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LED-Technologie

Höher, schneller, weiter ist das Ergebnis, betrachtet man die Prognosen zur Entwicklung der LED-Technologie. Die Hersteller liefern sich ein Kopf-an-Kopf Rennen und die Verbesserungen können die dank moderner Testverfahren bereits mit dem Start der Produkte nachgewiesen werden können. LED, die wohl effizienteste Technologie mit herausragender Qualität für heute und erst Recht in der Zukunft.  

Aufbau einer Leuchtdiode, Herstellungsverfahren für weißes LED-Licht und die Alternative, um weißes LED-Licht herzustellen.

Aufbau-Herstellverfahren-Alternative

Aufbau einer Leuchtdiode

Um die elektrische Kontaktierung zu vereinfachen und die LED vor Umwelteinflüssen zu bewahren, wird der Chip in eine Kunststoffhülle eingegossen und in ein Gehäuse eingebaut. Mit Reflektoren wird sichergestellt, dass das austretende Licht in einem Ausstrahlungswinkel bis zu 180° in den oberen Halbraum ausgestrahlt wird. Die in der Abbildung zu sehende Kunststofflinse hat die Aufgabe, das Licht zu lenken.
Bei LEDs ist das verwendete Halbleitermaterial für den Farbton entscheidend. Somit brauchen LEDs keinen Farbfilter. Das verwendete Halbleitermaterial nimmt Einfluss auf die dominante Wellenlänge und dadurch auf die Lichtfarbe der Diode. Diese sind Rot, Grün, Gelb oder Blau.

Herstellungsverfahren für weißes LED-Licht

Das derzeit gebräuchlichste Verfahren wendet das Prinzip der „Lumineszenzkonversion“ an, wie es auch bei Leuchtstofflampen genutzt wird. Hierbei wird unter Verwendung eines blauen LED-Chips eine hauchdünne Phosphor-Leuchtschicht oberhalb des Chips aufgedampft. Dadurch wird ein Teil des blauen Lichts durch den gelben Phosphor in weißes Licht umgewandelt.

Die Alternative, um weißes LED-Licht herzustellen,

ist die Mischung von farbigem Licht verschiedener Wellenlängen. Die Farbmischung von Rot, Grün und Blau (RGB) kann neben allen weiteren Mischfarben auch weißes LED-Licht auswerfen. Bei diesem Verfahren spricht man von „Multi-LEDs“ oder Baugruppen farbiger LEDs.

 

LED-Arten

Generell unterscheidet man zwischen zwei LED-Arten.

Die erste Gruppe umfasst die Low-Power-LEDs, die auch unter radialen LEDs bekannt sind. Diese Sorte umfasst die klassischen Bauformen, die eine Größe von drei oder fünf Millimeter aufweisen und meist an ihren zwei „Beinchen“ und ihrem engen Abstrahlwinkel von 15 bis 30 Grad erkennbar sind. Der gebräuchlichere Typ sind heutzutage allerdings die High-Power-LEDs, auch Hochleistungs-LEDs genannt. Sie zeichnen sich besonders durch ihre geringe Größe und ihre hohe Effizienz aus.

Für die beiden LED-Arten unterscheidet man zwischen mehreren Bautypen.

Bei den klassischen radialen LEDs redet man auf Grund ihrer Form vom „bedrahteten“-LED Bautyp. Dieser ist der ursprünglichste seiner Art. Durch ihre geringe Lichtleistung finden diese Low-Power-LEDs maximal in einfachen Signalanzeigen Anwendung.

Daneben gibt es den Bautyp „Chip on Bord“ (COB-LEDs). Dieser wird bei besonders leistungsstarken, eng bepackten LED-Modulen verwendet. Dabei wird der „nackte“, nicht verkapselte LED-Chip direkt auf eine Leiterplatte verklebt. Die Kontaktierung erfolgt über sogenannte „Bond-Drähte“. Über eine ebenfalls aufgeklebte Linse wird der flexibel einstellbare Ausstrahlwinkel definiert.

Abschließend existiert noch die „Surface Mounted Devices“-Methode (SMD-LEDs), die eine industrielle Produktion ermöglicht.Dieser Bautyp eignet sich sowohl für Low-Power als auch für High-Power-LEDs und ermöglicht eine Fertigung von extrem kleinen Standardprodukten, die durch enorme Leistungsfähigkeit extrem flacher und schmaler Module gekennzeichnet sind.

