LED-Lampen

Vom roten Kontrolllämpchen hin zu raffinierter Beleuchtungstechnik haben Licht emittierende Dioden (LEDs) innerhalb einer kurzen Zeitspanne eine rasante Entwicklung und Verbreitung erfahren. Die kleinen, punktförmigen LED-Chips sind in den unterschiedlichsten Formen und Farben erhältlich. Aufgrund ihrer Vorteile, zu denen insbesondere die hohe erzielbare Lichtausbeute bei geringem Energieeinsatz zählt, ersetzen Leuchtdioden herkömmliche Lampenarten in sämtlichen Bereichen der Beleuchtungstechnik. Nicht zuletzt förderte die im Dezember 2019 veröffentlichte Ökodesign-Verordnung (EU) 2019/2020 der Europäischen Kommission – auch Single Lighting Regulation (SLR) genannt – diese Entwicklung. Demnach dürfen Leuchtmittel und Leuchten, die die Mindest-Effizienzgrenzwerte nicht erreichen, nicht mehr in den Handel gebracht werden.

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Aufbau und Funktionsweise: Elektrolumineszenz

LEDs bestehen aus einem Chip aus halbleitendem Material, üblicherweise Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaP) oder Galliumnitrid (GaN). Die Halbleiterkristalle dieser Materialien werden beim Anlegen einer elektrischen Spannung dazu angeregt, elektromagnetische Strahlung in Form von Licht zu emittieren. Elektrisch gesehen ist eine LED ein pn-Übergang, d.h. eine Diode, die in Durchlassrichtung betrieben wird.

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Der Prozess innerhalb von Leuchtdioden wird als Elektrolumineszenz bezeichnet. LEDs bestehen aus zwei Schichten: einer p-Typ-Schicht, die positiv geladene Elektronenlöcher (Abwesenheit von Elektronen) enthält und einer n-Typ-Schicht, die überschüssige Elektronen enthält. Fließt Strom durch die LED, bewegen sich die Elektronen von der n-Schicht zur p-Schicht. Im pn-Übergang, der Grenzzone zwischen den Schichten (auch aktive Schicht genannt), treffen die freien Elektronen auf die Elektronenlöcher; bei diesem Zusammentreffen, Rekombination genannt, fallen die Elektronen von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand. Die überschüssige Energie, die durch diesen Energiefall freigesetzt wird, wird in Form von Photonen, also Lichtstrahlen, abgegeben.

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.

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Entwicklung der LED

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 monochromatische 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 Lumen pro Watt (lm/W), erreichen die effizientesten LEDs mittlerweile Leuchtstärken von 100 bis 200 lm/W. Unter Laborbedingungen haben spezialisierte LED-Systeme sogar Effizienzen von 300 lm/W erreicht.

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Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

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 Gebrauchsglühlampe kaum zu unterscheiden sind, weil die früheren Wendeldrähte der Glühlampen durch Mikro-LED-Ketten nachgebildet wurden.

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LEDs und herkömmliche Technologien im Vergleich

LEDs überzeugen durch ihren sehr niedrigen Energieverbrauch: Typischerweise benötigen sie etwa 75 bis 80% weniger Strom als Glühlampen, um die gleiche Menge an Licht zu erzeugen. 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 Betriebsstunden).

Mit entsprechender Elektronik kann das Licht stufenlos farblich verändert und gedimmt werden. Damit eignen sie sich auch für Beleuchtungskonzepte wie dem Human Centric Lighting (HCL). Zudem geben sie fast keine UV- oder IR-Strahlung ab und können auch zum Beleuchten empfindlicher Objekte eingesetzt werden. Die kleine Bauform und die Unempfindlichkeit gegenüber Erschütterungen und Vibrationen erlauben vielfältige und neuartige Einsatzbereiche.

Verglichen mit älteren Beleuchtungstechnologien gelten LEDs allgemein als umweltfreundlichere Option. Dennoch ist zu beachten, dass vor allem Herstellung und Entsorgung potenziell Probleme bergen: Die Produktion erfordert seltene Materialien wie Gallium und Indium sowie einen hohen Energieaufwand. Außerdem enthalten LEDs geringe Mengen an Schwermetallen, die bei nicht-ordnungsgemäßer Entsorgung umwelt- und gesundheitsgefährdend sein können. Daher sollten nachhaltige Herstellungs- und Recyclingpraktiken gefördert werden.

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