, daß erbei Bestrahlung mit weißem Licht bestimmteWellenlängen absorbiert (subtrahiert) und den Restreflektiert.

Mit drei geeigneten Farbfiltern (z.B. gelb, purpur,blaugrün) kann man die gesamte Strahlung imsichtbaren Bereich sperren: Als Ergebnis dersubtraktiven Mischung kann Schwarz entstehen. Diesubtraktive Mischung wird u. a. beim Farbfilm (dreidünne Farbfilterschichten hintereinander) und bei derMischung von Farbstoffen ausgenutzt.

Zwei Farbfilter mit metameren Farben (also gleichaussehende Filterscheiben mit unterschiedlichemTransmissionsverlauf) können in der subtraktivenMischung zu unterschiedlichem Ergebnis führen.Deshalb ist die subtraktive Mischung farbmetrisch nichteinfach zu erfassen.

Lichtquellen

In der Optik unterscheidet man eine Vielzahl vonStrahlungsquellen, die in die beiden Gruppen thermischeStrahlungsquellen und Lumineszenzstrahler unterteiltwerden können. Bei den thermischen Strahlungsquellenlassen sich natürliche Strahlungsquellen (z.B. dieSonne) und künstliche Strahlungsquellen(Temperaturstrahler, z.B. Kohle, Glühlampe)unterscheiden. In gleicher Weise kennt man bei denLumineszenzstrahlern natürliche Strahler (z.B. kalteOxidation in der Tierwelt) und künstliche Strahler (z.B.Metalldampflampen oder Gasentladungslampen,Leuchtstofflampen, Halbleiterlumineszenzdioden).

on-lightPortalsite von ManfredKunath. UmfassendeInformationen und Linksüber Lampen, Leuchten,Vorschaltgeräte undderen Hersteller, Normenusw

Geschichte der künstlichen Lichtquellen

Bis in das 19. Jahrhundert hinein wurden dieHauptstraßen der Städte nur von Lampen in Geschäften,vor Hauseingängen, an heiligen Stätten und auf Gräbernbeleuchtet. Einige Lichtquellen unserer Vorfahrenerscheinen uns heute recht seltsam. So verbrannten siefetthaltige Tiere, wie den Kerzenfisch und denSturmvogel; bis ins vorige Jahrhundert aber bliebenFackel, Öllampe und Kerze die einzigen nächtlichenLichtquellen. Mit Sonnenuntergang wurde es sehrdunkel, arme Leute gingen mit den Hühnern ins Bett,und nur die Reichen hatten ein Nachtleben. Das ändertesich erst vor etwa 100 Jahren, als neueBeleuchtungsquellen erfunden wurden. Sie brachtenzweifelhaften Segen, denn mit ihnen kam derzwölfstündige Arbeitstag.

Bis im 19. Jahrhundert Stromerzeuger mit hohemWirkungsgrad entwickelt wurden, war künstliches Licht kaumetwas anderes, als die Lagerfeuer und Fackeln der erstenMenschen, nur der Brennstoff war besser. Die nächste denMenschen bekannte Lichtquelle ist die Öllampe derSteinzeitmenschen. Ihre Öllampe war eine Schale aus Stein,Muschel oder später Ton für das Öl, mit einem Rohr als Docht. Im19. Jahrhundert ersetzte Petroleum das Öl und die Luftzufuhrwurde verbessert. So entwickelte sich die Öllampe zu der Laterne,die wir heute zum Zelten mitnehmen. Schon die Chinesen habenGas zur Beleuchtung verwendet (sie pumpten es mitBambusröhren aus Salzminen heraus), und seit 1664 wurde Kohlezu Kohlengas destilliert, aber erst als Gas um 1800 wirtschaftlich,also billig wurde, fand es mehr Verwendung. Das Licht einerGaslampe, so stellte sich bald heraus, ist besser, wenn dem GasLuft oder Sauerstoff zugeführt wird; es wird noch heller, wenn einKalkblock in einem Wasserstoff-Sauerstoff-Gebläse zum Glühengebracht wird. Dieses Kalklicht war das Licht der Laterna magicaund bald nach der Jahrhundertmitte das Rampenlicht desTheaters. Um 1885 erfand man den Glühstrumpf, ein Gemischanorganischer Salze, die sich bis zum Glühen erhitzen lassen undsechsmal so hell brennen wie einfaches Gas. Damit konnte dasGaslicht bis in unser Jahrhundert hinein überleben. Das erste elektrische Licht war eine Bogenlampe; bei ihr springtein Funken zwischen zwei Elektroden über, die mit einer starkenBatterie verbunden sind. Bogenlampen wurden erst Mitte desneunzehnten Jahrhunderts wirtschaftlich, als die ersten großenGeneratoren entwickelt wurden. Bald schon waren sie weitverbreitet. Es ergibt sich ein sehr konzentriertes Licht, das für dieHausbeleuchtung zu hell ist, aber bis vor einigen Jahren noch imTheater verwendet wurde. Es ist nützlich, sich klar zu machen, daß im wesentlichen zweiGesichtspunkte die Entwicklung moderner Lichtquellen bestimmthaben: Erstens die Erzielung einer möglichst guten

Farbwiedergabe, ähnlich dem Sonnenlicht, d. h. die Lampen

sollen möglichst mit einer Verteilungstemperatur von etwa 6000 Kstrahlen. Hieraus resultiert die Suche nach hochschmelzendenMaterialien für die Glühlampenfäden, bzw. der Einsatz vonGasentladungen oder Plasmen für Beleuchtungszwecke, oftmals inVerbindung mit Leuchtpigmentschichten an den Innenseiten derGlaskolben. Zweitens sollen die Lampen einen möglichst hohen

Wirkungsgrad haben, sowohl was die aufzuwendende

elektrische Leistung als auch was den spektralenHellempfindlichkeitsgrad des menschlichen Auges betrifft. In der zeitlichen Entwicklung zeigt sich auch ein deutlicherTrend zu kompakten Lichtquellen, wie Niedervolt-Halogenlampen,kompakte Leuchtstofflampen, Halogen-Metalldampflampen oderheute die LED.

thermische Strahler

Die Strahlung einer erhitzten Bratpfanne ist gewöhnlichnicht zu sehen, wohl aber mit der Hand, die aufInfrarotstrahlung reagiert, zu fühlen. Wenn die Pfanne heißgenug ist, beginnt sie zu glühen, wird also so heiß, daß sieim sichtbaren Bereich strahlt. Für diese höherfrequenteStrahlung sind unsere Augen empfindlich, wir sehen sie alsrotes Licht.

Ein glühender Körper kann Licht jeder beliebigenWellenlänge abgeben, sobald er die richtige Temperatur hat.Es wird um so mehr Licht ausgestrahlt, je heißer der Körperund je kürzer die Wellenlänge des vorwiegendausgestrahlten Lichts ist. (Farbtemperatur)

Glühlampen Die heute gebräuchliche Glühlampe wurde entwickelt, alsman mit Hilfe der Quecksilberdampfpumpe ein gutesHochvakuum erzeugen konnte. Diese Pumpe wurde zuerst1865 hergestellt; schon 1880 ließ Edison die Glühlampepatentieren, eine Erfindung, ohne die unser heutiger Alltagkaum vorstellbar wäre.

In eine Glasbirne eingeschlossen ist eine Wendel aus etwaeinen halben Meter dünnem Wolframdraht. Wolfram schmilzterst bei 3653 K und besitzt eine niedrigeVerdampfungsgeschwindgkeit. Wenn Strom fließt, erhitztsich durch seinen hohen elektrischen Widerstand der Fadenund strahlt. Je heißer die Wendel wird, desto heller undweißer erscheint das abgestrahlte Licht. Das Spektrum desLichts verschiebt sich in den Bereich kürzerer Wellenlängen.Die Wendeltemperatur beträgt je nach Lampentyp circa3000 K, bei Halogenlampen sogar darüber.

Elektrische Energie wird hierbei in Strahlungsenergieumgewandelt, die zu etwa 7% im sichtbaren Bereich liegt,zum größten Teil aber im Infrarot. Glühlampen haben imVergleich zu anderen Leuchtmitteln eine nur begrenzteLebensdauer von rund 1000 Stunden und sind leichtzerbrechlich.

