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Leuchtdioden

In den 1970er Jahren begann man damit, Leuchtdioden in Massenprodukten zu verwenden. Sie hatten damals noch sehr wenig Leuchtkraft, aber ihre Lebensdauer war den Glühlampen weit überlegen. Die Technik wurde inzwischen so weit verbessert, dass man Leuchtdioden heute auch für Beleuchtungszwecke verwendet.

Siehe auch den verwandten Artikel über WS2812 Lichterketten.

Farbspektrum

Wir sehen weiß, wenn in dem Licht eine gewisse Menge rot, grün und blau enthalten ist. Weiß ist lediglich eine Mischung dieser Grundfarben. Bei Wikipedia ist das Farbspektrum der Sonne so dargestellt:

Hier ist deutlich zu sehen, dass alle Farben des Regenbogens enthalten sind, aber unterschiedlich stark. Das Farbspektrum einer weißen LED sieht anders aus und variiert zwischen unterschiedlichen Modellen, wie die folgende Darstellung des Herstellers Lumitronics zeigt:

Der CRI Wert sagt aus, wie gut das künstliche Licht die Farben bunter Gegenstände erscheinen lässt. Die Sonne liefert den optimalen Wert 100. Der Händler Adams LED-Lichtsysteme hat den Effekt unterschiedlicher CRI Werte anschaulich (etwas übertrieben) dargestellt:

Hohe CRI Werte über 90 lassen die Farben bunter Gegenstände korrekt und kräftig erscheinen. Das ist auch zum Lesen von Text gut, weil unsere Augen dabei weniger schnell ermüden. Bei niedrigen CRI Werten unter 80 sehen Lebensmittel verdorben und Menschen müde/krank aus.

Unabhängig vom CRI Wert unterscheidet man zwischen unterschiedlichen Farbtemperaturen in der Einheit Kelvin (K):

• 2700 K (warm-weiß) entspricht dem gelblichen Licht herkömmlicher Glühlampen und ist in Wohnräumen Standard.
• 4000 K (neutral-weiß) ist an Arbeitsplätzen beliebt.
• 6500 K (kalt-weiß) entspricht dem natürlichen Tageslicht zur Mittagszeit. Es hat einen deutlich erhöhten Anteil von blau. In Wohnräumen wirkt dieses Licht unnatürlich.

Helligkeit/Wirkungsgrad

Die Helligkeit von LED Lampen wird in Lumen (lm) angegeben. Dabei zählt das gesamte sichtbare Licht das die Lampe abstrahlt. Die meisten 2023 verkauften LED Lampen lieferten ungefähr 100 Lumen pro Watt. Zur Beleuchtung eines kleinen Zimmers genügen 1200 Lumen, was einer 12 Watt LED Lampe und einer 100 Watt Glühlampe entspricht.

Bei Signal-LEDs wird die Helligkeit in Milli-Candela (mcd) angegeben. Der Wert gilt für die hellste Stelle im Lichtkegel. Eine normale Tafelkerze hat 1000 mcd. Signal-LEDs sind gut sichtbar, wenn sie heller leuchten, als ihre Umgebung. In geschlossenen Räumen reichen dazu 50 mcd locker aus.

Zwischen Stromstärke, Leistung und Helligkeit besteht fast ein linearer Zusammenhang: halbe Stromstärkle = halbe Helligkeit. Gefühlt ist der Unterschied aber geringer, weil unser Auge logarithmisch reagiert. Das bedeutet:

• Um die gefühlte Helligkeit zu halbieren muss man die Stromstärke und Leistung auf 1/4 reduzieren.
• Um die gefühlte Helligkeit auf 1/10 zu reduzieren muss man die Stromstärke und Leistung auf 1/100 reduzieren.

Unser Helligkeitsempfinden hängt außerdem sehr stark von der Umgebung ab.

