Lichtplanung mit LED


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Mit Licht kann man zaubern!
Es ist allgemein bekannt, dass Licht die Gefühle und das Wohlbefinden des Meschen beeinflusst. Diese Erkenntnis macht honey and spice sich zu nutze. Um Ihre Räume zu verzaubern greifen wir auf unsere Erfahrungen mit der Lichttechnik und den Stimmungen, die sie erzeugen kann zurück. Vor allem die innovative Arbeit mit Leds eröffnet ungeahnte Möglichkeiten. Mit unterschiedlichen Lichtfarben können wir sowohl Tagslicht simulieren, als auch das Ambiente in bunte Farbe tauchen. Ganz nach Ihrem Geschmack...

Begriff der LED:
Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, kurz LED für Light Emitting Diode beziehungsweise lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung (als Infrarotdiode) oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge ab.

Geschichte der LED / Leuchtdiode:
Am Beginn der Entwicklung von Halbleitern stand eine wissenschaftliche Entdeckung, die lange ignoriert wurde. 1876 hielt Ferdinand Braun einen Vortrag über Stromleitung durch Kristalle. Er schildert seine Versuche, bei denen er eine Metallspitze auf einen Sulfidkristall presste und herausfand, dass der Kristall in einer Richtung gut leitet und zwar umso besser, je höher der Strom ist – in die andere Richtung fließt hingegen nur wenig Strom. Da man damals nur ohmsche Leiter und Isolatoren kannte, passte dieser Gleichricht(er)effekt nicht in die damals bekannten Eigenschaften der Materie und es dauerte fast 60 Jahre, bis eine Erklärung dieser besonderen Merkmale gefunden werden konnte. Henry Joseph Round beobachtete 1907 erstmals, dass anorganische Stoffe unter dem Einfluss einer angelegten Spannung zu einer Lichtemission fähig sind. 1921 entdeckte der russische Physiker Oleg Lossew den Round-Effekt erneut und untersuchte ihn 1927 bis 1942 genauer, da er vermutete, dass das Phänomen als Umkehrung des Einsteinschen, photoelektrischen Effektes zu deuten ist. George Destriau entdeckte 1935 an Zinksulfid ein ähnliches Leuchtphänomen und bezeichnete es nach dem russischen Physiker als Lossew-Licht.

In der Folgezeit konnte ab 1951 durch die Entwicklung des Transistors ein wissenschaftlicher Fortschritt in der Halbleiterphysik erreicht werden. Weiter war es möglich, den Prozess der Lichtemission aufzuklären. Zunächst wurde allerdings weiter mit Zinksulfid experimentiert. Erfolgreicher waren jedoch die Forschungen an den als Halbleiter erkannten III-V-Verbindungshalbleitern. Ab 1957 konzentrierte man sich bei der Erforschung der Lichterzeugung ganz auf die Halbleiter. Besonders die Lichtemission im sichtbaren Bereich auf der Basis von Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) war von Bedeutung.

Andere Quellen schreiben die Erfindung der Leuchtdiode allerdings Nick Holonyak zu und datieren sie auf 1962.

Im Laufe der Entwicklung, seit den ersten LEDs 1962, wurde die Lichtausbeute um ungefähr drei Größenordnungen von < 0,1 Lumen/Watt auf > 100 Lumen/Watt gesteigert. Diese überwiegend in großen Sprüngen stattgefundenen Entwicklungsschritte beruhen außer auf der immer besseren Qualität der Halbleiterschichten (geringere Defektdichten, weniger Verunreinigungen) auf dem Einsatz von Halbleiterheterostrukturen, niederdimensionalen Strukturen (Quantentöpfe), transparenten Substraten und der verbesserten Lichtauskopplung. Ausgehend von GaAs/AlAs (1960er Jahre, rot-gelb), wurden neue Halbleitermaterialien wie GaP (1970er Jahre, grüne LEDs) und GaN (1980er/1990er Jahre, grün bis UV) entwickelt, so dass es heute LEDs in nahezu allen Farben des Spektrums (bis auf eine Lücke im grün-gelb-Bereich) gibt. Insbesondere nach Halbleitern, die Licht im kurzwelligen Bereich (blau, UV) effektiv erzeugen, wurde lange gesucht. Hauptproblem war lange Zeit das Dotieren eines p-leitenden Bereichs von geeigneten breitlückigen Halbleitern, das erstmals 1988 bei GaN der Gruppe von Akasaki in Japan gelang, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem anderen Ansatz. Letzterer führte zur ersten kommerziellen blauen LED auf GaN-Basis, die, inzwischen erweitert um weiße und grüne LEDs sowie blaue Laser, seit 1993 von Nichia vertrieben werden. Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumkarbid, das als indirekter Halbleiter für effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist.