Halogen-Glühlampe In einer Halogen-Glühlampe (seit 1959) werden derGasfüllung Halogene (meist Jod) beigemischt. Diesebewirken, daß sich das an der Wendel verdampfendeWolfram an der Innenseite des relativ kühlenLampenkolbens zu einem Metallhalogenid verbindet.

Da diese Reaktion aber erst oberhalb einer Temperaturvon etwa 250°C einsetzt, muß die Kolbenwand an derkältesten Stelle diesen Temperaturwert überschreiten.Deshalb fertigt man die Lampenkolben solcher Lampenmöglichst klein und aus Quarzglas. An der sehr heißenWendel zersetzt sich das Wolframjodid wieder zu Wolframund dem Halogen, was einem Durchbrennen der Wendelentgegenwirkt sowie eine höhere Betriebstemperatur derLampe begünstigt. Hierdurch entsteht ein sehr helles, weißesLicht.

Die Lichtausbeute ist während der gesamten Lebensdauerder Lampe hoch, da ein Bedampfen der innerenKolbenoberfläche mit Wolfram praktisch vollkommenverhindert wird und liegt, vor allem im Niedervoltbereich,über der von herkömmlichen Glühlampen. HalogenGlühlampen benötigen keine zusätzlichen Betriebsgeräte.

Niedervolthalogenlampen müssen allerdings anTransformatoren betrieben werden. Die kleine, kompakteForm der Halogen-Glühlampen führte zu neuenEinsatzgebieten. Seit langem schon in Autoscheinwerfernverwendet, haben sie auch Einzug im Bereich derArchitekturbeleuchtung gefunden.

Allgebrauchs-glühlampe

Niedervolthalogen-strahler

Lumineszenzstrahler

Elektromagnetische Strahlung wird durch Photonen, derenEnergie um so höher ist, je kürzer die Wellenlänge ist,übertragen. Diese Energie können sie durch die thermischenProzesse in Form von Gitterschwingungen erhalten. Die Energiekann jedoch auch aus anderen, z.B. chemischen oderelektrischen Prozessen stammen, hat somit nicht thermischenUrsprung (kaltes Licht). Lichtquellen dieser Art werden unterdem übergeordneten Begriff der Lumineszenz zusammengefaßt.

Neben der Auswahl der hier vorgestelten „konventionellen“Lumineszenzstrahler gehören auch die LED zu dieser Kategorie.

EntladungslampenLeuchtstofflampenNatriumdampflampenXenon-Hochdrucklampen

Entladungslampen gehören zu den Lumineszenzstrahlern. Weil zur Anregungelektrische Energie benutzt wird, tritt Elektrolumineszenz auf.

Ein Glasrohr mit Elektroden an den Enden ist mit einem Gas-oder Metalldampf gefüllt. Legt man eine ausreichende Spannungan die Elektroden, so bewegen sich freie Elektronen zur Anodeund regen durch Stöße weitere Atome an bzw. ionisieren sie.Dabei wird Energie im Atom gespeichert. Bei der Rückkehr vondem angeregten Zustand auf niedrigere Energiestufen wird dieEnergie in Form von Strahlungsenergie wieder frei, es trittLeuchten auf. Entladungslampen senden bei niedrigem DruckLinienspektren aus. Mit zunehmendem Druck trittLinienverbreiterung und schließlich ein Kontinuum auf.

Es ist möglich, die Grenze von 3650 K, die beiTemperaturstrahlern nicht überschritten werden kann, zuüberschreiten, und somit ein sehr helles, dem Tageslichtähnliches Licht zu erzeugen. Auch dieses Phänomen wird durchdie Erhöhung des Drucks in den Entladungslampen nochverstärkt. (Hochdruck-Entladungslampen werden mit einemLeuchtendruck von über einem bar betrieben.)

Im Gegensatz zu einfachen Glühlampen sindEntladungslampen jedoch von besonderen Zünd- undBetriebsbedingungen abhängig. Deshalb sind zum BetriebZusatzeinrichtungen erforderlich, die in der Regel getrennt vonder Lampe im Leuchtengehäuse untergebracht sind

Leuchtstofflampen sind Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampen. Aufder Innenseite des Glaskolbens ist eine Schicht ausLeuchtpigmenten aufgebracht, die mit Hilfe vonFotolumineszenz für die Umwandlung der UV-Strahlung derEntladung in sichtbare Strahlung (Licht) sorgt. Durch Veränderndes Grundmaterials läßt sich das Emissionsspektrum derLeuchtstofflampen in weiten Bereichen variieren, so daß dieLichtfarbe allein mit dem Leuchtpigment den verschiedenstenlichttechnischen Bedürfnissen angepaßt werden kann.

Je nach Lichtfarbe und elektrischer Lampenleistung (üblichsind 15 W bis 65 W) haben normale LeuchtstofflampenLichtausbeuten von 40-70 Im/W.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtstofflampen, diehäufig in Röhrenform erhältlich sind, haben moderneLeuchtstofflampen eine deutlich kompaktere Form, die durch eingebogenes oder die Kombination mehrerer, kurzerEntladungsrohre erreicht wird. Wie die große, so besitzt auch diekompakte Leuchtstofflampe eine hohe Lichtausbeute undeine lange Lebensdauer.

Für den Betrieb sind Start- und Vorschaltgeräte notwendig,die aber in der Lampe integriert sein können. Durch diekompakte Form ergibt sich ein erweitertes Anwendungsgebietfür diese Lampen. Die Lebensdauer solcher Lampen beträgt biszu 15000 Stunden. Da sie aber, wenn auch nur in geringenMengen, Quecksilber, Antimon, Blei oder Strontium enthalten,müssen sie als Sondermüll entsorgt werden.

Halogen -Metalldampf-

lampe

kompakte Leuchtstofflamp

e

Welches weiße Licht ist das beste?

Angesichts der Vielzahl von Lichtquellen, die alle weiß erscheinen, stellt sich die Frage,welche man wählen sollte. Da bis vor kurzem fast alles künstliche Licht Glühlampenlichtwar, ist es für uns zum Maßstab einer Beleuchtung geworden, bei der die Farbwiedergabestimmt. Die Beleuchtung mit Tageslicht ist noch häufiger, aber die Intensitätsverteilungändert sich im Laufe des Tages ganz beträchtlich. Es gibt also verschiedene Maßstäbe.Die Wahl ist hier eine Sache des Geschmacks, nicht der Wissenschaft, und die Maßstäbeändern sich mit unserer Umwelt.

Es gibt andere Überlegungen, bei denen es nicht nach der Stimmigkeit der Farbe geht,sondern um Wirtschaftlichkeit und Bequemlichkeit. Die Lampe soll einen hohenWirkungsgrad haben, also für wenig Geld viel Licht liefern. Das ist ein Grund für dieBeliebtheit der Leuchtstoffröhren, die drei- bis viermal so lichtstark sind wie Glühlampenaber auch für den Einsatz der LED in nur einigen Bereichen. Auch die Größe derLichtquelle kann wichtig sein (ob man eine Punktquelle oder ein ausgedehntesLichtbündel will); wichtig ist weiter, ob sich das Licht lenken läßt oder nicht, wie teuerund wie umständlich Unterhalt und Sicherheit sind (manche Quellen brauchen hoheSpannungen) – eine Unmenge anderer Überlegungen, die vom persönlichen Geschmackund vom Einsatzgebiet abhängen, bestimmen die Wahl.

Manchen Menschen gefällt sogar ein elektrisches Licht, das aussieht wie eineflackernde Kerze.

Leuchtdioden ( Light Emitting Diodes - LED )

Bei den Licht emittierenden Dioden (LED) erfolgt dieStrahlungserzeugung durch Rekombination vonLadungsträgerpaaren in einem Halbleiter mitentsprechendem Bandabstand.

Leuchtdioden gehören zu denElektrolumineszenzstrahlern. Sie sind Halbleiterdioden,die nach Anlegen der Durchlaßspannung aus derSperrschicht heraus Licht emittieren. Sie basieren aufHalbleiterverbindungen; am häufigsten vertreten sinddabei die III/V-Halbleiter, die aus Elementen der 3. und5. Gruppe des Periodensystems bestehen, weil siepassende Bandabstände haben und weil ihreBandstruktur effektiv strahlende Rekombinationermöglicht. Dazu gehören Stoffe wie Galliumphosphid(GaP), Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) oderIndiumgalliumnitrid (InGaN).