Die SMD- Bauform ist die am häufigsten in Modulen oder Leuchten eingesetzte Form und wie bedrahtete LEDs sind sie bereits verkapselt. Diese werden direkt auf einer Leiterplatte verklebt. Abschließend erfolgt die Kontaktierung im Lötbad.

Differenzierung der unterschiedlichen LED-Produktionsstufen

Ausgangspunkt ist immer der LED-Chip.

Ist der Chip in seine Kunststoffhülle eingegossen und in sein Gehäuse eingebaut, spricht man von der LED-Diode. Durch die Kontaktierung mit der Leiterplatte entsteht das LED-Modul. Dieses ist für die Elektronik, die Ansteuerung und die Wärmeleitung verantwortlich.

Im nächsten Schritt wird das Modul, auch Platine genannt, mit sekundären Optiken, wie beispielsweise Linsen, Reflektoren oder Diffusoren bestückt. Sollte es um die Produktion einer LED-Leuchte gehen wird abschließend das bestückte LED-Modul in die Leuchte eingebaut.

Die letzte Produktionsstufe hat entscheidenden Einfluss auf die Leitungswärmeabführung. Die Annahme, dass LEDs keine Wärme abgeben, ist unzutreffend, auch wenn das abgestrahlte Licht nicht heiß ist. Wie in anderen Lampen wird nur ein Teil der Energie in Licht umgewandelt. Innerhalb des Halbleiters wird Wärme erzeugt. Damit die Leitungswärme nicht in Lichtrichtung abgegeben wird, muss sie auf der Rückseite der Leuchte von der Diode abgeführt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Leuchte nicht zu heiß wird und gefahrlos berührt werden kann. Letztendlich wirkt sich die Wärmeabführung auf die Effizienz und die Lebensdauer des gesamten Systems aus.

Wirtschaftliche Vorteile

  • Hohe Effizienz
  • Energieeinsparungen bis zu über 80%
  • Extrem lange Lebensdauer und damit praktisch wartungsfrei
  • Reduzierung der Klimatisierungskosten durch geringe Wärmeentwicklung
  • Geringe Entsorgungskosten

Umwelt Vorteile

  • CO2-Einsparungen bis zu 80%
  • LEDs beinhalten kein Quecksilber (Gesundheit!)
  • Problemlos zu entsorgen
  • Geringerer Energiebedarf im Betrieb
  • Keine Störung der Insektenorientierung (UV)

Technische Vorteile

  • Sehr kleine und kompakte Bauformen
  • Frei von IR- und UV-Strahlung
  • Sehr gute Farbsättigung
  • Gute Farbwiedergabeeigenschaften
  • Weißes und farbiges Licht mit hoher Lichtqualität
  • Exakte Lichtlenkung, die unerwünschtes Streulicht verhindert
  • Resistent gegen Vibrationen und Stöße
  • Kein Flimmern oder Flackern
  • Kein Verlust durch häufiges Ein- und Ausschalten
  • Keine Einschaltverzögerung
  • Vorschaltgeräte und Starter entfallen
  • Stufenlos dimmbar und einfach steuerbar
  • Wärmeableitung erfolgt über die Rückseite, sodass die Leuchten nicht heiß werden und gefahrlos berührt werden können
  • Höchste Gestaltungsfreiheit in Form und Farbe
  • Dadurch völlig neue Leuchtendesigns

Eigenschaften

  • Punktförmige Lichtquelle in sehr kompakter Bauform
  • Beim Einschalten stellt sich verzögerungsfrei eine Betriebshelligkeit von 100% ein
  • Die Lebensdauer ist unabhängig von der Schalthäufigkeit
  • Sofortiges Wiedereinschalten und Mehrfachstarts problemlos durchführbar
  • Stufenlos dimmbar; dabei keine Farbänderung
  • Farbwiedergabe für weißes Licht: Ra bis 90 möglich (Lumineszenz-konversion)
  • Betriebsgeräte: Treiberbausteine und Lüfter (bei aktiver Kühlung)
  • Bauformen: Strips, Panels, Substitute, Hochleistungs-Chipsatz
  • Kein stroboskopischer Effekt, vibrationsunempfindlich
  • Lichtfarben von 2700K bis 10000K (weiße LED)
  • Lichtausbeute: ca. 40 lm/W bis 110 lm/W
  • Lebensdauer: ca. 50000h bis 150000h
  • Temperaturempfindlich; erheblicher Leistungsabfall bei unkorrekter Wärmeabführung bzw. Übertemperatur
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