So funktionieren LED Lampen

LEDs sind mittlerweile in nahezu allen Bereichen der Beleuchtung angekommen und herkömmliche Leuchtmittel werden nach und nach durch die moderne Leuchtdioden Technik ersetzt. Dank der hohen Energieeffizienz und der zahlreichen weiteren Vorteile stellen LEDs bei den Beleuchtungssystemen in der Regel die erste Wahl dar. Doch wie genau funktioniert eine LED Lampe überhaupt? Eine Antwort darauf liefert der folgende Artikel, in dem ein Blick auf den Aufbau von LEDs und deren exakte Funktionsweise geworfen wird.

 

Der Aufbau einer LED

Bei LEDs (Light Emitting Diodes) handelt es sich um licht-emittierende Halbleiter-Bauelemente. Fliest ein Strom in eine bestimmte Richtung durch den Festkörper, dann emittiert dieser ein Licht, er beginnt also zu leuchten. Der Prozess wird in der Lichttechnik als Elektrolumineszenz bezeichnet. Damit dies funktioniert, müssen die Komponenten einer LED folgendermaßen angeordnet sein:

Die LED verfügt über eine Anode, die positiv geladene Elektrode (Pluspol), sowie eine Kathode, die negativ geladene Elektrode (Minuspol). Damit ein Strom zwischen beiden Elektroden fließen kann und es zur Elektrolumineszenz kommt, sind sie mit einem Golddraht, auch Bonddraht genannt, miteinander verbunden. Auf der Kathode ist der zur Lichterzeugung benötigte LED Chip angebracht, der sich üblicherweise in einer Reflektorwanne befindet. Diese hat die Aufgabe, die Lichtausbeute und somit den Wirkungsgrad zu erhöhen. Alle Komponenten sind in einer Kunststofflinse verbaut, die zum einen die empfindliche Technik schützt und zum anderen für eine optimale Verteilung des erzeugten Lichts im Raum sorgt.

Unterschiedliche LED Bauarten

Bei modernen LEDs kommen überwiegend zwei unterschiedliche Bauarten zum Einsatz: SMD LEDs und COB LEDs. Die Abkürzung SMD steht für surface mounted device und bezeichnet LEDs, bei denen der LED Chip zusammen mit einem kleinen Gehäuse, das als Kühlkörper fungiert, auf einer Leiterplatte befestigt wird. Über den Bonddraht ist der Chip mit dem Gehäuse verbunden. Durch die gute Kühlung sind LEDs mit hoher Effizienz und Lichtstärke möglich. Die Abkürzung COB steht für chip on board und bezeichnet LEDs, bei denen der LED Chip direkt auf der Leiterplatte befestigt wird. Über den Bonddraht ist der Chip direkt mit der Platine verbunden. Durch die äußerst kompakte Bauweise lassen sich somit LEDs in zahlreichen unterschiedlichen Designs herstellen.

Wie funktioniert die Lichterzeugung im LED Chip?

Das Herzstück einer jeden Leuchtdiode ist der LED Chip, der für die Elektrolumineszenz zuständig ist. Der LED Chip selbst ist ein Halbleiterkristall, der aus mehreren Schichten besteht. Die äußerste Schicht ist die Konversionsschicht, die den Leuchtstoff zur Erzeugung von weißem Licht enthält. Darunter befinden sich zwei Schichten von unterschiedlich dotiertem Halbleitermaterial. In der einen Schicht befindet sich ein Überschuss an positiv geladenen Elektronen und in der anderen Schicht ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen. Wird nun an die Anode und Kathode der LED eine Spannung angelegt, dann kommt es zum Elektronenfluss zwischen beiden Schichten und Energie in Form von Licht und Wärme wird freigesetzt. Durch eine bestimmte Dotierung des Halbleitermaterials lässt sich gezielt Licht in bestimmten Lichtfarben und in verschiedenen Farbtemperaturen erzeugen.

 

Wie funktionieren LED Lampen als Ganzes?

Damit eine LED Lampe das gewünschte Licht erzeugt, müssen alle Komponenten zusammenarbeiten. Neben der LED (Leuchtdiode) selbst werden dazu ein LED Treiber sowie ein Netzteil und optische Bauteile benötigt. Es gibt LED Lampen, die für die übliche 230 Volt Netzspannung konzipiert sind und ein integriertes Netzteil besitzen, das die Netzspannung in eine Niederspannung umwandelt. Des Weiteren gibt es LED Niedervoltlampen mit 12 oder 24 Volt, die kein eingebautes Netzteil besitzen und daher an einen LED Trafo angeschlossen werden. Damit LEDs einen hohen Wirkungsgrad und eine konstante Helligkeit erreichen, müssen sie an einer Konstantstromquelle, die als LED Treiber bezeichnet wird, betrieben werden. Dabei kann es sich um einen einfachen Widerstand in der Schaltung handeln oder es kommt ein spezielles im Netzteil integriertes LED Vorschaltgerät zum Einsatz. Da LEDs nicht direkt weißes Licht abstrahlen können, muss dieses entweder durch die Mischung von LEDs mit den Farben rot, grün und blau oder durch blaue LED-Chips in Kombination mit einer gelblichen Phosphorschicht erzeugt werden. Um die gewünschte Lichtverteilung im Raum zu erreichen kommen zudem weitere optische Elemente wie Streulinsen oder Diffusionsscheiben zum Einsatz. Durch die geschickte Kombination sämtlicher Bauteile und der individuellen Anordnung von Leuchtdioden lassen sich Lampen in allen möglichen Bauformen herstellen.