Der Bandabstand und damit die Wellenlänge desLichtes ist durch die Wahl der Halbleiterstoffe inZusammenhang mit den entsprechenden Dotiermaterialbestimmt.

Die LED dienen zur Erzeugung einer (im Vergleich zuTemperaturstrahlern) schmalbandigen Strahlung imnahen UV, im sichtbarem oder im Infrarotbereich. Auchdie Laserdiode beruht auf dem LED-Konzept.Lumineszenzdioden sind bis zum MHz-Bereichmodulierbar (Optoelektronik) und benötigen nur niedrigeSpannung. Im Gegensatz zur Glühwendel sind sieunempfindlich gegen mechanische Stöße, sie habenkeinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Größe derLeuchtfläche liegt bei etwa 10-3mm2 bis 1mm2

(z.B. 0,4mm x 0,4 mm). Praktisch hat man also einepunktförmige Strahlungsquelle verfügbar.

CompoundSemicunductor

Magazine Compound

SemicunductorsOnlineOnline Magazine, dieüberdie aktuellenEntwicklungen berichten

Don Klipstein's LEDMain Pageinformative Site undweiterführende Links

LED Museum„Craig Johnson´s LED-page“subjektive aberumfangreiche Darstellungder verschiedenen LEDund mehr

Light-Emitting-Diodes-dot-orgWebsite derArbeitsgruppe um E. FredSchubert an der BostonUniversity mit vielendetailliertenInformationen.

Sandia LabsSolid-State Lighting.

Halbleiterwerkstoffe

Halbleiterwerkstoffe haben einen kristallinen Aufbau.In einem Halbleiterkristall existiert das sogenannteValenzband, das die Energie der gebundenenElektronen der Atome repräsentiert und ein höheresEnergieband, genannt das Leitungsband, das dieEnergie der im Kristall frei beweglichen Elektronencharakterisiert.

Bei Zimmertemperatur ist die thermische Energiegroß genug, um einige Atome des Halbleitermaterials zuionisieren. Es existiert daher eine geringe aberentscheidende Leitfähigkeit, deren Existenz den NamenHalbleiter geprägt hat. Sie ist etwa um das 105 fachegeringer als die von Metallen, aber größer als die vonIsolierstoffen. Wird einem Elektron genügend Energiezugeführt, um seinem Mutteratom zu entkommen, sobewegt es sich willkürlich durch das Material, bis es einionisiertes Atom, ein sogenanntes Loch, trifft, mit demes rekombiniert. Durch den Rekombinationsprozessverliert es die Energie, die der Energielücke zwischenValenz- und Leitungsband entspricht. Diese Energiekann in Form eines Photons abgegeben werden undbestimmt die Wellenlänge des emitierten Lichts.

Die Zahl der beweglichen Ladungsträger läßt sichstark erhöhen, wenn der Halbleiter dotiert wird, d.h. daßin das Kristallgitter Störstellen in Form von höher- bzw.geringerwertigen Fremdatomen eingebaut werden.

Beispielsweise bleibt beim Einbauvon Arsenatomen (As) in einGermaniumgitter (Ge) jeweils dasfünfte Valenzlektron übrig, da esnicht zur Bindungsbildungbenötigt wird. Schon beiZimmertemperatur wandert es freidurch das Gitter. Man bezeichnetdas Arsenatom als Donator(Elektronenspender), da es durchAbgabe eines Elektrons dieElektronenleitung ermöglicht.Diesen Halbleiter mitüberschüssigenLeitungselektronen nennt man n-Leiter.n-Leiter sind durch Fremdatomemit höherer Wertigkeit dotierteHalbleiter. Ein Atom mit nur dreiValenzelektronen, z.B. Indium,wird dagegen als Akzeptor(Elektronenfänger) bezeichnet. Beidiesem wandert ein positiverLadungszustand durch das Fehleneines Elektrons frei durch dasGitter, der eine Löcherleitungermöglicht. Man bezeichnet diesenHalbleiter als p-Leiter.

Britney's Guide toSemiconductorPhysicsEine sehr schöne Site aufder die physikalischenEigenschaften undVorgänge in (Laser-)Halbleitern detailliertbeschrieben werden. VonCarl Hepburn, Universityof Essex.

Halbleiterdioden Stoßen zwei Halbleiterzonen verschiedenerLeitungsart aneinander, so entsteht ein pn-Übergang. Erbildet die Grenzschicht zwischen einem p-Leiter undeinem n-Leiter. Es diffundieren negative Ladungsträger(Elektronen) vom n-Leiter in den p-Leiter und positiveLadungsträger (Löcher) vom p-Leiter in den n-Leiter.Dabei finden Rekombinationen statt. DieLeitungselektronen der Grenzschicht werden zugebundenen Valenzelektronen, und die Löcherverschwinden. In der Grenzschicht halten sich keinebeweglichen Ladungsträger mehr auf.

Die Diffusion beeinflußt die Lage der Ionen,welche imHalbleiter ortsfest sind, nicht. Deshalb verbleibt in derGrenzschicht des n-Leiters nach Abwandern derElektronen eine positive Ladung. Entsprechend erhältder p-Leiter in der Grenzschicht eine negative Ladung.Die Ladungen innerhalb der Grenzschicht bewirken eineSpannung am pn-Übergang, die ein weiteres Eindringenvon Ladungsträgern in die Grenzschicht verhindert. DerLadungstransport wird dort gesperrt. Somit wird dieGrenzschicht zu einer Sperrschicht.

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

Die Sperrschichtbreite nimmt beim Anlegen derSpannung ab, wenn der Minuspol der Spannung am n-Leiter und der Pluspol am p-Leiter liegen. Diese Richtungder Polung nennt man Durchlaßrichtung. InDurchlaßrichtung ist der Widerstand(Durchlaßwiderstand) klein. Es fließt der Durchlaßstrom(Vorwärtsstrom).

Dioden werden z.B. zur Gleichrichtung vonWechselstrom genutzt.

Ein pn-Übergang hat elektrisch die Funktion einer Diode.

Blockschaltbild der LED

Für die Diodenanschlüsse wurdendie Bezeichnungen Anode undKatode von der Röhrendiodeübernommen. Man versteht unterAnode die positive Elektrode (p-Schicht) und unter Katode dienegative Elektrode (n-Schicht).

Entwicklung der Halbleiterlichtemitter

Das Diagramm zeigtdie Entwicklung des

Wirkungsgrades(lm/W) der LEDüber die Zeit. Einfachgesagt hat sich jedesJahrzehnt seit derEinführung der LEDihre Effizienzverzehnfacht.

Kommerziell wurden 1962 die ersten roten GaAsPLumineszenzdioden von General Electric angeboten. Grobgesagt konnte danach jedes Jahrzehnt die Effektivität um umdas zehnfache erhöht werden.

Isoelektronisches dotieren von GaP und GaAsP mit Stickstoffführten zu einer solchen Erhöhung der Effektivität und machten1971 zusätzlich grüne, orangene und gelbe LED verfügbar. Einweiterer großer Sprung war mit der Entwicklung hocheffektiverroter AlGaAs Dioden in den frühen 80er getan. DieseLumineszenzdioden waren die ersten, die farbig gefilterteGlühlampen in der Effektivität übertrafen und diese inbestimmten Gebieten (Signalleuchten und Anzeigentafeln) zuersetzen begannen. Anfang der 90er führten die AlInGaP LEDzu einer bedeutenden Steigerung im rotorangen bis gelben undgrünen Spektralbereich. Eine weitere zweifache Steigerung derLichtausbeute erreichte Hewlett Packard (jetzt Agilent)1994durch das Ersetzen des GaAs-Substrates, auf den dielichtemitierenden pn-Schichten aufgebracht werden, durch eintransparentes GaP-Substrat erreichen.

Diese tranparentes Substrat Dioden (TS-AlInGaP) sind mitca. 40 lm/W die effektivsten heute verfügbarenLumineszenzdioden.

