LED Funktionsweise: So funktioniert die Leuchtdiode

LEDs sind aus unserem Alltag kaum mehr wegzudenken. Ob in Smartphones, Klingeltastern, Autoscheinwerfern oder Bildschirmen – die kleinen, leuchtstarken Dioden haben sich in zahlreichen Anwendungen bewährt. Doch wie funktionieren LEDs eigentlich? Was steckt hinter den kleinen Leuchtdioden, die sowohl effizient in der Lichterzeugung als auch langlebig sind? In diesem Artikel werfen wir einen Blick hinter die Kulissen der LED-Technologie, erklären die Funktionsweise einer LED und zeigen, warum LEDs so beliebt geworden sind.

Was ist eine LED?

Eine LED, kurz für „Light-Emitting Diode“, ist ein elektronisches Bauelement, das Licht erzeugt, wenn elektrischer Strom durch sie fließt. Anders als herkömmliche Glühbirnen, die Licht durch das Erhitzen eines Drahtes erzeugen, nutzt die Leuchtdiode einen Halbleiter, um Licht zu emittieren. Dieser Halbleiter wird in einer speziellen Weise dotiert – das bedeutet, er wird gezielt mit bestimmten Materialien angereichert, sodass er bei Stromzufuhr leuchten kann. Das Besondere an der LED Funktionsweise ist ihre Effizienz: LEDs verbrauchen wenig Energie, entwickeln kaum Wärme und haben eine extrem lange Lebensdauer. Dies macht sie zu einer umweltfreundlichen und kostensparenden Alternative in vielen Bereichen der Beleuchtungstechnik.

LED Funktionsweise: So sind LEDs aufgebaut

Um zu verstehen, wie eine LED funktioniert, lohnt es sich, einen Blick auf den Aufbau einer LED zu werfen. Eine LED umfasst mehrere sorgfältig angeordnete Bauteile, die zusammen den Prozess der Elektrolumineszenz ermöglichen – das Aussenden von Licht durch den Halbleiter. LEDs bestehen aus zwei Hauptpolen: der Anode (Pluspol) und der Kathode (Minuspol). Diese Pole sind über einen dünnen Golddraht, auch Bonddraht genannt, verbunden, der den Stromfluss sowie Elektronenfluss zum LED-Chip ermöglicht.

Im Zentrum der LED befindet sich der Halbleiterkristall oder LED-Chip, der das Licht erzeugt. Dieser Chip ist in eine Reflektorwanne eingebettet, die dafür sorgt, dass das emittierte Licht verstärkt und nach oben gelenkt wird, was die Lichtausbeute und den Wirkungsgrad erhöht. Der LED-Chip leuchtet, sobald Strom von der Anode über den Golddraht zum Chip fließt und dann durch die Kathode wieder austritt.

Der gesamte Aufbau ist von einer Kunststofflinse umschlossen. Diese Linse schützt die empfindlichen Teile und hilft als optisches Bauteil gleichzeitig, das Licht gleichmäßig zu verteilen. Je nach Form und Gestaltung der Linse – ob oval, gewölbt oder abgeflacht – können Lichtausbeute und Strahlungswinkel der LED beeinflusst werden.

Einfach erklärt: Die Funktionsweise einer LED

Eine LED (Licht emittierende Diode) wandelt Elektrizität direkt in Licht um – ein Prozess, der als Elektrolumineszenz bezeichnet wird. Der Aufbau und die Funktionsweise einer LED sind auf diesen Mechanismus ausgerichtet, der LEDs besonders energieeffizient und langlebig macht.

Hier ist die LED Funktionsweise im Detail:

1. Stromfluss/Elektronenfluss durch den Halbleiterkristall: Wenn eine LED in Durchlassrichtung geschaltet ist und eine Spannung angelegt wird, entsteht ein Stromfluss bzw. Elektronenfluss durch den Halbleiterkristall. Dieser Halbleiter ist in zwei Schichten mit unterschiedlicher Dotierung aufgeteilt: eine Schicht mit einem Überschuss an positiv geladenen Elektronen (n-Schicht) und eine Schicht mit einem Überschuss an negativ geladenen Elektronen, den sogenannten „Löchern“ (p-Schicht).

