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LED-Technik & LED-Funktionsweise

Was macht eine Leuchtdiode aus?
Gut sichtbare SMD-LED

LED sind in aller Munde und inzwischen auch in allerhand Lichtquellen verbaut. Als Scheinwerferlicht, Straßenbeleuchtung, Stimmungslicht, Leselampe und zu guter Letzt auch in der Pflanzenlampe finden LED Anwendung. Nicht nur lässt sich mit ihnen Strom sparen, sondern es lassen sich auch ganz neue Beleuchtungskonzepte verwirklichen.

Hier liegt die eigentliche Innovation: Jede LED leuchtet nur in einem bestimmten sehr schmalen Farbspektrum, wodurch sich gezielt Lichtkompositionen erstellen lassen. Außerdem sind sie so klein, dass sie fast überall verbaut werden können. Diese Dinge sind der Halbleitertechnologie anzurechnen. Wie diese funktioniert und welche Eigenschaften LED noch haben, erfahren sie hier.

Für weitere Informationen zum Zusammenspiel von Pflanzen und Licht, lassen Sie sich von unseren Links leiten!

Anwendungsbereiche
Erdbeeren im Gewächshaus

Hier finden Sie Vergleichstabellen verschiedener LED-Pflanzenlampen sortiert nach der Größenordnung des Anbauvorhabens.

Alles über Pflanzenlicht

Was Licht ist und wie es auf Pflanzen wirkt, außerdem neue Ergebnisse aus der noch jungen Forschung zur Wirkung einzelner Spektren auf Pflanzen finden Sie hier.

Vergleich
Tomaten Busch

Hier wird dargelegt, welche Vor- und Nachteile eine LED-Pflanzenlampe im Vergleich zu einer NDL mit sich bringt.

Populäre LED-Pflanzenlampen
LED im Gewächshaus

Immer wieder wird nach 4-Band-Lampen oder Vollspektrumlampen gesucht. Gibt es Lampen speziell für das Blütestadium? Wie groß sollte der Abstand zwischen Lampe und Pflanze sein?

Merkmale einer Leuchtdiode

Generell bestehen LED-Lampen aus einem Substrat, z.B. einer Aluminium- oder Keramikplatte, auf welchem der Halbleiterkristall montiert ist, sowie einer Anode und einer Katode.

Eine Anode ist eine positive Elektrode, eine Katode eine negative. Sie sorgen also für die elektrische Spannung.

Leuchtdioden basieren auf der Halbleitertechnologie. Ihre Hauptzutat ist ein Halbleiterkristall, der bei Anlage elektrischer Spannung Licht emittiert. Er lässt Strom nur in eine Richtung durch, in die andere blockiert er ihn. Es handelt sich somit um eine Diode.

Die Lichtfarbe ist abhängig vom Material des Halbleiters.

Ausführlich wird die Funktionsweise eines Halbleiters und einer Diode weiter unten dargestellt.

Um das Licht aus dem Kristall zu leiten, haben sich die Hersteller allerhand Tricks ausgedacht. Osram verwendet dazu z.B. winzige Spiegel.

Lichtfarben von LED

Das Licht einer LED ist immer schmalbandig, fast monochromatisch. So kann eine LED allein kein weißes Licht erzeugen, weil dieses eine Mischung aus allen Farben des Lichtspektrums darstellt. Deshalb wird zur Erzeugung von weißem Licht meist das Licht einer blauen LED durch eine Schicht eines anderen lumineszierenden Materials gefiltert, oft wird dafür Phosphor genutzt.

Blau ist die Lichtfarbe, die sich am effizientesten produzieren lässt. Die Produktion rein günen Lichtes gestaltet sich schwierig und ist bisher auch nur durch eine weitere Lumineszenzschicht möglich. Richtung roter Lichtfarbe, also bei größeren Wellenlängen wird das Verhältnis von Energieaufwand zu Ernergie-output zunehmend ineffizienter.

Lebensdauer

Unter optimalen Bedingungen im Labor kann eine LED eine Lebensdauer von bis zu 10.000.000.000 Stunden erreichen. In privaten Haushalten wird diese Zahl jedoch nicht erreicht, sie zeigt dennoch das große Potenzial von LED. Haushalts-LED erreichen eher eine Lebensdauer von 10.000 bis 100.000 Stunden. Sie werden im Laufe der Zeit dunkler, da manche Stellen im Halbleiterkristall durch Hitzeeinwirkung erodieren und dann nicht mehr leuchten.

