LED-Lampen

Vom roten Kontrolllämpchen hin zu raffinierter Beleuchtungstechnik haben Licht emittierende Dioden innerhalb einer kurzen Zeitspanne eine rasante Entwicklung und Verbreitung erfahren. Die kleinen, punktförmigen LED-Chips sind mittlerweile in den unterschiedlichsten Formen und Farben erhältlich. Aufgrund vieler Vorteile, zu denen insbesondere die erzielbare hohe Lichtausbeute mit geringem Energieeinsatz zählt, erobern Leuchtdioden alle Bereiche der Beleuchtungstechnik. In der Folge werden die bisherigen Lichtquellen immer mehr ersetzt oder dürfen wegen des Glühlampenverbots der Europäischen Kommission gar nicht mehr in den Handel gebracht werden.

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Das Licht entsteht bei LEDs durch Elektrolumineszenz aus anorganischen Halbleiterkristallen. Diese werden beim Anlegen einer elektrischen Spannung dazu angeregt, elektromagnetische Strahlung, z.B. in Form von Licht, zu emittieren. Elektrisch gesehen ist eine LED ein pn-Übergang, d.h. eine Diode, die in Durchlassrichtung betrieben wird. Beim Elektronenübergang entsteht sichtbares Licht im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm. Die Lichtfarbe hängt von der Dotierung des pn-Übergangs mit anderen Elementen ab.

Ein LED-Chip hat meist eine Grundfläche von weniger als 2 x 2 mm und ist in eine Vertiefung auf einer metallenen Trägerplatte gelötet, die gleichzeitig die Kathode bildet. Ein dünner Anschlussdraht (häufig aus Gold) an der Oberfläche des Kristalls stellt den Anodenanschluss her. Die Trägerplatte dient auch zur Ableitung der entstehenden Verlustwärme auf einen Kühlkörper. Eine abdeckende Linse bündelt das austretende Licht.

Entwicklung der LED-Beleuchtungstechnik
Die schnelle technische Progression ist bemerkenswert. Nach Erfindung der ersten roten Leuchtdiode in den 1960er-Jahren hat sie zunächst als Kontrolllämpchen in elektrischen Geräten sowie im Armaturenbrett bzw. für die Displaybeleuchtung geglimmt. Mit der anschließenden systematischen Erforschung unter Verwendung verbesserter Halbleitermaterialien kamen Produkte mit immer höherer Leistung und Effizienz auf den Markt, bald auch in den Farben Grün, Orange und Gelb. Am schwierigsten sind weiße LEDs herzustellen. Seit Mitte der 1990er-Jahre gibt es die Möglichkeit, mehrere monochromtische Chips der Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) im richtigen Verhältnis zu mischen oder mit blauen LEDs Leuchtstoffe mit gelbgrünem Spektralbereich anzuregen. In beiden Fällen entsteht Weiß. Mit dem Hinzukommen warmweißer Leuchtdioden und dem Anstieg der Lichtausbeute erhöht sich auch die Verbreitung der LEDs als Allgemeinbeleuchtung rasant. Die Lichtausbeute wurde in den letzten Jahren erheblich gesteigert: Betrug sie im Jahre 2005 noch etwa 40 lm/W, erreichen seriengefertigte LEDs mittlerweile über 100 lm/W. Unter Laborbedingungen sind schon 2014 Werte über 250 lm/W erzielt worden.

Einsatz von LEDs
Die kleinen LED-Chips können in den verschiedensten Formen und Farben zu flächigen Modulen oder zu Bändern zusammengesetzt werden. Sie ermöglichen die Herstellung von Lampen, Leuchten, Anzeigetafeln und bewegten Screens in Innen- und Außenräumen, die vorher nicht denkbar waren. Große Lichtquellenhersteller haben Produkte auf den Markt gebracht, die im unmittelbaren Austausch mit den Glühlampen in die vorhandenen E27- oder E14-Fassungen eingeschraubt werden können. So kann z.B. eine dimmbare 12-Watt-LED-Lampe in Glühlampenform mit über 800 Lumen und warmweißem Licht eine 60-Watt-Glühlampe ersetzen. Bei den sogenannten Retrofit-LED-Lampen gibt es Bauformen, die von einer herkömmlichen Allgebrauchsglühlampe kaum noch zu unterscheiden sind, weil die früheren Wendeldrähte der Glühlampen durch Mikro-LED-Ketten nachgebildet wurden.

Vor- und Nachteile
LEDs überzeugen durch ihren sehr niedrigen Energieverbrauch: Sie benötigen rund 80 Prozent weniger Strom als herkömmliche Gebrauchsglühlampen. Ihre Energieeffizienz und lange Lebensdauer führen zu einer hohen Kosteneffizienz, sodass sich Neuanlagen trotz höherer Anschaffungskosten nach kurzer Zeit amortisieren. Je nach Typ und Betriebsbedingungen geben Hersteller Werte von 25.000 bis 50.000 Stunden als Lebensdauer an. Das heißt, dass die Lampen nach 50.000 Betriebsstunden noch mindestens 70 Prozent Restlichtstrom abgeben. Damit haben sie eine durchschnittlich 50-fach höhere Lebensdauer als Glühlampen (ca. 1.000 Stunden).

Sofort nach dem Einschalten liefern LEDs Licht. Häufiges Ein- und Ausschalten verkürzt die Lebensdauer nicht. Mit entsprechender Elektronik kann das Licht stufenlos farblich verändert und gedimmt werden. Damit lassen sie sich relativ einfach für Beleuchtungskonzepte wie dem Human Centric Lighting (HCL) nutzen. Zudem geben sie fast keine UV- oder IR-Strahlung ab und können deshalb auch zum Beleuchten empfindlicher Objekte eingesetzt werden. Die kleine Bauform und die Unempfindlichkeit gegenüber Erschütterungen und Vibrationen erlauben nicht nur vielfältige, sondern auch neuartige Leuchtenanordnungen wie beispielsweise in Textilien.

Bei LEDs minderer Herstellungsqualität ist die Farbwiedergabe schlecht und unnatürlich. Das Licht wirkt aufgrund des eingeschränkten Frequenzspektrums kalt und ungemütlich. Doch die unangenehme Lichtwirkung ist längst nicht der größte Nachteil der LEDs. Der besteht in der Belastung für die Umwelt und beginnt mit der schadstoffintensiven Produktion, für die u.a. seltene Erden gebraucht werden. Auch für eine zukünftige Entsorgung der ausgemusterten LED-Leuchten bzw. eine Rückführung in den Rohstoffkreislauf müssen noch weitreichende, ökologisch verträgliche Lösungen gefunden werden.

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