Hocheffektive blaue LED waren bis vor wenigen Jahren nichtverfügbar, obwohl schon lange an ihnen geforscht wird. DieEnde der 80er eingeführten SiC-Dioden sind in einigenGebieten sinnvoll einzusetzen, sie haben jedoch eine sehrgeringe Effektivität. Ende 1993 wurden von Shuji Nakamurabei Nichia Chemical im blauen und grünem Spektrumemittierende InGaN-Dioden mit einer um vielfaches höherenEffektivität vorgestellt. Die Effektivität dieser InGaN-Dioden hatsich seither ständig erhöht. Noch sind sie aber relativ teuer, dadie Substratmaterialen schwieriger herstellbar sind bzw. neueVerfahren angewendet werden müssen, um die Epitaxieschichtaufzubringen.

Hocheffektive Lumineszenzdioden decken heute dengesamten Spektralbereich ab. Es werden neue Einsatzgebieteerschlossen und in verschiedenen Bereichen können andereLichtquellen durch LED ersetzt werden.

Die EntwicklungderLumineszenzdiodenist noch voll inGange. Innerhalbder nächsten zehnJahre wird eineSteigerung derLichtausbeute aufbis zu 300 lm/Wangestrebt, damitwäre die LED mitall ihren Vorteilendie effektivsteLichtquelleüberhaupt.

LED Museumder Museumsbereichder LED-page vonCraig Johnson

LED Geschichte

LED Geschichte

Das Phänomen der Lichterzeugung durch elektrische Anregung einesFestkörpers wurde erstmals im Jahre 1907 von H.J. Round unter demKontakt an einem Siliziumkarbid-Kristall (SiC), der zur Detektion vonRadiowellen bestimmt war, entdeckt. Dabei wurde bereits erkannt, daßes sich um kaltes Licht handelte, denn die Emission erfolgte ohneerkennbare Erwärmung des Kristalls. Diese Beobachtung wurde zunächstnicht beachtet, da sich die mit SiC beschäftigten Forscher in dieser Zeitnur für Radiodetektoren interessierten. Erst 1921 entdeckte O.V. Lossewdiese Lichtemission wieder. Lossew untersuchte das Phänomen in denJahren 1927 und 1942 genauer, da er die neuartige Lichtquelle miteinem Drehspiegel modulieren konnte und sie daher für dieNachrichtenübertragung einsetzen wollte.

1935 wurde von G. Destriau an Zinksulfid (ZnS) ein ähnlicherLeuchteffekt entdeckt und von ihm als Lossew-Licht bezeichnet.

Es dauerte lange, bis sich Lossews Beobachtung in das theoretischeSchema des Festkörperwissens einordnen ließ. Erst 1951 konnte dieLichtemission befriedigend erklärt werden. Hierzu war der ganze mit derEntdeckung und Entwicklung des Transistors eingeleitetewissenschaftliche Fortschritt in der Halbleiterphysik notwendig. Nunsetzte von 1952 bis 1961 zuerst die Erforschung und Weiterentwicklungdes Destriau-Effektes ein, womit man unter Verwendung von ZnS-Pulverphosphoren flache Bildschirme erzielen wollte, um dieKathodenstrahlröhre zu ersetzen.

Während der entsprechende Erfolg mit ZnS ausblieb, brachten die1952 als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungen den erhofftenDurchbruch. Diese Materialien entstehen aus den Elementhalbleitern, diemit drei- und fünfwertigen Elementen dotiert werden. Etwa 1957 begannman mit intensiven grundsätzlichen Untersuchungen der Lichterzeugungmit den neuen Halbleitern und mit der Entwicklung einer geeignetenTechnologie zur Herstellung von Kristallen und Bauelementen. Vonbesonderer Bedeutung war die Lichtemission im Sichtbaren auf der Basiseines direkten Mischkristalls aus Galliumarsenid (GaAs) undGalliumphosphid (GaP), die 1962 berichtet wurde. Mit dieser Arbeit kamnämlich endlich – 55 Jahre nach der ersten Entdeckung von H.J. Round –die LED-Entwicklung voll in Gang.

Herstellung der LED

Ausgangspunkt für die Herstellung von Lumineszenzdioden istein einkristallines Grundmaterial. Einkristalle werden nach demSchutzschmelzverfahren hergestellt. Ein Impf- oder Keimkristallwird in die Schmelze des Materials eingetaucht und unterdauerndem Drehen wieder herausgezogen. Man erhält Kristallebis zu 100 mm Durchmesser. Durch Zonenschmelzverfahren wirdder entstandene Kristall gereinigt und die Kristallstrukturverbessert.

Diese Kristalle können jedoch nicht direkt zur Herstellung vonLumineszenzdioden verwendet werden, weil bei den hohenHerstellungstemperaturen Verunreinigungen und eine Vielzahlvon Kristalldefekten auftreten. Kristalldefekte führen zunichtstrahlenden Rekombinationen, wodurch der Wirkungsgradsehr klein wird. Man verwendet die Einkristalle als tragendes undKristallausrichtung vorgebendes Substrat. Dazu wird er in dünneScheiben geschnitten. Diesen sogenannten Wafern wächst manin Epitaxieverfahren die unterschiedlich dotierten Schichten auf,die die geforderten Lumineszenzeigenschaften haben.

Es werden verschiedene Epitaxieverfahren unterschieden. Dies sind zurHerstellung von III-V Materialien für hocheffektive LED hauptsächlich:

Flüssigphasenepitaxie (LPE - liquid-phase epitaxy)Molekularstrahlepitaxie(MBE - molecular-beam epitaxy)organometallische Gasphasenepitaxie (OMVPE - organometallic vapor-phase-epitaxy)

Nachdem die pn-Übergänge hergestellt wurden, werden dieKontaktierungen vorgenommen und der Wafer inHalbleiterplättchen zerschnitten. Es folgt das Aufkleben oderAuflegieren des Halbleiterplättchens auf ein Leitermaterial unddas Verbinden des Oberseitenkontaktes mit dem zweitenElektrodenstift mit Hilfe eines Golddrahtes. Schließlich wird dieLumineszenzdiode in einen Kunststoff eingegossen. DieKunststoffumhüllung dient zum Schutz der Lumineszenzdiode,bestimmt deren Abstrahlcharakteristik und verbessert dieLichtaustrittsverhältnisse.

Schematische Darstellung derStruktur einer AlInGaPLeuchtdiode. Bei der Herstellungdieser im gelben bis rotenBereich des Spektrumsemitierenden Diode kommt dieorganometallischeGasphasenepitaxie zurAnwendung.

LED Bauformen

Es ist eine große Vielfalt von Bauformen lieferbar.Neben diversen Metall/Glas-Gehäusen werdenhauptsächlich Plastikbauformen eingesetzt. Hier setztder Kunststoffkörper zum einen den Grenzwinkel derTotalreflexion an der Chipoberfläche herab underhöht damit die aus dem Kristall austretendeStrahlungsleistung, zum anderen wirkt diegekrümmte Oberfläche als Linse und bündelt dieStrahlung in Achsrichtung. Sie sind problemlos ingroßen Stückzahlen zu fertigen.

Je nach Verlötungsverfahren wird beielektronischen Bauteilen zwischen den auf derRückseite 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 undgeringe Bauhöhe- Qualitätssteigerung, Kosten- und Zeitersparnisdurch automatische Bestückung- Vereinheitlichtes Design aller Bauteile- Einheitlicher Löt- und Bestückungsprozess allerBauteile- Weniger Bohrungen in der Platine

Neben den „Standard-Bauformen“ 3mm, 5mm undverschiedenen miniaturisierten SMD-LED sind LEDentwickelt worden, die durch ihre besondereGehäuseform den Betrieb mit einem höheren Stromerlauben und die dadurch einen höheren Lichtstromerzeugen. Bei der „SuperFlux“ wird die durch denhöheren Strom entstehende Wärme über zusätzlicheLötkontakte und bei der „Luxeon“ über ein Kühlblechauf der Lampenrückseite abgeleitet. Diese LED bietensich für Beleuchtungszwecke besonders an.

Eine weitere Möglichkeit ist es die LED-Cips direktauf die Platine zu bringen. Mit dieser Chip on Board(COB) Technologie können besonders enggepackteund gut wärmeableitende Lösungen realisiert werden.

