Leuchtdioden

In den 1980er 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.
• 6000 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 in alle Richtungen abstrahlt. Im Jahr 2024 hatten die meisten LED Leuchtmittel einen Wirkungsgrad von etwa 130 Lumen pro Watt. Zur Beleuchtung eines kleinen Zimmers braucht man 1300 Lumen.

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. In Wohnräumen sind 50 mcd gut sichtbar, draußen im Sonnenlicht braucht man viel mehr.

Zwischen Stromstärke, Leistung und Helligkeit besteht fast ein linearer Zusammenhang: halbe Stromstärke = halbe Helligkeit. Gefühlt ist der Unterschied aber geringer, weil unser Auge ungefähr logarithmisch reagiert. Das bedeutet: Für die gefühlte doppelte Helligkeit brauchen wir die vierfache Leistung. 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 leichten Grün-Stich.

Kühlung

Grob geschätzt gibt eine LED Lampe etwa 1/3 der Energie als Licht und 2/3 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. Die Stromstärke regeln sie selbst. Ihr Temperaturkoeffizient stabilisiert den Arbeitspunkt: wenn die Lampe wärmer wird, sinkt der Stromfluss. Dadurch kühlt sie wieder etwas ab. Bei Leuchtdioden ist es umgekehrt. An einer festen Spannung betrieben würden sie im Laufe der Zeit immer wärmer werden und immer mehr Strom aufnehmen. LEDs stabilisieren sich nicht von selbst!

Ich zeige am Beispiel einer normalen weißen LED von Everlight, welche Konsequenzen der Betrieb mit einer festen Spannung hätte.

Die schwarze Kurve aus dem Datenblatt zeigt das typische Verhalten der LED bei Zimmertemperatur. Bei 3 Volt würde sie gute 8 mA aufnehmen, während 3,5 Volt schon außerhalb des zulässigen Bereiches liegen. Die optimale Spannung scheint 3,2 Volt zu sein. Aber wegen Materialstreuungen kann die ganze Kurve nach links oder rechts verschoben sein. Das ergibt völlig andere Flussspannungen, so das man keine konkrete Spannung empfehlen kann.

Der Größere Haken ist jedoch, dass die Kurve mit steigender Temperatur immer weiter nach links wandert. An einer konstanten Spannung steigt die Stromstärke an, die LED wird wärmer, der Stromstärke steigt noch mehr an, die LED wird noch wärmer, und so weiter. Das ergibt einen Teufelskreis, der die LED zerstört.

Alle Leuchtdioden zeigen dieses Verhalten mehr oder weniger, egal welche Farbe, Größe und Bauart. Nur die konkreten Zahlen sind unterschiedlich. Man muss daher die Stromstärke begrenzen, nicht die Spannung. Diese LED wird mit der Angabe "3 … 3,5 Volt bei 20 mA" verkauft. Das bedeutet, dass man sie mit 20 mA (oder weniger) betreiben soll, und dass dabei eine Flussspannung irgendwo zwischen 3 und 3,5 Volt entsteht. Es bedeutet nicht, dass man die LED mit einer festen Spannung in diesem Bereich versorgen soll.

Man kann Leuchtdioden (im Gegensatz zu Glühlampen) sehr gut mit weniger als dem Nennstrom betreiben. Selbst bei einem hundertstel leuchten sie noch, nur entsprechend schwächer und mit weniger Spannung.

Reihenschaltung

Bei Beleuchtungen schaltet man üblicherweise mehrere LEDs in Reihe an einen LED-Treiber, der die gewünschte Stromstärke elektronisch regelt. 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 12 bis 14 Volt brauchen, dann ist ein

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

Das funktioniert stabil, sofern am Widerstand mindestens 20% der Gesamtspannung abfällt und die LEDs gut gekühlt werden. Steigende Temperatur wird in diesem Fall durch erhöhte Luft-Zirkulation ausgeglichen.

Parallelschaltung

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

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

Unabhängig davon, ob die Stromstärke durch einen Widerstand oder einen LED-Treiber begrenzt wird, verteilt sich der Strom hier aufgrund von Materialstreuungen ungleichmäßig. So etwas klappt nur mit handverlesenen Leuchtdioden gut (manche Hersteller machen das tatsächlich). Außerdem muss für gleichmäßige Wärmeverteilung gesorgt sein.

Wenn die Flussspannung von einer LED geringer ist als bei den anderen, fließt durch sie ein erhöhter Strom. In Folge dessen wird sie wärmer, die Flussspannung 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, bei dem genau das passiert. In dem Moment wo der Mann 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.