Auch LED produzieren Abwärme, wenn auch weit weniger als herkömmliche Leuchtmittel. Diese Abwärme ist insbesondere auf der Rückseite der LED spürbar. Deshalb sollte diese aus einem

  • wärmeableitenden Material, wie Aluminium bestehen.

Zu viel Wärme wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der LED aus. Ebenso ist eine zu hohe Spannung hinderlich, wenn die LED ihre volle potenzielle Lebensdauer durchhalten soll. Im Gegensatz dazu beeinflusst eine höhere Strommenge die Lebensdauer der LED nicht. Vielmehr altern LED vor allem im Niederstrombereich.

LED-Bauarten

Bei LED-Pflanzenlampen kommen eigentlich nur zwei LED-Bauweisen zum Einsatz: SMD- und COB-LED.

SMD-LED

SMD-LED sind Surface mounted Device, was so viel wie oberflächenmontiertes Bauteil heißt. Gemeint sind damit flache Leuchtdioden, die in einem Kühlkörper auf die Leiterplatte gelötet werden. Sie finden heute vielseitig Verwendung in LED-Stripes, LED-Leuchtröhren, als LED-Spots, Blitzlicht im Handy u.v.m.

COB-LED

COB-LED sind Chip on Board-LED, dies bezeichnet eine Montageart, bei welcher die Diode ungehäust auf der Leiterplatte montiert wird. Auf Löten des Chips wird dabei verzichtet. Die Diode wird einfach aufgeklebt. Ihre elektrischen Anschlüsse werden mittels Bondraht mit der Leiterplatte verbunden. Dies ist die kostengünstigste Bauweise. Außerdem wird hier die beste Wärmeableitung erreicht, wodurch es möglich wird viele COB-LED eng beieinander zu montieren und so eine höhere Lichtausbeute zu erreichen.

illu_cob-led

Eine in Nacktchipmontage angebrachte LED

monochromatisch

Monochromatisches Licht bezeichnet Licht, dass nur aus einer Wellenlänge besteht, also nur in einer ganz bestimmten Spektralfarbe leuchtet.

Halbleiter

Ein Halbleiter ist ein Material, dessen Stromleitfähigkeit zwischen der von Nichtleitern und Leitern liegt. Dabei ist die Leitfähigkeit insbesondere der Halbleiter stark temperaturabhängig.

Elektrische Spannung

Die elektrische Spannung wird durch einen Ladungsunterschied zweier Pole hervorgerufen. Nur durch sie kann Strom fließen. Die Stromstärke ist also abhängig von der Größe der Ladungsdifferenz, sowie dem Widerstand des dazwischenliegenden Leiters.

Diode

Eine Diode lässt Strom nur in eine Richtung passieren, in die andere blockiert sie. Sie kann so Wechselstrom zu Gleichstrom umwandeln. Auch kann sie als Isolator dienen.

Valenzelektronen

Valenzelektronen sind die Elektronen, die auf dem äußersten Atomorbital sitzen und Bindungen mit anderen Atomen eingehen können. Halbleiterkristalle der Gruppe 14 besitzen vier Valenzelektronen.

Der Halbleiterkristall

Nicht alle Kristalle sind Halbleiterkristalle. Dafür müssen die Elektronen in der Kristallverbindung relativ leicht zu lösen sein. Denn

Stromfluss meint immer einen Ladungsaustausch, der durch Bewegung der Elektronen hervorgerufen wird.

Bei Energiezufuhr z.B. durch Wärmeenergie verringert sich der Widerstand des Halbleiterkristalls messbar.

Valenzelektronen

Ein Halbleiterkristall besteht aus einem Element mit vier Valenzatomen, die, wenn genug Atome da sind ein Atomgitter bilden. Valenzatome sind auf der äußeren Schale des Atoms zu finden und können Bindungen mit anderen Atomen eingehen. Vier Valenzelektronen haben alle Elemente der Gruppe 14 des Periodensystems. Der Halbleiter selbst ist neutral, d.h. er beinhaltet gleich viele negative und positive Ladungen.

illu_kristallstruktur

Ein Kristallgitter aus Silicium. Jeder Strich steht für 2 Valenzelektronen.