3mm LED

SMD LED

Spider LED(Lumileds:„Super Flux“)

„Luxeon“ LED(Lumileds)

COB-Technologie

Abstrahlungscharakteristik

Die Lichtstärke in die verschiedenenAusstrahlungsrichtungen hängt vomLampenkörper ab, sie wird durch dieLichtstärkeverteilungskurve (LVK) beschrieben.

Die Lichtstärkeverteilungskurve wirdmeistens in Polarkoordinaten angegeben. Fürrotationssymmetrische Lichtverteilungen reichtdie Darstellung in einer Ebene durch dieLeuchte aus. Als Abstrahlwinkel ist der Winkeldefiniert, bei dem die Intensität 50% beträgt.

Charakteristik einer 3mm LED mit einem Abstrahlwinkel von 30°

Strom

Die Abstrahlung von LED ist etwa proportional zumStrom. Die Strombelastbarkeit hängt ähnlich wie beianderen Bauelementen von der Wärmeabfuhr ab. Sollalso die LED mit höheren Strömen beschaltet werden,um den erzeugten Lichtstrom je LED zu erhöhen (dasbedeutet keine Erhöhung der Effektivität), so muß alsodurch eine entsprechende Bauform eine guteWärmeableitung aus dem Lampenkörper gewährleistetsein.

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

Diode mitStrombegrenzungswiederstand

Der Durchlaßstrom steigt mitwachsender Spannung erstlangsam und dann immerschneller an. Ein stärkererStrom bewirkt eine erhöhteWärmeentwicklung. HöhereTemperatur erzeugt abermehr Ladungsträger. Dadurchsteigt der Strom weiter an,der Halbleiter wird noch mehrerwärmt. Oberhalb einerbestimmtenTemperaturgrenze wird dasKristallgitter eines Halbleiterszerstört, d.h. die Lebensdauerund Effizienz verrringert.Deshalb muß in jedemStromkreis mit einer Diodeauch ein Widerstand liegen,der den Strom begrenzt undentstehende Wärme mußabgeleitet werden.

Die Leitfähigkeit vonHalbleitern steigt mit derTemperatur. Die Effizienz vonLED sinkt.

Ebenso wird durch dasAnlegen einer zu großenSpannung in Sperrichtungeine Diode zerstört.

Vergleich desLichtstromes inAbhängigkeit vomelektrischen Strom einer5mm LED und einer

Spider LED. Beide

nutzen den gleichen LED-Chip-Typ (TS-AlInGaP).

Spannung

Wegen des hohen Dotierungsunterschieds an der Sperrschicht vertragen Leuchtdiodennur geringe Sperrspannung von ca. 5 V. Die Durchlaßspannung hängt direkt von derBandlücke 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 derProzeß der Lichtentstehung, der bei bestimmten(direkten) Halbleitern mit nahe 100% abläuft (interneQuanteneffizienz), von Bedeutung, sondern auch dieFrage der Auskopplung des Lichts von der tief imHalbleiter vergrabenen Sperrschicht in die Umgebung.Hierbei entstehen Verluste, die den Wirkungsgrad aufwenige Prozent herabsetzen.

AbsorptionDie Halbleiterschichtenmüssen möglichst dünn undtranparent sein, damit dasLicht aus dem Halbleiteraustreten kann. Durch dieVerwendung einestransparenten, wenn auchteureren Substrates werdenauch die nach untenemittierten Photonen nichtabsorbiert.

Reflexion beim LichtaustrittDie durch den großen Unterschiedim Brechungsindex zwischen Luftn=1 und Halbleiter n=3,5auftretende Totalreflexion ist einewichtige Ursache für denschlechten Wirkungsgrad der LED.Eine Verbesserung läßt sich z.B.durch eine Epoxydharzabdeckung(n=1,5) erzielen. Es ergibt sich einvergrößerter Winkel, unter demdas Licht aus dem Halbleiteraustreten kann.

Die Absorptions- und Reflexionsgrade bestimmen dieMenge der Strahlung, die das Lumineszenzdioden-Bauelement verlassen können. Der externeQuantenwirkungsgrad einer LED ergibt sich aus demVerhältnis der Photonen, die die LED verlasssen, zuraufgenommenen (elektrischen) Leistung. Der letztlich aufdas Auge wirkende Lichteindruck Helligkeit) hängt,bedingt durch die spektrale Augenempfindlichkeit, sehrstark von der Wellenlänge des Strahlers ab. So kanndurchaus eine grün leuchtende LED mit geringerStrahlungsleistung dem Auge heller erscheinen als eineviel stärker strahlende rote LED.

Der Leuchtwirkungsgrad ergibt sich durch Gewichtungder spektralen Emission mit der Augenempfindlichkeit V(), bezogen auf die gesamte abgestrahlte Leistung. Derhöchste theoretische Leuchtwirkungsgrad ergibt sich fürmonochromatisches Licht mit der Wellenlänge von555nm. Sein Wert ist hier 683 lm/W.

Geschichte der Steigerung der LED-Effizienz

Effizienz

Es ist zwischen dem(internen)Quantenwirkungsgrad, der das Verhältniszwischenaufgenommener(elektrischer) Leistung(in Watt [W]) undabgestrahlter Leistung(Strahlungsfluss, auch in[W]) bezeichnet (nichtjede Rekombinationfindet strahlend statt)und demLeuchtwirkungsgrad,der dem Verhältniszwischen Strahlungsflußund wahrgenommenenLicht (Lichtstrom inLumen [lm]) entspricht,zu unterscheiden.

Als Produkt der beidenWirkungsgrade und denWerten der Reflexion undAbsorption ergibt sichdas

Verhältnis deswahrgenommenenLichtes zuraufgenommenenEnergie (lm/W)

Don Klipstein's LEDMain Pagesehr aktuelle, nachFarben sortierteAuflistung dereffektivsten LED

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Alterung und Lebensdauer der LED

Beim Langzeitverhalten von Lumineszenz- undLaserdioden spielen die zeitlichen Veränderungen ihrerEmissionseigenschaften die entscheidende Rolle. Imallgemeinen nimmt die Intensität der Emissionsstrahlungeiner unter konstanten Bedingungen betriebenenLumineszenzdiode kontinuierlich ab. Dieses Verhalten wirdals Alterung oder Degradation bezeichnet und ist nochnicht restlos geklärt, hängt aber wohl mit der Wanderungbzw. Ausweitung von Störstellen im Kristall zusammen.Eine abrupte Abnahme der Emission, wie sie vonGlühlampen her bekannt ist, wird bei Halbleiterlichtquellennur bei der Laserdiode beobachtet, wenn infolge einerKettenreaktion der Schwellenstrom so hoch wird, daß es zueiner Zerstörung der Diode kommt.

Die Alterung von Lumineszenzdioden, die bei niedrigerStromdichte betrieben werden, verursacht beim Anwendergewöhnlich keine gravierenden Probleme. Bei standard LEDwerden Lebensdauern von mindestens 100000 Stunden(das entspricht 11½ Jahre ununterbrocheneLeuchtdauer) erreicht, die höchsten angegebenen Werteliegen weit darüber (bei 109h). Die Lebendauerhocheffektiver LED liegt oftmals niedriger, ca. bei 25000bis 50000 Stunden.

Die LED-Lampe gehört heute schon zu denwirtschaftlichen Leuchtmitteln, da Service-Einsätze undLampenaustausch nicht erforderlich sind.

Faktoren die das Altern der LED beschleunigenUm den Lichtstrom je LED zu erhöhen, kann derelektrische Strom erhöht werden. Da sich dann jedochauch die Temperatur in der LED erhöht, verkürzt sichderen Lebensdauer. Besondere Bauformen der LED undder Platinen führen die Wärme effektiv von dem Chip abund ermöglichen eine höhere Lichtausbeute ohne dieLebensdauer stark zu verringern.

Durch hohe oder stark schwankendeUmgebungstemperaturen wird die Lebensdauer verkürzt.Die mechanische und thermische Belastung gering zuhalten.

Das Anlegen einer zu großen Spannung (in Durchlaß- oderSperrichtung) zerstört die Diode. Ein Verpol- undÜberlastschutz kann dies verhindern.