2. Rekombination am p-n-Übergang: An der Grenze dieser Zone, dem p-n-Übergang, treffen Elektronen aus dem n-Bereich auf die Löcher im p-Bereich. Bei der Rekombination eines Elektrons mit einem Loch wird Energie freigesetzt.

3. Lichterzeugung durch Photonen: Diese freigesetzte Energie wird in Form eines Photons – eines Lichtteilchens – freigesetzt. Die Wellenlänge und somit die Farbe dieses Lichts hängt vom Halbleitermaterial und dessen Dotierung ab. LEDs können daher durch gezielte Materialwahl in verschiedenen Farben leuchten, wie rot, grün oder blau.

4. Lichtabgabe: Das Photon verlässt den Halbleiterkristall und tritt durch eine Linse nach außen. Diese Linse bündelt und fokussiert das Licht und lenkt es in die gewünschte Richtung. Oft ist der LED-Chip in einer Reflektorwanne eingebettet, die das Licht verstärkt und nach oben leitet.

5. Kunststofflinse: Der gesamte LED-Aufbau ist in einer schützenden Kunststofflinse eingekapselt, die nicht nur das Licht verteilt, sondern auch den Wirkungsgrad und die Lichtausbeute erhöht.

Die Energieeffizienz der LED entsteht, weil nahezu die gesamte Energie in Licht statt in Wärme umgewandelt wird, was sie sparsamer als herkömmliche Leuchtmittel macht. So bietet die LED durch ihre Funktionsweise eine nachhaltige, kostensparende Alternative für verschiedenste Beleuchtungsanwendungen.

Verschiedene LED-Bauformen

Bedrahtete LED

Die bedrahtete LED ist die klassische Form, bei der zwei Drähte – Anode und Kathode – die LED mit Strom versorgen. Diese einfache und kostengünstige Bauweise und LED Funktionsweise macht sie ideal für kleine Elektronikprojekte und Statusanzeigen. Bedrahtete LEDs sind robust, in vielen Farben erhältlich und besonders geeignet für Anwendungen, die keine hohe Lichtleistung erfordern.

SMD-LED (Surface Mounted Device)

SMD-LEDs sind für den direkten Einbau auf Leiterplatten konzipiert und benötigen keine Drähte. Durch ihre kompakte Bauweise lassen sie sich dicht anordnen, was sie perfekt für flache Designs macht. Diese LEDs bieten eine hohe Lichtausbeute und effiziente Wärmeableitung, wodurch sie sich ideal für Displays, Hintergrundbeleuchtungen und platzsparende Leuchten eignen.

COB-LED (Chip on Board)

COB-LEDs bestehen aus mehreren kleinen Chips, die auf einer Trägerplatte zusammengefasst, mit einem Golddraht verbunden sind und als ein Lichtmodul wirken. Diese Verbindung über den Golddraht sorgt für eine zuverlässige Stromverbindung und erhöht die Effizienz erhöht. Durch diese LED Funktionsweise erzeugen sie eine gleichmäßige, intensive Lichtfläche ohne sichtbare Lichtpunkte und eignen sich besonders für starke Beleuchtungen wie Deckenstrahler und Fluter. Ihre hohe Lichtintensität und gute Wärmeableitung machen COB-LEDs zu einer effizienten Lösung für großflächige Anwendungen.

HighPower LED

HighPower LEDs sind für hohe Lichtleistung und starke Beleuchtung ausgelegt, ideal für Außenbeleuchtung und Scheinwerfer. Dank ihrer Robustheit und effektiven Wärmeableitung sind sie die bevorzugte Wahl für leistungsstarke Lichtquellen.

LED Funktionsweise: So kann eine LED die Lichtfarbe wechseln

Wie eine LED funktioniert, haben wir nun geklärt. Doch wie funktioniert der Farbwechsel einer LED? LEDs können ihre Farbe ändern, indem sie die Wellenlänge des abgestrahlten Lichts variieren. Diese Wellenlänge, also die Lichtfarbe, wird durch das Halbleitermaterial und dessen Dotierung beeinflusst. Unterschiedliche Energielevel in den Schichten des Halbleitermaterials führen zur Emission von Photonen mit jeweils unterschiedlicher Farbe: Höhere Energie im Halbleitermaterial erzeugt kurzwelliges, blaues Licht, während niedrigere Energie langwelligeres, rotes Licht hervorbringt.

