Spektrale Charakteristik

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb ist der Einsatz in Signalanlagen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern, besonders effizient.

Es konnten immer noch nicht alle Farben des sichtbaren Spektrums gefertigt werden. So scheiterte der Einsatz grüner LEDs lange nicht nur an deren geringer Effizienz, sondern auch daran, dass die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht verfügbar war.

Das Licht weißer LEDs wird durch vor blauen LEDs montierte Leuchtstoffe erzielt. Sie besitzen neben dem breiten Spektralbereich des Leuchtstoffes daher einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.

Elektrische Eigenschaften

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe unten), die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung stellt sich durch Betrieb an Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuungen und ist temperaturabhängig - sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle oder einen Vorwiderstand ist daher zwingend. Direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist nicht möglich, da der Arbeitspunkt nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterie-Leuchten betreiben LEDs direkt an Primärzellen - hier verlässt man sich auf einen ausreichend hohen Innenwiderstand der beigelegten (meist billigen) Batterien.

Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung Vf (für englisch forward voltage) hängt von der Lichfarbe ab und liegt zwischen 1,3 V (Infrarot-LED) und etwa 4 V (InGaN-LED, grün, blau, weiß, Ultraviolett).

Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel nur 5 Volt.

LEDs lassen sich über den Betriebsstrom sehr schnell schalten und modulieren. Die hohe Modulationsgeschwindigkeit der LEDs ist beispielsweise beim Einsatz in der Optoelektronik (Optokoppler, Datenübertragung über Plaste-Lichtleitkabel oder freies Infrarot) wichtig. Die Modulationsfrequenz beträgt bis zu 100 MHz.

Richtungsabhängigkeit der Strahlungsleistung

Leuchtdioden werden meist mit Plastik beziehungsweise Kunstharz verkappt. Aber auch Glas- oder Metallgehäuse werden bei lichtstarken LEDs verwendet. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, übernehmen hauptsächlich die Aufgabe der Wärmeableitung, dienen also der Kühlung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall, setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt somit die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren Raumwinkel. Da Glas in der Regel eine höhere Brechzahl als Plastik und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlungsleistung der LED noch stärker gebündelt werden. Das nicht entspiegelte Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa 10 %, auch weil es den Kristall nicht direkt berührt.

Ein wichtiger Parameter einer LED ist der Öffnungswinkel.

Durch den begrenzten Öffnungswinkel bestrahlt eine LED anders als eine Glühlampe nur eine Teilfläche (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel mit der Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen mit Leuchtdioden sind daher mehrere Leuchtdioden notwendig. Um zu ermitteln, wie viele Leuchtdioden benötigt werden, kann folgende Gleichung genutzt werden

Beispiel: Um eine starke 360°-Lampe mit einer Farbtemperatur von ungefähr 5000 K mit Leuchtdioden (Parameter: 55° Öffnungswinkel, 3,15 W Leistungsaufnahme und 160 lm) zu realisieren, sind 18 Leuchtdioden notwendig (eine LED mit 55° Öffnungswinkel beleuchtet ungefähr ein Achtzehntel einer Kugel). Bei entsprechender Anordnung der LEDs (beispielsweise an einer Drahtgitterkugel) erhält man so einen Leuchtkörper mit 2880 Lumen, der eine Leistungsaufnahme von 54 Watt besitzt. Dieser Lichtstrom ist vergleichbar mit dem einer 300-Watt-Glühlampe.

Alterung

Als Lebensdauer einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute auf die Hälfte des Anfangswertes abgesunken ist. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Sie sind unempfindlich gegen Erschütterungen und haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Lebensdauer hängt vom jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen tausend Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu über 100.000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs. Hohe Temperaturen (gewöhnlich durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer von LEDs drastisch. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei 15.000 bis 30.000 Stunden liegt.

Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung von Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche nehmen nicht mehr an der Lichterzeugung teil. Es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus Silikongummi gefertigt, wodurch eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erzielt wird, was etwa 11,5 Jahren Dauerbetrieb entspricht.

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