Die eingesetzten Halbleiter (hauptsächlich InGaN undAlInGaP) haben unterschiedliche Lebensbedauern.

Die bei den meisten LED eingesetzten Kunststoffe derLinsen trüben sich mit der Zeit. Insbesondere die weißenund blauen LED lassen deswegen schneller in ihrerLeistung nach (UV-Lichtanteil). Auch auf diesem Gebietentwickelt sich die LED-Technologie weiter. Strom Temperatur

AlsBetriebslebens-dauer einerLumineszenz-diode wird dieZeitspannebezeichnet, nachder bei konstantgehaltenemDurchlaßstrom dieIntensität derEmission auf dieHälfte desAnfangswertesabgesunken ist.In vielenEinsatzbereichenbedeutet dieMinderung desLichtstromes umdie Hälfte, dassbestimmte Normennicht eingehaltenwerden. Das mußvon vornhereineinkalkuliertwerden oder dieangegebeneLebensdauer mussgeringer sein.

Die Angaben zurLebensdauer derLED sind alsokritisch zuhinterfragen.

Alterungsverhalten von InGaAlPund InGaN LEDNorbert Emeis,FachbereichElektrotechnik undInformatik, FH-Osnabrück

Einfluss der Umgebungstemperatur auf LED

LED zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit desLichtstroms von der Temperatur. DerTemperaturkoeffizient ist abhängig vom Material. DieStrahlungsleistung fällt bei den meisten LED bei einerTemperaturerhöhung um 100°C auf weniger als dieHälfte ab.

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

Temperaturstrahler verhalten sich genau umgekehrt.Dies ist ein Grund, warum bei der Entwicklung und demEinsatz von LED besonders auf den Wärmehaushaltgeachtet werden muß. Ein Wärmestau im LED-Lampenkörper muß vermieden werden.

Die Lichtfarbe ist je nach Halbleitertyp mehr oder wenigvon der Umgebungstemperatur abhängig. Zu hoheTemperaturen (z.B. beim Verlöten) können die Leistungder LED dauerhaft mindern oder die Lebensdauerherabsetzen.

Abhängigkeit desLichtstromes von derUmgebungs-temperaturfür AlInGaP LED. DieAbhängigkeit ist beiInGaP LED nicht sodeutlich.

Abhängigkeit derLichttemperatur von derTemperatur in derlichterzeugenden Schichtdes Halbleiters (Junction-Temperatur) bei weißenLED

LED Farben

Die LED dienen zur Erzeugungeiner schmalbandigen(monochromatischen) Strahlung imnahen UV, im sichtbaren oder imInfrarotbereich.

Der Farbton der LED wird alsdominante Wellenlänge definiert.InGaN-Dioden haben eine geringereFarbsättigung, sie sind nicht strengmonochromatisch.

Durch die Zugabe vonLeuchtstoffen auf den LED-Chipkönnen Mischfarben erzeugt werden.Dadurch sind weiße LED oder auchpastellfarbene LED möglich. DerenFarbton wird meistens durch die x-und y-Werte in der CIE-Normfarbtafeldefiniert. Manchmal wird aber auchdie (annähernde) Lichttemperaturangegeben.

Die Positon hocheffektiver LED in der CIE-Normfarbtafel. Es ist eine Lücke zwischen gelbund grün zu erkennen. Für diese LED Farbensind noch keine effektiven Halbleiter gefundenworden.

Hocheffektive LED im Spektrum von UV bis grünbasieren auf InGaN Verbindungen, von IR bisorange auf AlInGaP Verbindungen.

Weißlicht LED

Die letzten technischen Entwicklungen haben den Lichtstrom der LED stark optimiertund erst mit der Verfügbarkeit einer blauen LED mit hoher Lichtausbeute die Möglichkeitgeschaffen, auch weißes Licht herzustellen.

Um weiß leuchtende LED erzeugen zu können, gibt es zwei Möglichkeiten: Entwederfaßt man mehrere LED-Chips unterschiedlicher Farbe in einem gemeinsamen LED-Gehäuse zusammen und mischt so die verschiedenen Farbanteile zu weißem Licht oderman versieht die blau leuchtende LED mit einer internen Leuchtschicht, die ein Teil desblauen Lichtes in gelbes Licht umwandelt, um so alle Spektralanteile zu erzeugen, die für

weißes Licht erforderlich sind.

MultiLED weiße LED

Multi LED

LED leuchten nur in einem bestimmten, genauabgegrenzten Spektralbereich, sie sindmonochromatisch. Weißes Licht kann durch den Einsatzverschiedenfarbiger LED erzeugt werden. Die additiveFarbmischung von Rot, Grün und Blau (RGB) oder auchz.B. nur von Blau und Gelb kann neben allen anderenMischfarben auch weißes Licht erzeugen. In MultiLEDwerden drei verschiedene LED-Chips in einer LEDkombiniert.

Multi LED und Baugruppen farbiger LED bieten denVorteil, daß die Lichtfarbe durch gezielte Ansteuerunginnerhalb eines großen Farbraumes gewählt werdenkann. Die Lichtausbeute von Glühlampen (18 lm/W)wird mit dieser Methode schon übertroffen.

Für Beleuchtungszwecke werden RGB-Module(Kombination vieler LED) aufgrund der höherenEffektivität der farbigen LED und der möglichendynamischen Lichtfarbenänderung eingesetzt.

Die Farbwiedergabequalität der MultiLED bleibt derder weißen LEDs zurück, da dieses Weiß vonverschiedenen, im Spektrum sehr begrenzten LEDzusammengesetzt wird. Auch machen dieunterschiedlichen Helligkeiten und Betriebsbedingungender Leuchtdioden die Realisierung des weißen Lichtsansteuerungstechnisch diffizil und teuer.

Bauformen, die aus je einem roten, grünen und blauenLED-Chip in einem Gehäuse bestehen, werdenhauptsächlich für hochauflösendere LED-Video-Displayseingesetzt.

Die Probleme der Farbwidergabe und derunterschiedlichen Betriebsbedingungen könnentheoretisch umgangen werden, wenn farbigeLumineszenzkonversions-LED, die ein breiteresAbstrahlspektrum haben und alle auf einer LED mit einerbestimmten Betriebsbedingung basieren, kombiniertwerden. Diese Kombination der beiden Techniken ineiner LED wäre aber ziemlich teuer und uneffektiv.

Darstellung der RGB-Farbmischung in der CIE-Normfarbtafel

LED Farben in der CIE-Normfarbtafel

LED (-Chips) in denFarben Blau, Grün undRot können Weißergeben.

eine Multi LED

Intensitätsverteilungeneinzelner LED

weiße LED

Für die weiße Leuchtdiode werden blau oder auchUV emittierende LED mit Lumineszenzfarbstoffen(Photolumineszenz) kombiniert. Das kurzwellige unddamit energiereichere blaue Licht regt den Farbstoff zumLeuchten an. Dabei wird langwelligeres, energieärmeresgelbes Licht abgegeben. Da nicht das gesamte blaueLicht umgewandelt wird, ergibt die resultierendeadditive Mischung der Spektralfarben das weiße Licht.Der Farbton der Weißlichtdiode ist über Wahl undDosierung des Farbstoffes einstellbar, er bewegt sich inder CIE Normfarbtafel auf der Mischgeraden zwischenden beiden Farben.

Je nachdem, welcher Lumineszenzfarbstoff (oder auchKombinationen) und welche primäre LED-Farbeverwendet wird, können neben Weißlicht auch andereFarben erzeugt werden: So ergibt zum Beispiel dieadditive Farbmischung des LED-Blau mit einemPhotolumineszens-Rot ein Magenta, eine Farbe, diemittels einer konventionellen LED nicht herstellbar ist,da es sich um keine Spektralfarbe handelt. Es könnenmehrere verschiedene Lumineszenzfarbstoffe kombiniertwerden, prinzipiell ist jeder Farbort (pastellfarbene LED)und fein abgestufte Weißtöne (Lichtemperatur)erreichbar.

Nach diesem Prinzip aufgebaute LED werden alsLumineszenzkonversions-LED (Osram OS: „LUCO-LED“) oder „phosphor-converted“-LED (Lumileds: PC-LED) bezeichnet.