Um ein breites Spektrum und insbesondere weißes Licht zu erzeugen, nutzt man meist die drei Primärfarben Rot, Grün und Blau (RGB). Durch die kombinierte Steuerung der Helligkeit dieser drei Grundfarben können alle gewünschten Lichtfarben einschließlich Weiß erzeugt werden. Abhängig vom Verhältnis der Primärfarben lassen sich zudem verschiedene Weißtöne und Farbtemperaturen erzeugen, wie Warmweiß, Neutralweiß und Kaltweiß. Beispielsweise ergibt eine hohe Intensität aller drei Lichtfarben kaltweißes Licht (über 5000 Kelvin), während reduzierte Intensitäten eine neutralweiße (um 4000 Kelvin) und warmweiße Lichtfarbe erzeugen (um 3000 Kelvin).

LED Funktionsweise in Fernbedienungen & Co

Leuchtdioden können neben sichtbarem Licht auch unsichtbares Infrarot-Licht aussenden. Diese speziellen Infrarot-LEDs werden häufig in Fernbedienungen, Sensoren und Überwachungssystemen eingesetzt. Infrarot hat eine längere Wellenlänge als sichtbares Licht und kann so für Anwendungen genutzt werden, bei denen eine unsichtbare Lichtquelle erforderlich ist.

Techniken zur Erzeugung weißer LEDs

RGB-LEDs

Hier werden LED-Chips in den Grundfarben Rot, Grün und Blau kombiniert. Durch das gezielte Ansteuern dieser drei LEDs in unterschiedlichen Helligkeitsstufen kann nicht nur Neutralweiß, sondern eine großes Spektrum an Farben erzeugt werden.

Phosphorbeschichtete LEDs

Eine beliebte Alternative zur RGB-Methode besteht darin, eine blaue Leuchtdiode mit einer Konversionsschicht (Leuchtstoff) aus Phosphor zu versehen. Die blaue LED emittiert Licht, das teilweise von der Phosphor-Schicht absorbiert und in längere Wellenlängen (etwa Rot und Grün) umgewandelt wird. Das zusammengesetzte Licht erscheint dann als Weiß. Diese Methode ist besonders kosteneffizient und bietet ein stabiles, hochwertiges weißes Licht.

Vorwiderstand oder LED-Treiber

Im Gegensatz zu herkömmlicher Beleuchtung wird LED-Beleuchtung nicht direkt an das Stromnetz angeschlossen. Stattdessen erfolgt der Anschluss über einen Treiber, der die Spannung aus dem Stromnetz umwandelt und an die Anforderungen und Funktionsweise der LED anpasst.

Die nötige Betriebsspannung einer Leuchtdiode hängt zudem stark von ihrer Farbe ab, da unterschiedliche Halbleitermaterialien verschieden hohe Spannungen für die Lichterzeugung erfordern:

• IR-LEDs: 1,2 – 1,8 V
• Rote LEDs: 1,6 – 2,2 V
• Grüne und gelbe LEDs: 1,9 – 2,5 V
• Blaue und weiße LEDs: 2,7 – 3,5 V
• UV-LEDs: 3,1 – 4,5 V

Die genauen Spannungswerte sowie der Betriebsstrom einer Leuchtdiode sollten stets den technischen Datenblättern entnommen werden, um eine optimale LED Funktionsweise und Leistung zu gewährleisten. In der Haushaltsbeleuchtung sind die Treiber oft direkt in die LED-Leuchten integriert, wie bei Wandleuchten und kleinen Lampen. Bei LED-Leuchten mit höherer Leistung, etwa für industrielle Anwendungen oder die Straßenbeleuchtung, werden dagegen externe Treiber verwendet, die die Leistung mehrerer LED-Chips gleichzeitig steuern.