Die Steigerung der Effizienz und die preiswertere Herstellung der Halbleiter ist das Ziel weiterer Entwicklungen. Gegenwärtig wird besonders daran gearbeitet, sowohl transparente Trägermaterialien und Halbleiter-Materialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen. Die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) decken einen Teil der aktiven Fläche ab.

Ein anderer aktueller Forschungsgegenstand sind organische Leuchtdioden, sogenannte „OLEDs“.

Anwendung der LED:
Die Leuchtdiodenhersteller arbeiten fortlaufend an der weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades, bisher ist noch keine Verlangsamung der Weiterentwicklung absehbar. Da der Wirkungsgrad und die Standzeit schon seit einiger Zeit deutlich über dem von Halogenlampen liegen, schreitet die Anwendung z.B. im Automobilbereich immer weiter voran. Für Blinker, Rück- und Bremsleuchten sowie Tagfahrlichter (vgl. LED-Scheinwerfer) sind Leuchtdioden seit 2004 im Einsatz, als Hauptscheinwerfer aufgrund höherer Anforderungen erst seit 2008.

Bereits jetzt ist die LED dabei, die Glühlampe in etlichen Spezialanwendungen zu verdrängen. Die Vorteile gegenüber der herkömmlichen Glühlampe: Die LED verbraucht weniger Energie bei gleicher Lichtmenge, erzeugt weniger Wärme, ist unempfindlich gegenüber Erschütterungen, erreicht deutlich kürzere Schaltzeiten und hat, eine niedrige Sperrschicht-Temperatur vorausgesetzt, eine hohe Lebensdauer.

Ab 2007 kamen von vielen Herstellern LED-Lampen für die üblichen E27- und E14-Glühlampensockel auf den Markt. Allerdings erreichten viele maximal 300 Lumen Helligkeit, was etwa einer 20 Watt starken konventionellen Glühlampe entspricht. Neben der für viele Zwecke ungenügenden Helligkeit wurde auch oft die bläuliche („kalte“) Lichtfarbe kritisiert. Während die Lichtfarbe immer noch ein Problem darstellt, ist eine ausreichend starke Beleuchtung mittlerweile möglich. Seoul Semiconductor etwa gab Ende Februar 2008 die Entwicklung und Markteinführung ultraheller LEDs bekannt, die 900 Lumen bei 10 Watt leisten. Das kommt etwa einer Glühlampe mit 75 Watt, respektive Energiesparlampen mit 17 Watt gleich.

Die hohen Ströme (typisch 350 mA und mehr) als Konstantstrom verlangen spezielle Treiberbausteine (Integrierte Schaltungen, Schaltregler) und elektronische Lösungen zur Ansteuerung. Der Betrieb mit niederfrequenter PWM genügt nicht allen Ansprüchen. Das thermische Management bekommt aufgrund der hohen Leistungen auf sehr kleiner Fläche (wenige mm²) und erforderlicher geringer Sperrschichttemperatur große Bedeutung – eine höhere Sperrschichttemperatur Tj (von englisch junction) hat eine Verminderung von Lebensdauer und Lichtleistung zur Folge. Eine „OSTAR LED“ nimmt beispielsweise bis zu 27 Watt auf (Lichtabgabe bis zu 1120 lm, Stand Januar 2009), was über thermische Substrate (beispielsweise Metallkernleiterplatte) und einen Kühlkörper an die Umgebung abgeführt werden muss.

Einsatzbereich der LED:
Nachdem die LED lange Zeit aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Lichtfarben hauptsächlich als Anzeigelampe in Siebensegment- und Punktmatrixanzeigen eingesetzt wurde, erschlossen sich etwa ab dem Jahr 2000 weitere Einsatzbereiche unter anderem auch in der Beleuchtungstechnik. Einige Einsatzbereiche sind:

Statusanzeigen, beispielsweise Betriebsbereitschaft bei Geräten aller Art.
Leuchtmittel, um Glühlampen oder Halogenlampen zu ersetzen, auch in kompatibel gesockelter Ausführung (siehe Bilder unten).
Infrarot-LED als Feldbeleuchtung für Nachtsichtgeräte und infrarotempfindliche Kameras.
Sender in Fernbedienungen der Unterhaltungselektronik. Hier werden immer Infrarot-LEDs eingesetzt, da ihr Licht für das menschliche Auge unsichtbar ist und somit ohne Beeinträchtigungen des Wohlbefindens sehr große Helligkeiten möglich sind, was die Reichweite der Fernbedienung erhöht.
In Lichtschranken werden fast immer Infrarot-LEDs eingesetzt, da ihr Licht für den Menschen unsichtbar ist. Durch Modulation des Lichtsignals kann eine hohe Störsicherheit erreicht werden.
In Optokopplern. Auch hier werden meist Infrarot-LEDs verwendet, da das Silizium der empfangenden Fotodiode oder des Foto-Transistors für infrarotes Licht empfindlicher ist und gleichzeitig die Flussspannung von IR-LEDs besonders niedrig ist, was die Ansteuerung vereinfachen kann.
Bei der Datenübertragung, sowohl analog zum Beispiel bei der Lichttonübertragung als auch digital, auch mittels Lichtwellenleitern.
Laufschriftanzeigen zur Informationsübermittlung in der Öffentlichkeit, aktive Verkehrszeichen im Straßenverkehr.
LED-Bündel in Verkehrsampeln (statt gewöhnlicher Glühlampen mit Farbfiltern). Hier machen sich neben der längeren Lebensdauer auch die schnellere Ansprechzeit gegenüber Glühlampen und der größere Kontrast bei Sonnenlicht bemerkbar. Hauptgrund für den Einsatz farbiger LEDs in Verkehrsampeln ist jedoch die größere Wirtschaftlichkeit, die durch den gegenüber farbgefilterten Glühlampen erheblich höheren Wirkungsgrad (Energieeinsparung) und die Wartungsfreiheit zustande kommt.
Siebensegmentanzeigen an Taschenrechnern und Messgeräten (dort inzwischen weitgehend abgelöst durch Flüssigkristallanzeigen).
Rote und gelbe LEDs für Anzeigen in Bereichen, wo die Dunkeladaptation des Auges nicht beeinträchtigt werden darf (Flugzeug-Cockpits, Schiffsbrücken, Sternwarten, im nächtlichen Geländeeinsatz (Militär oder Tierbeobachtung)).
Mobile Beleuchtung wie Taschenlampen, Fahrradbeleuchtung, Stirnlampen, zunehmend auch im Automobilbereich (seit 2007 auch als Frontscheinwerfer).
Teil von Bewegungs- und Abstandssensoren, beispielsweise bei der optischen Computermaus, für Lichtschranken und in triangulatorischen optischen Abstandssensoren.
Belichtung der Tonerwalze bei LED-Druckern.
Bildschirmhinterleuchtung (Mobiltelefone, kleine Bildschirme, Messgeräte).
Beleuchtung (hohe Lebensdauer und Effizienz, geringe Wärmeentwicklung).
Befeuerung.
RGB-Effektbeleuchtung mit änderbaren Lichtfarben
Im Medizinbereich (unter anderem Ultraviolett-LED zum Polymerisieren von Kunststoffen in der Zahntechnik, Beleuchtung).
Spannungsreferenz (statt Z-Dioden). Die LED wird dabei in Flussrichtung betrieben.
Hilfsbeleuchtung für den Autofokus in Kompaktkameras.
Blitzleuchte anstelle von Elektronenblitzgeräten bei Digitalkameras und Foto-Handys.
In tageslichtfähigen Großbildschirmen, wobei jedes RGB-Tripel aus drei LEDs gebildet wird.
Fassadenbeleuchtung von Gebäuden, Lichtkunst am Bau.
Hintergrundbeleuchtung von LCD-Flachbildschirmen für Profi-Grafikanwendungen. Voraussetzung für die Darstellung eines Farbraums von mehr als 100 % ANSI ist die Verwendung eines RGB-Tripels, das bei besonders hohen Anforderungen durch weitere LED-Farben beispielsweise im Grünen ergänzt wird.
Museumsbeleuchtung, da keine UV- oder IR-Strahlung vorhanden ist, die Exponate schädigen würde.
Fernsehgeräte (LCD-TV)
Straßenbeleuchtung
In jüngerer Zeit werden auch immer mehr Einsatzfahrzeuge (beispielsweise Rettungs- und Notfallkrankenwägen) mit LED-Frontblitzern versehen und ersetzen auch zunehmend die eigentlichen Rundumkennleuchten (siehe unten).

Vor- und Nachteile der LED:
Vorteile:
höhere Lichtausbeute als Glühlampen
hohe Zuverlässigkeit
lange Lebensdauer
hohe Stoß- und Schockbelastbarkeit
schnelle Schalt- und Modulierbarkeit, kein Schaltverschleiß
stromproportionaler Lichtstromanstieg, Dimmbarkeit ohne Effizienzverlust (Vorteil gegenüber Glühlampen)
monochrome Lichterzeugung (bei farbigen LEDs)
Lichtbündelung ist oft bereits Bestandteil der LED

Nachteile:
Alterung, bei Einheiten mit hoher Leistung
geringe Leistung pro Einheit
spezielle Elektronik zur Ansteuerung erforderlich (Stromquelle)
geringe Sperrschichttemperatur und damit begrenzte Einsatztemperatur
diskontinuierliches Spektrum weißer LEDs (Nachteil gegenüber Glühlampen)
extreme Empfindlichkeit gegenüber Mikrowellenstrahlung. Sie wird hervorgerufen durch die hohe Ladungsträgermobilität in den verwendeten III-V-Halbleitermaterialien

auszug aus wikipedia LED

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