Nachdem die japanische Firma Nichia 1995 Weißlicht-LED entwickelt hat, werden sie dort seit 1997hergestellt. Mit Nichia zeitgleich hat das Fraunhofer-Institut IAF weiße LED und in enger Zusammenarbeitmit Osram OS (Infineon) den Fertigungsprozessentwickelt. Dorthin wurde das Know-How tranferiert undim Sommer 1998 die Produktion aufgenommen. Ebensohat Agilent (Lumileds) im Sommer 1998 dieMassenproduktion der weißen Leuchtdioden gestartet.General Electric (GELcore) und Toyoda Goseiproduzieren seit 1999. Inzwischen werden weiße LEDvon nahezu allen Herstellern angeboten.

Darstellung der blau-gelb-Farbmischung in der CIE-Normfarbtafel

Lichttemperatur in der CIE-Normfarbtafel

Mit einem TropfenLumineszenzfarbstoff wirdder in der Reflektorwanneliegenden Diodenchipbedeckt. Der weitereHerstellungsprozeßentspricht demkonventioneller LED.

Durch die Dosierung desLeuchtstoffs können diespektralen Anteile desblauen und des gelbenLichts eingestellt werden.So sind verschiedeneWeißtöne zu erreichen.

Weiße LED bietenaufgrund ihrer relativgroßen spektralenVerteilung eine guteFarbwiedergabe. Damitwird ein mit diesem Lichtbeleuchteter Körper vommenschlichen Augefarblich verhältnismäßigkorrekt gesehen.

IAF

Fraunhofer Institut fürangewandteFestkörperphysik(LUCOLED)

Citizen "pastelite"pastellfarbene LED

Vor- und Nachteile der LED

Wirtschaftliche Vorteile· hoher Wirkungsgradund damit geringerEnergieverbrauch· geringeWärmeentwicklung· Reduzierung derKlimatisierungskosten· nahezu unbegrenzteLebensdauer der Lampe· keine Wartungskosten· keine Reinigungskosten· geringereTransportkosten· geringereEntsorgungskosten· teilweise verfügbareProduktionstechnik

Design-Vorteile· kleine Bauform,miniaturisierte SMD-Ausführungen· passen inherkömmlichen Leuchten· neues,feinstrukturiertes Design· IndividuelleFormbarkeit desLeuchtmittels durchunterschiedlicheAnordnung der LED· Dimmen ist ohneÄnderung derLichttemperatur möglich· Lichtfarbe ist regelbar(bei Verwendungverschiedenfarbiger LED)· alle Lichtfarben möglich(LUCO-LED oderFarbkombination)· grosse Typenvielfalt

Umwelt-Vorteile· geringer Einsatz vonRessourcen· geringerer Energiebedarf imBetrieb· stört nicht dieInsektenorientierung

Technische Vorteile· stoß- und vibrationsfest(Fahrzeugtechnik)· kann nicht implodieren· plötzlicher Ausfall istunwahrscheinlich· präzise Lichtlenkung ohnezusätzlichen Reflektor durch LEDmit definiertem Abstrahlwinkel· gute Blendungsbegrenzung· brummfrei· keine UV Strahlung· keine IR Strahlung (Wärme)· Keine Lampenfassungenerforderlich· Sicherheit durchSchutzkleinspannung· praktisch trägheitslos schalt-oder modulierbar· guteFarbwiedergabeeigenschaftenbei RGB Mischung

WirtschaftlicheNachteile· die angestrebteEffizienz ist nochnicht erreicht· hohe Stückkosten· geringereLebensdauer beiHigh-Brightness-LED· große Zahl vonLED nötig, umLeuchtstärkekonventionellerLeuchtmittel zuerreichen·Entwicklungskostender Platinen

Umwelt Nachteile· hoherEnergiebedarf beider Fertigung?(Energiebilanz?)

TechnischeNachteile· Effizienz undLichtfarbe ist mehroder wenigtemperaturabhängig· Farbwiedergabeeiniger weißer LED(blaue LED + einLeuchtstoff) istnicht in allenAnwendungsfällenausreichend· Vorschaltgerätenotwendig

Zulieferer von Leuchtdioden, LED Betriebsgerätenund LED Modulen

Seit General Electric 1963 die ersten LED kommerziellverfügbar gemacht hat, haben vieleHalbleiterproduzenten in der Fertigung von LED einenMarkt erkannt. Durch die ständige Weiterentwicklungund Erforschung der LED wurde deren Effektivitätgesteigert und ihr Einsatzbereich vergrössert.

Neben den Produzenten der LED sind hier auchAnbieter der notwendigen Vorschaltgeräte undSteuerelektronik sowie Anbieter standardisierter LED-Module zu finden.

Den Markt für High-Brightness-LED teilen sich diegroßen etablierten Zulieferer und kleinere, aufstrebendeFirmen. Im Bereich der auf Indium Gallium Nitrit(InGaN) basierenden LED in UV, blau, grün und weißsind Nichia, Toyoda Gosei, Cree, Lumileds und OsramOS führend. Bei den auf Aluminium Indium GalliumPhosphit (AlInGaP) basierenden gelben, orangen undroten LED sind es Agilent und Lumileds, Osram OS,Toshiba und die taiwanesischen Chip-Lieferanten UECund Epistar. Weitere marktführende Firmen sind Stanley Electric,Vishay Telefunken, Matsushita Electric, Sharp undCitizen Electronics. Aufstrebende Firmen wie AXT undUniroyal Optoelectronics sowie einige taiwanesischeStartups beleben den Wettbewerb.

LED-Chip-Produzenten

Die LED-Halbleiterchips der verschiedenenProduzenten unterscheiden sich in ihrenHerstellungsverfahren und damit in IhrerEffektivität und Farbe. Die Herstellunghocheffektiver LED erfordert spezielleHerstellungsverfahren und viel Know-how.

Einige Firmen haben sich auf Fertigung derHalbleiterchips spezialisiert, mit denenverschiedenen LED Produzenten beliefertwerden, andere stellen eigene Chips nur inbestimmten Farben (Technologien) her undbeziehen die übrigen LED-Chips von anderenHerstellern. Insgesamt findet ein regerAustausch unter den Produzenten statt, so dasseigentlich alle LED mit hoher Effektivitätanbieten können.

Diese LED können sich in ihrer Bauform undAbstrahlcharakteristik unterscheiden.

LED Produzenten

Es gibt viele Hersteller von LED mitdurchschnittlicher Strahlungsleistung undstandardisierte Bauform (3 und 5mm LED, SMD-LED). Haupsächlich finden diese LED ihrenEinsatz in Bereichen in denen schon länger LEDeingesetzt werden, wie zum Beispiel alsIndikatorlampen, für Displayhinterleuchtung,Punktmatrixanzeigen, und Videoscreens, inSignalanlagen, in der Optoelektronik usw.

Agilent- Technologies

Citizen Cotco Cree EBT EOI Everlight Fairchild GE Harvatek Kingbright

Kingbright Electronic EuropeMax-Planck Strasse 5D-47608 Geldern+49 2831 - 97 62 00

sales@de.kingbright.com

Lite-OnLite-On (Europe) LTD.Blegistrasse 11BCH-6340 Baar-Walterswil+41 41761 - 38 44

Lite-On (Germany) GmbHRingstrasse 35D-24114 Kiel+49 431 - 67049 0

info@liteon-gmbh.de

Lumex Oriol Rohm Sanyo Seoul Sharp Sloan Stanley Toshiba

Toshiba Semiconductor GmbHGrotrian-Steinweg-Str. 10D 38112 Braunschweig+49 531 - 3199 0

Toyada Gosei Uniroyal Vishay-Telefunken

Hochleistungs LED

Für den Einsatz für Beleuchtungszwecke sind spezielle LED-Bauformen entwickelt worden. Neben einer hohen Effektivität kommtes darauf an, möglichst viel Licht aus einer LED zu bekommen.

Durch überduchschnittlich große LED-Chips, mehrere Chips ineinem Gehäuse und dem Betrieb mit höheren Strömen wird einhöherer Lichtstrom je LED erreicht (nicht mit der Effektivität zuverwechseln..). Um nicht die Lebensdauer der LED zu verschlechtern,muß bei diesen LED besonders darauf geachtet werden, daß dieentstehende Wärme gut abgeleitet wird.