Berechnung des LED-Vorwiderstands

Um eine Leuchtdiode an einer höheren Spannung zu betreiben, wird ein Vorwiderstand benötigt. Für eine LED mit 2,2 V und 20 mA an 12 V ergibt sich ein Spannungsabfall über den Widerstand von 9,8 V. Nach dem Ohmschen Gesetz errechnet sich daraus: R = 9,8 V / 0,02 A ​= 490 Ω. Ein Vorwiderstand von 510 Ω oder 560 Ω ist in der Praxis ideal.

LED-Treiber oder Vorschaltgerät für Hochleistungs-LEDs

Für besonders helle LEDs mit definiertem Betriebsstrom empfiehlt sich ein LED-Treiber, der diesen Strom konstant liefert. Wichtig ist dabei, dass die Leistung des Treibers nicht überschritten wird.

Vorteile der LED Funktionsweise

1. Sehr hohe Energieeffizienz: LEDs wandeln Energie effektiv in Licht um und verbrauchen bei der Lichterzeugung deutlich weniger Strom als Glüh- oder Halogenlampen.

2. Hohe Lichtausbeute: LEDs können durch ihre Funktionsweise viel Helligkeit bei geringem Stromverbrauch erzeugen und sind somit ideal für starke Beleuchtungslösungen.

3. Lange Lebensdauer: LEDs haben durch ihre Funktionsweise eine wesentlich längere Lebensdauer als herkömmliche Glühbirnen, was die Wartungskosten senkt und die Umwelt schont.

4. Vielseitigkeit: LEDs sind in verschiedenen Farben und Farbtemperaturen erhältlich und können oft flexibel angepasst werden.

5. Sofort volle Helligkeit:Die LED Funktionsweise hat keine Einschaltverzögerung – sie leuchten sofort bei voller Helligkeit, was sie praktisch und benutzerfreundlich macht.

6. Umweltfreundlicher: LEDs enthalten kein Quecksilber und belasten daher die Umwelt weniger als Energiesparlampen.

7. Geringe Wärmeentwicklung: LEDs produzieren durch ihre Funktionsweise im Vergleich zu Glühlampen kaum Wärme, was den Energieverlust minimiert und sie sicherer im Umgang macht.

8. Kompaktes Design: LEDs brauchen wenig Platz und lassen sich sehr eng anordnen, was sie ideal für platzsparende Anwendungen macht.

Nachteile der LED Funktionsweise

1. Gewöhnungsbedürftiger Farbeindruck: Das Weißlicht mancher LEDs kann für einige Menschen ungewohnt oder unnatürlich wirken, ähnlich wie bei Leuchtstoff-Röhren.

2. Empfindlich gegenüber Hitze: Die LED Funktionsweise ist temperaturabhängig. LEDs können bei raschen Temperaturanstiegen schneller altern oder in der Helligkeit abnehmen.

3. Höhere Anschaffungskosten: Obwohl LEDs sich durch Einsparungen amortisieren, sind sie in der Anschaffung teurer als traditionelle Leuchtmittel wie Glühbirnen.

4. Notwendigkeit eines Vorschaltgeräts: Zum Betrieb an 230V benötigt die LED Funktionsweise ein Vorschaltgerät, da sie nur mit Kleinspannung funktioniert.

5. Eventuell ungeeignet für bestimmte Stimmungen: Leuchtdioden haben ein eher gerichtetes Licht und durch die LED Funktionsweise tendenziell eher kühlere Farbtemperaturen, was für manche Wohnbereiche als weniger atmosphärisch empfunden wird.

Anwendungsbereiche von LEDs

LEDs werden aufgrund ihrer Funktionsweise, Effizienz und Langlebigkeit in vielen Bereichen eingesetzt:

• Haushaltsbeleuchtung: Ideal für Wohnräume, z. B. in Decken- und Wandleuchten.
• Industrie: Bieten starke, energiesparende Beleuchtung für Fabriken und Lager.
• Straßenbeleuchtung: Beleuchten Straßen und Plätze zuverlässig und wartungsarm.
• Fahrzeuge: In Autos und Motorrädern als Scheinwerfer, Rückleuchten und Innenlicht.
• Spezialanwendungen: In Fernbedienungen, Sensoren, Pflanzenbeleuchtung und UV-Desinfektionslampen.

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