Fotografen sollten berücksichtigen, das sich zusammen mit der Stromstärke auch die Farbe ein kleines bisschen verändert. Weiße Leuchtdioden bekommen bei geringer Stromstärke meistens einen ganz leichten Grün-Stich.

Kühlung

Grob geschätzt gibt eine LED Lampe etwa die Hälfte der Energie als Licht und die andere Hälfte als Wärme ab. Sie werden weniger heiß als Glühlampen, trotzdem müssen sie viel besser gekühlt werden, da ihre Lebensdauer sehr von der Temperatur abhängt.

Leuchtdioden werden im Laufe ihrer Lebensdauer dunkler. Bei 50% Leuchtkraft-Verlust gelten sie als verbraucht. Das folgende Diagramm von dem Hersteller SEOUL Semiconductor zeigt, wie sehr die Lebensdauer bei höheren Temperaturen abnimmt.

Das Diagramm endet bei 110 °C weil Leuchtdioden bei noch höherer Temperatur kaputt gehen. Da neben der Lebensdauer auch die Helligkeit mit steigender Temperatur abnimmt, ist es doppelt schlecht LEDs am Limit zu betreiben.

In dem selben Dokument zeigt der Hersteller auch, wie sich die Wärme in einer typischen 1 Watt LED verteilt:

Im Kern hat diese Leuchtdiode bereits kritische 103 °C während außen am Rand nur 79 °C herrschen.

Als grobe Fautregel kann man sagen, dass LED Lampen zu heiß sind, wenn man sie nicht mehr schmerzfrei anfassen kann.

Spannung/Strom

Von Glühlampen sind wir gewohnt, eine feste Spannung anzulegen. Eine Glühlampe mit der Beschriftung "6 V / 500 mA" betreiben wir mit 6 Volt und erwarten, dass sie dann ungefähr 500 mA aufnimmt.

Bei Leuchtdioden ist es umgekehrt. Wenn wir sie mit der richtigen Stromstärke betreiben, dann ergibt sich ungefähr die angegebene Flussspannung. Wobei die Stromstärke stets als maximal-Wert zu verstehen ist.

Ich erkläre am Beispiel einer ganz normalen weißen LED von Everlight, warum man sie nicht einfach mit einer festen Spannung betreiben kann. Meine Beispiel-LED hat die Nenndaten "3 - 3,5 V / 20 mA". Das folgende Diagramm stammt aus dem Datenblatt der LED, die blauen Markierungen habe ich hinzugefügt:

Bei 2,4 Volt würde die LED noch gar keinen Strom aufnehmen. Bei 3 Volt würde sie gute 8 mA aufnehmen. Aber nur 0,5 Volt mehr würden bereits zur Zerstörung führen, weil die Stromstärke dann weit über über 20 mA beträgt.

Nun könnte man denken, dass man mit präzise geregelten 3 Volt auf der sicheren Seite sei, doch so einfach ist es nicht. Denn die Kurve verschiebt sich nach links, wenn die LED wärmer wird:

Wenn wir bei 3 Volt bleiben und die LED wärmer wird, steigt der Strom an. Das Problem dabei ist, dass mehr Strom wiederum mehr Wärme produziert und dann steigt der Strom noch weiter an - ein Teufelskreis.

Dazu kommt noch, dass Leuchtdioden gewissen Materialstreuungen unterliegen, welche die Kurve ebenfalls auf der horizontalen Achse verschieben. Letztendlich kann niemand genau vorher sagen, welche Flussspannung die LED haben wird. Deswegen gibt der Hersteller auch keine konkrete Spannung an, sondern einen ungefähren Bereich. Aber wie soll man die Spannung genau einhalten, wenn man sie nicht genau kennt? Das ist unmöglich!

Alle Leuchtdioden zeigen dieses Verhalten mehr oder weniger, egal welche Farbe, Größe und Bauart. Nur die konkreten Zahlen sind unterschiedlich. Bei Leuchtdioden muss man daher die Stromstärke stabilisieren, nicht die Spannung.