Nichia Lumile

ds NorLux Osram

OS

LED-Arrays

Als LED-Arrays werden hier Module mit mehreren LED bezeichnet,aus denen LED-Displays aufgebaut werden.

EBT Lite

On Roh

m Shar

p

LED Module

Von verschiedenen Herstellern angebotene LED-Module,d.h. standardisierte oder kundenspezifisch entwickelte mitLED bestückte Platinen, werden von Leuchtenherstellerneingesetzt. Die „standardisierten Platinen“ ersparen denAnwendern die notwendige Entwicklungskosten.

Verschiedene Abmessungen, Bestückungen undBeschaltung der Platinen ermöglichen es, Gehäuseformenrelativ frei zu gestalten und die LED-Leuchten denjeweiligen Anforderungen entsprechend zu bestücken. Eswerden streifenförmige, runde (als Ersatz fürNiedervolthalogenstrahler hauptsächlich beiOrientierungsleuchten eingesetzt) und andere Formenangeboten.

Lumileds bietet seine LED auf vorkonfektioniertenPlatinen unter dem Produktnamen Luxeon an. Hier sind dielichtstärksten Module zu finden.

Insta hat unter anderem eine Platine aus wabenförmigenElementen entwickelt. Aus dieser Platine können einzelneWabengruppen ausgebrochen werden, so ist die Formwahlwenig eingeschränkt. Daneben gibt es von Insta die„LightPoint Module“, bei denen die einzelnen LED langeZuleitungen (ca. 1m) haben, sie ermöglichen den freienEinsatz der LED für zum BeispielSternenhimmelapplikationen.

CJ-Light esw Insta Lagoled Lumileds Tridonic-Atco Osal Osram OS Vossloh-

Wustlich

Glas PlatzHat das „Powerglass“entwickelt, ein Glasdem leitende,unsichtbare Flächenaufgedampft sind.

SMD-LED können

auf das Glas geklebtwerden underscheinen so alsleuchtende Punkteauf der Glasfläche.Ingo Maurer hat daseffektvoll für dieLeuchte Stardusteingesetzt.

Sehr einfach können konventionelle Leuchtmittel durchgesockelte LED Module ersetzt werden. Gesockelte LEDkombinieren LED, die nötige Elektronik und einenstandardisierten Lampensockel (z.B. E27) zu einer „LED-Lampe“. So kann die LED-Technologie in schon vorhandenenLeuchtengehäusen eingesetzt werden, ohne Modifikationenan diesen Gehäusen vornehmen zu müssen. Längerfristigstellt dies (vergleichbar mit den „Energiesparlampen“) eineMöglichkeit zum marktdurchdringenden Einsatz der LED dar.

Zur Zeit ist aber durch den hohen Preis und durch dieeingeschränkte Anzahl der in einer „LED-Lampe“sockelbaren LED (Lichtstrom) der Bereich, in dem solcheLösungen sinnvoll genutzt werden können, eingeschränkt.Hauptsächlich farbige Indikator- und Signalllampen werdendurch die gesockelten LED ersetzt, da sie eine wesentlichlängere Lebensdauer haben, weniger Energie verbrauchenund weniger Wärme entwickeln als herkömmlicheGlühlämpchen.

Boca Flasher EBT LEDtronics Signal-

Construct Vossloh-

Wustlich

Der Einsatz LED invorhandenenLeuchtengehäusenlässt einigespezifischeVorteile, wie z.B.die geringeBautiefe und diedurch die Bauformder LED möglicheEntblendung,ungenutzt.

Chip on Board (COB) Technologie

Bei COB werden einzelne LED-Chips direkt auf eine Leiterplattegebracht. Die Chipanschlüsse und die Leiterplatte werden mit einemGolddraht (bondwire) verbunden. Der Chip wird von einem TropfenEpoxidharz abgedeckt und geschützt. Eine gerichtete Lichtabgabe wiebei einzelnen LED kann mit aufgesetzten Linsen erreicht werden. DieForm und Bestückung der Platine kann frei gewählt werden.Allerdings rechnen sich individuelle Layouts nur bei sehr hohenStückzahlen, deshalb werden LED-Module mit COB-Technologierealisiert, die in vielen Bereichen eingesetzt werden können.

Vorteile der COB-TechnologieDurch spezielle Leiterplattenmaterialien (Alu) können bessereWärmeleiteigenschaften erreicht werden. Daraus resultiert einelängere Lebensdauer und eine höhere Lichtausbeute.

LED können dicht gepackt werden, es wird mehr Licht aus einerkleineren Fläche abgestrahlt.

COB bietet sich für RGB-Applikationen an.

sehr flache Bauform

NorLux Tridoni

c-Atco Vosslo

h-Wustlic

Joint-Ventures

Die sich durch die große Effektivitätssteigerung ergebendeMöglichkeit LED für Beleuchtungszwecke einzusetzen, hat zu Joint-Ventures von Halbleiterproduzenten und Produzenten „klassischer“Lampen geführt. So erschliessen die Halbleiterproduzenten sich einenneuen Markt und die Lampenproduzenten können die Technik derZukunft anbieten.

Um mit der LED konventionelle Leuchtmittel zu ersetzen, betreibendie in die Joint-Ventures eingebundenen Produzenten optischerHalbleiter intensive Forschung.

GELcore LLC

Lumileds

OsramOS

NorLux

LED Steuerelektronik und Betriebsgeräte

Um optimale Lichtausbeute und Lebensdauer der LED zugewährleisten, müssen die LED mit genau definierten Strömen undSpannungen betrieben werden.

Wenn nicht andere Stromquellen genutzt werden, wird dieNetzspannung durch Vorschaltgeräte transformiert undgleichgerichtet. Weiterhin wird oft eine Steuerelektronik zumRegeln der Helligkeit oder Ansteuern der gewünschten Lichtfarbebenötigt. Von verschiedenen Herstellern werden nebenkundenspezifischen Lösungen auch standardisierte Vorschalt-und Steuergeräte angeboten. Diese Geräte sind für den Betriebvon LED-Modulen der gleichen Hersteller ausgelegt oder machengenaue Vorgaben bezüglich LED Anzahl und Art. Sie ermöglichenden problemlosen Betrieb der LED unter Netzspannung, Dimmen,RGB-Farbwechsel (additive Farbmischung) oderFunkfernsteuerung usw.

CJ-LightDiana

Electronic esw Insta Lagoled LumiDriv

es May &

Christe Osram

OS Tridonic-

Atco VLM Vossloh-

Wustlich Philips

„Xitanium“

Projektbezogene Lösungen

Die Elektronik muss unter anderem abhängig von demEinsatzzweck, der Stromquelle, den eingesetzten LED und derenAnzahl entwickelt werden. In manchen Projekten ist es vorteilhaft,eine den speziellen Anforderungen entsprechende Elektronik zuentwickeln.

+ Kosten- und Platzersparnis durchreduzierte, auf den Anwendungszweckabgestimmte Bauteilzahl+ feste Programmierung von Farbwechseln+ Abstimmung auf LED Anzahl und Art+ Erfüllen spezielle AnforderungenAbhängig von der Auftragssumme sind alle Hersteller vonBetriebsgeräten bereit angepasste Lösungen zu entwickeln. EinigeFirmen haben sich spezialisiert und produzieren Leuchten auch inKleinserie.

LED Zubehör

Einige Firmen haben sich auf die Produktion von allerlei Zubehör rund um die LEDspezialisiert. Das Spektrum reicht von Steckverbindungen, Optiken und LED-Haltern bishin zu speziellen Messgeräten.

Es sind auch Produkte aufgeführt, die nicht nur für den Einsatz in Verbindung mit LEDgedacht sind, sich aber dafür anbieten.

LED Optiken, Linsen, Reflektoren

carclotecnicalplasticsCamplaan20aNL 2103 GWHeemstede

KarlJungbeckerGmbH &CoBruchstraße89D 57462Olpe

LenstechLtdHeatherCloseLyme GreenBusinessParkMacclesfieldSK11 OLRUK

verschiedenes Zubehör für LED

3M

dichromatischeFilterfolien, Spiegelfolien,Prismenfolie OLF (OpticalLight Film)

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