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Leuchtdioden

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.

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:

Spektrum der Sonne

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:

Spektrum von LEDs

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 dargestellt:

Burger unter LED Licht

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 aus, und die Hautfarbe von Menschen lässt sie krank erscheinen.

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

Helligkeit/Wirkungsgrad

Unser Auge reagiert logarithmisch auf Helligkeit. Das bedeutet: Damit eine Lampe für unsere Augen doppelt so hell aussieht, muss sie technisch 4x so viel Licht abgeben. Für gefühlte vierfache Helligkeit muss die Lampe bereits 16x so viel Licht abgeben. Unser Helligkeitsempfinden hängt außerdem sehr stark von der Umgebung ab. Bei absoluter Dunkelheit können wir mit bloßem Auge eine Kerze sehen, die auf dem Mond steht.

Die Helligkeit von Signal-LEDs wird in der Einheit Candela (cd) angegeben und gilt für den Fall, dass man frontal auf die LED schaut. Ein Candela (=1000 mcd) ist so hell wie eine Kerze.

Handelsübliche Leuchtdioden aus den Jahren 1970 bis 2000 vertrugen maximal 20 mA Stromstärke und kamen dabei auf weniger als als 10 mcd Helligkeit. In den darauf folgenden Jahren wurden sie sehr viel heller, so dass man sie inzwischen nur noch mit 1 bis 10 mA betreibt. Bei 20 mA wären sie zu hell.

Bei größeren Leuchtdioden für Beleuchtungszwecke verwendet man stattdessen die Einheit Lumen (lm). Sie gibt an, wie viel Licht insgesamt abgestrahlt wird. Eine LED Lampe mit 480 lm leuchtet ungefähr so hell wie eine herkömmliche Glühbirne mit 40 Watt. Allerdings kommen sie uns oft schwächer vor, weil ihr Farbspektrum anders ist.

Herkömmliche Glühbirnen haben 12 Lumen pro Watt. Aktuelle LED Lampen erreichen einen Wirkungsgrad zwischen 100 und 200 Lumen pro Watt.

Zwischen Stromstärke und Helligkeit besteht fast ein linearer Zusammenhang. Wenn man die Stromstärke halbiert, dann halbiert sich auch die Helligkeit der LED. Weniger als der maximale Strom geht immer, bei jeder LED.

Leuchtdioden werden im Laufe ihrer Lebensdauer dunkler. Bei 50% Leuchtkraft-Verlust gelten sie als verbraucht.

Kühlung

Bei LED-Lampen spielt die Temperatur eine ganz große Rolle. Das folgende Diagramm von dem Hersteller SEOUL Semiconductor zeigt, wie stark die Lebensdauer drei unterschiedlicher Leuchtdioden von ihrer inneren Temperatur abhängt.

Verfall durch Temperatur

Das Diagramm endet bei 110 °C weil Leuchtdioden bei noch höherer Temperatur sofort kaputt gehen.

Je wärmer eine LED wird, umso geringer ihr Wirkkungsgrad - sie wird dunkler. Eine LED bei knapp unter 100 °C zu betreiben ist daher doppelt sinnlos.

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

Verteilung der Temperatur

Im Kern hat diese Leuchtdiode bereits kritische 103 °C während außen am Rand nur 79 °C fühlbar sind. Die Messung wurde bei einer Umgebungstemperatur von rund 30 °C ohne Kühlkörper gemacht. Wie heiß würde diese LED wohl in einem geschlossenen Gehäuse werden, wo sich die Wärme staut?

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

Spannung/Strom

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

Bei Leuchtdioden ist es anders herum. Wir müssen sie mit einer bestimmten Stromstärke betreiben, und dann ergibt sich eine ungefähre Spannung. Die mA Zahl in der Produktbeschreibung gibt an, wie viel Strom maximal erlaubt ist. Weniger geht immer.

Fotografen sollten berücksichtigen, das sich zusammen mit der Stromstärke auch die Farbe ein kleines bisschen verändert.

Wie man es nicht machen soll

Ich erkläre am Beispiel einer ganz normalen weißen LED von Everlight, was passieren würde, wenn man sie an einer festen Spannung betreiben würde. Diese LED hat die Nenndaten "3 - 3,5 V / 20 mA". Das folgende Diagramm stammt aus dem Datenblatt der LED, die blauen Markierungen habe ich ergänzt:

Spannung versus Strom

Bei 2,5 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 25 mA liegt.

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:

Spannung versus Strom

Wenn wir bei 3 Volt bleiben und die LED wärmer wird, steigt der Strom weiter 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 Betriebsspannung 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.

Wie man es richtig macht

Bei Leuchtdioden muss man daher die Stromstärke stabilisieren, nicht die Spannung. Die Spannung ist nur das Resultat des Stromflusses.

Für Beleuchtungszwecke werden entsprechende LED-Netzteile (auch LED-Treiber genannt) angeboten, die zum Beispiel fest 350 mA liefern und ihre Ausgangsspannung automatisch in einem gewissen Rahmen anpassen können.

Eine primitivere Lösung besteht darin, einen Widerstand in Reihe zur Leuchtdiode zu schalten, an dem mindestens ein Viertel der Spannung abfällt. Die 12V Lichterketten machen das so:

12V Lichterkette

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

Der Widerstand sorgt dafür, dass ein Ansteigen der Temperatur nur noch wenig Änderung der Stromstärke bewirkt. Anstatt in den oben genannten Teufelskreis zu kommen, genügt nun die Kühlung durch die Umgebende Luft, das ganze stabil zu halten. Ein Nachteil dieser Schaltung ist allerdings, dass man hierbei ein Viertel der Energie verheizt.

Im Handel gibt es Lichterketten, die mit 3 Volt betrieben werden und scheinbar keine Widerstände enthalten. Die sind aber doch vorhanden, und zwar in den Leuchtdioden selbst. Das sind spezielle Leuchtdioden mit erhöhtem Innenwiderstand, bei denen die Stromstärke nicht so drastisch von der Spannung und der Temperatur abhängt.

Es werden auch Taschenlampen verkauft, wo die LED direkt an der Batterie hängt. Diese sind tatsächlich mangelhaft.

Parallelschaltung

Parallelschaltung

Leuchtdioden soll man in der Regel nicht parallel schalten, denn der Strom teilt sich nicht gleichmäßig auf. Man müsste durch Selektion sicher stellen, dass die Leuchtdioden alle die gleiche Betriebsspannung haben und darüber hinaus für gleiche Temperatur sorgen.

Wenn eine der Leuchtdioden nur eine minimal geringere Betriebsspannung hat, fließt durch diese LED ein viel größerer Strom, als durch die anderen. Sie wird daher an schnellsten verschleißen. Falls sie durch brennt, erhöht sich der Stromfluss durch die anderen Leuchtdioden, so daß diese bald ebenfalls kaputt gehen.

Gebe lieber ein paar Cent mehr aus, damit jeder Zweig seinen eigenen Vorwiderstand bekommt.