Reihenschaltung

Bei Beleuchtungen schaltet man üblicherweise mehrere LEDs in Reihe an einen LED-Treiber, der die gewünschte Stromstärke liefert. Die Spannung passt sich automatisch an die LEDs an.

Du musst einen LED Treiber kaufen, dessen Ausgangsstrom kleiner oder gleich dem ist, was die LEDs vertragen. Seine Ausgangsspannung muss den Betriebsspannungsbereich der LEDs komplett abdecken. Beispiel: Wenn diese vier LEDs laut Katalog zusammen 12 bis 14 Volt haben dann ist ein

• LED Treiber mit 10 bis 30 Volt geeignet
• LED Treiber mit 6 bis 12 Volt nicht geeignet (denn er kann keine 14 Volt ausgeben)
• LED Treiber mit 13 bis 20 Volt nicht geeignet (denn er kann keine 12 Volt ausgeben)

Wo es nicht auf Energieeffizienz ankommt kann man alternativ ein Festspannungsnetzteil verwenden und Widerstände zur Strombegrenzung in Reihe schalten. Die 12 Volt Lichterketten machen das so:

An drei LEDs fallen zusammen etwa 9 Volt ab, so daß noch 3 Volt für den Widerstand übrig bleiben. Der Widerstand legt die Stromstärke für den jeweiligen Strang fest: 3V ÷ 220Ω = 14mA

Wegen dem Widerstand hängt die resultierende Stromstärke weniger stark von der Temperatur der Leuchtdioden ab, so dass der oben beschriebene Teufelskreis nicht auftritt. Das funktioniert stabil, wenn am Widerstand mindestens 20% der Gesamtspannung abfällt und die LEDs gut gekühlt werden.

Parallelschaltung

Es gibt dekorative Lichterketten mit speziellen LEDs für 2 bis 3 Volt, wo Widerstände unsichtbar in die LEDs integriert sind:

Diese Lichterketten haben nur wenige Milliwatt pro LED, so dass man sich um die Energieverluste in den vielen Widerständen keine Sorgen machen muss. Sie werden auch nicht großartig warm.

Die folgende Schaltung, wo mehrere LEDs direkt parallel geschaltet sind, ist hingegen schlecht:

Unabhängig davon, ob man die Stromstärke durch einen Widerstand oder einen LED-Treiber begrenzt, verteilt sich der Strom hier nicht gleichmäßig. Denn Leuchtdioden haben nicht exakt die gleiche Flusspannung. Man müsste sie schon manuell selektieren und außerdem für gleichmäßige Wärmeverteilung sorgen, sonst driften ihre Flussspannungen auseinander.

Wenn die Flusspannung von einer LED geringer ist, fließt durch sie ein erhöhter Strom. In Folge dessen wird sie wärmer, die Flusspannung sinkt weiter ab, es fließt noch mehr Strom. Das ganze Konstrukt gerät aus dem Gleichgewicht, wobei die wärmste LED am schnellsten verschleißt. Eventuell brennt sie sogar durch. In Folge dessen bekommen die verbleibenden LEDs zu viel Strom und brennen ebenfalls bald durch.

In diesem Video auf Youtube siehst du einen billigen COB, der aus parallel geschalteten LEDs besteht und genau diesen Schwachpunkt hat. In dem Moment wo er die Helligkeit herunter dimmt, sieht man sehr deutlich, dass sich der Strom nicht gleichmäßig verteilt. Die hellsten LEDs werden als erste durchbrennen und danach bald alle anderen.

Nur gute COB aus sorgfältig selektierten LEDs verteilen den Strom gleichmäßig, so dass sie die erwartete Lebensdauer erreichen können.

Wer glaubt, ich würde hier Unsinn verzapfen, der möge bitte die deutlich längere Application Note AN040 von Osram lesen.