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. Für ein kleines Wohnzimmer genügen 1500 Lumen. Der Wirkungsgrad von LED Leuchtmitteln liegt im Bereich zwischen 100 und 200 Lumen pro Watt. Ein 4 Watt Leuchtmittel gibt also je nach Modell 400 bis 800 Lumen ab.

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, aber draußen im Sonnenlicht braucht man viel mehr.

Die Hersteller geben im Datenblatt an, wie hell ihre LEDs bei der vorgesehenen Stromstärke sind. Die Helligkeit hängt ungefähr linear von der Stromstärke/Leistung ab. Doch weil unser Auge logarithmisch reagiert, braucht man die vierfache Stromstärke/Leistung, um doppelt so hell aus zu sehen. 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 reduzierter 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 Faustregel kann man sagen, dass LED Lampen zu heiß sind, wenn man sie nicht mehr schmerzfrei anfassen kann.

Spannung/Strom

Von Glühlampen sind wir feste Betriebsspannungen gewohnt. Der Temperaturkoeffizient des Glühfadens stabilisiert die Stromstärke und Leistung von alleine. Bei Leuchtdioden ist das nicht der Fall!

Ich zeige am Beispiel einer weißen LED von Everlight, welche Konsequenzen der Betrieb mit einer festen Spannung hätte. Diese LED wird mit der Angabe "3 - 3,5 Volt bei 20 mA" verkauft. Das bedeutet, dass man sie maximal mit 20 mA betreiben soll, und dass ihre Flussspannung dabei irgendwo zwischen 3 und 3,5 Volt liegt.

Die schwarze Kurve aus dem Datenblatt zeigt dass die LED bei Zimmertemperatur und 3 Volt typischerweise 8 mA aufnimmt. Die maximale Helligkeit (20 mA) wird bei 3,2 Volt erreicht.

Aber wegen Materialstreuungen kann die ganze Kurve nach links oder rechts verschoben sein, so dass man die tatsächliche Flussspannung individuell ausmessen und sehr genau einhalten müsste.

Der größere Haken ist jedoch, dass sich die Kurve nach links verschiebt, wenn die LED warm wird (rot eingezeichnet). Dadurch steigt die Stromstärke allmählich an. Mehr Strom lässt sie noch wärmer werden, wodurch die Stromstärke noch größer wird. Das ergibt einen Teufelskreis, der die LED am Ende zerstört.

Der direkte Betrieb an einer festen Spannung ist daher keine gute Idee. Stattdessen begrenzt man die Stromstärke zum Beispiel mit einem Widerstand.

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

So ein einfacher Widerstand genügt, wenn an ihm mindestens 20% der Gesamtspannung abfällt und die LEDs gut gekühlt werden. Die Temperatur steigt nur ein bisschen an, bis die dadurch entstehende Luft-Zirkulation ein weiteres Ansteigen verhindert.

Parallelschaltung

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

Nur wenn die Leuchtdioden sorgfältig auf gleiche Flussspannung selektiert wurden und sie außerdem stets die gleiche Temperatur haben, kann man sie direkt parallel schalten:

Denn 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. Wahrscheinlich brennt sie irgendwann durch, dann bekommen die verbleibenden LEDs zu viel Strom und brennen ebenfalls bald durch.

Alle LEDs aus der gleichen Charge zu nehmen ist noch lange kein Garant für gleiche Flussspannung. Zudem ist es schwierig, die Temperatur gleichmäßig zu verteilen. Deswegen ist die direkte Parallelschaltung nicht empfehlenswert.

In diesem Video auf Youtube siehst du einen billigen COB, dessen LEDs offensichtlich nicht selektiert wurden. In dem Moment wo der Mann die Helligkeit herunter dimmt, sieht man die ungleichmäßige Verteilung des Stromes. Die hellsten LEDs werden als erste durchbrennen und danach bald alle anderen. Nur gute COB aus sorgfältig selektierten LEDs verteilen den Strom gleichmäßig.