Funktionsweise der Leuchtdiode

Der Eigenhalbleiter

Von einem intrinsischen Halbleiter, d.h. einem an sich leitenden Halbleiter lassen sich mithilfe von elektrischer Spannung Elektronen aus der Valenzschale lösen. Ein gebundenes Valenzelektron im Orbital wird durch das Anlegen von Spannung gelöst und strebt dem positiv geladenen Pol zu. Das nächste Elektron hüpft in das entstandene Elektronenloch und immer so weiter.

Das Bändermodell

Zur Besserung Darstellbarkeit benutzt man hier das Bändermodell. Dabei gibt es das niedrig-energetische Valenzband, auf welchem Elektronenlücken in Richtung des negativ geladenen Pols wandern. Elektronen, die sich im Valenzband befinden sind noch im Atom gebundene Valenzelektronen. Das dem positiven Pol am nächsten gelegene Elektron springt bei Anlage von Strom ins höher-energetische Leitungsband und hinterlässt eine positiv geladene Elektronenlücke im Valenzband. In diese Lücke rückt das nächstgelegne Valenzelektron auf, welches wiederum eine Lücke hinterlässt. Diese wird wiederum durch das nächste Valenzelektron geschlossen u.s.w. Hier lässt sich auch von einer Wanderung des Elektronenlochs in Richtung des negativ geladenen Pols sprechen. Die Elektronen wandern in Richtung des positiven Pols.

Doch ist die Leitfähigkeit hier noch eingeschränkt, schließlich sind alle Elektronen recht fest gebunden. Um die Leitfähigkeit zu verbessern, werden die Halbleiter dotiert.

illu_eigenhalbleiter-1

Ein Elektron wandert zum positiven Pol und hinterlässt eine positive Elektronenlücke.

Die Diode

Die Dotierung

Bei der Dotierung werden fremde Atome in den Halbleiterkristall eingeschleust. Diese Atome haben meist drei oder fünf Valenzelektronen, gehören also in der Regel der Gruppe 13 oder 15 des Periodensystems an. Dadurch bleiben nicht fest im Orbital gebundene Elektronen übrig, weil die Elemente der Gruppe 14 nur vier Elektronen fest binden können. Durch die losere Struktur lassen sich Elektronen leichter lösen und die Leitfähigkeit wird verbessert. Mit einer Zugabe eines Atoms mit fünf Valenzelektronen, dotiere ich den Halbleiter negativ (n-Dotierung). Mit einer Zugabe eines Elementes mit nur drei Valenzelektronen dotiere ich ihn positiv (p-Dotierung).

Die “übrigen” Elektronen befinden sich jetzt oberhalb des Valenzbandes, wo sich die gebundenen Elektronen befinden.

Der pn-Übergang

Der pn-Übergang entsteht beim Aufeinandertreffen eines p- mit einem n-dotierten Halbleiter. Um einen Stromfluss zu gewährleisten, muss an den n-dotierten Halbleiter der negative Pol angeschlossen sein und an den positiv dotierten Halbleiter der positive Pol. Ansonsten würde die Diode den Stromfluss blockieren.

Die Elektronen der n-dotierten Seite befinden sich im Leitungsband und wandern nun über den pn-Übergang in Richtung des positiven Pols. Beim Übergang, rutschen sie vom Leitungsband des n-dotierten Halbleiters in das Valenzband des positiv-dotierten Halbleiters. Sie rekombinieren dort mit den Elektronenlücken und setzten dabei Energie frei. Je nach Material wird diese Energie in Form von Licht sichtbar. Die Farbe des Lichts ist abhängig von der Distanz zwischen Valenz- und Leitungsband.

Die Diode

Dies beschreibt eine Diode. Dioden lassen Strom in nur eine Richtung durch, sie wirken hier als Umwandler von Wechsel- in Gleichstrom. Bei Umgekehrter Anlage der elektrischen Pole wirkt eine Diode als Isolator, der den Stromfluss blockiert.

illu_led-diode

Die Elektronen fallen im Energieniveau. Energie wird als Licht frei.

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