LED Techniküberblick

Technik

LEDs sind mittlerweile relativ unabhängig vom Einsatzgebiet unangefochten auf dem Vormarsch. Sowohl in der Automobilbranche, als auch in Haushalten, Möbeln und schließlich in Aquarien, verdrängen sie klassische Beleuchtungssysteme. Wir möchten mit diesem Artikel einige Grundlagen vermitteln.

Wer Grundlagen zu Licht im Allgemeinen benötigt, dem empfehlen wir zunächst unseren Artikel zu diesem Thema.

Grundlagen

LEDs sind in vielen verschiedenen Formen und Farben erhältlich. Letztlich könnte man sehr tief in die chemischen, physikalischen und theoretischen Grundlagen von Halbleitern einsteigen, das ist jedoch nicht das Ziel dieses Artikels.

Letztlich ist eine LED ein lichtemittierender Halbleiter mit den elektischen Eigenschaften einer Diode (erlaubt elektrischen Fluss in eine eine Richtung). Abhängig vom verwendeten Halbleiter, kann das erzeugte Licht von infrarot - also unsichtbar - bis hin zum vollen Farbspektrum reichen.

LEDs haben gegenüber anderen Lichtquellen teils drastische Vorteile:

  • wesentlich höhere Lebensdauer, abhängig von Faktoren wie Energiefluss und Kühlung. Darüber hinaus fallen LEDs nicht direkt aus, sondern verlieren ihre Helligkeit.
  • schnelle Startzeit
  • Unempfindlichkeit gegen Schaltvorgänge (die klassischen Glühbirnen schaden)
  • physische Unempfindlichkeit

Weißes Licht

Weißes Licht zu erzeugen ist dabei komplexer als andere Farben. Es ist die Kombination aller Farben aus dem sichtbaren Spektrum und es gibt verschiedene Möglichkeiten es mit LEDs zu erzeugen. Die Methoden unterscheiden sich in ihrer Energieeffizienz, oder durch rechtliche Konstrukte wie Patente. Die gängigsten Methoden sind:

  • Chipmix: blaue, gelbe und gründe LEDs werden gleichzeitig verwendet. Das Licht mischt sich und erscheint als weiß. Diese Vorgehensweise ist nicht unkompliziert und wird selten verwendet.
  • Lumineszenz: Eine blaue LED wird mit Leuchtstoffen kombiniert. Das Funktionsprinzip ähnelt dem von Leuchtstoffröhren: kurzwelliges Licht wird in langwelligeres Licht umgewandelt.
  • Chipmix + Lumineszenz: Lumineszenzlicht + meist rote LEDs um einen besseren Farbraum abdecken zu können.

Lichtausbeute

2013 betrug die maximale Lichtausbeute aus weißen LEDs 276 lm/W, was aber als Laborwert zu verstehen ist. Die Lichtausbeute bei kommerziell erhältlichen Produkten beträgt (2014) zwischen 50 und 150 lm/W wiederum stark abhängig vom Einsatzzweck.

Lebensdauer

Die Lebensdauer einer LED endet per Definition typischerweise, wenn die Lichtausbeute nur noch 70% des Anfangswertes beträgt. Die Alterung von LEDs ist annähernd linear, sie fallen normalerweise nicht plötzlich, oder komplett aus.

Die Lebensdauer hängt intensiv vom verwendeten Halbleitermaterial, vom Energiefluss durch den Halbleiter, sowie von den thermischen Bedingungen während des Betriebs, also maßgeblich von ihrem Einsatz ab. Eine Niedrigenergiebeleuchtung im Haushaltsbereich kommt durchaus auf 100.000 Stunden Betriebszeit (Lebensdauer), während bei Hochleistungsbeleuchtung über Aquarien unter Umständen mit 15.000 bis 30.000 Stunden gerechnet werden kann. Wir geben allerdings zu bedenken das selbst die untere Schwelle mit 15.000 Stunden, bei 8 Stunden / Tag immer noch mehr als 5 Jahren entspricht. Kommt man an das nicht unrealistische obere Ende dieser Spanne sind es entsprechend mehr als 10 Jahre Lebenszeit.

Aufbau & Betrieb

Die typische LED Beleuchtung besteht aus der LED an sich, einem Netzteil das in der Lage ist den Energiefluss durch die LED dynamisch zu regeln, einer Optik um das erzeugte Licht zu bündeln und einem Kühlkörper.

Diese Bauteile bedingen sich gegenseitig in ihrer Funktionsweise. Nehmen wir eine leistungsstarke LED Beleuchtung für ein Aquarium als Beispiel: Der Kühlkörper besteht bei Balken meist aus der Aluminiumummantelung und bei noch leistungsfähigeren Produkten aus einem Metallgerippe das aktiv mit Ventilatoren gekühlt wird. Funktioniert die Hitzeabfuhr gut, so kann mehr Energie durch die LEDs getrieben werden, was zu einer höheren Lichtausbeute führt. Hierdurch können wiederum weniger LEDs verbaut werden.

Verwendung

Ob LED Beleuchtung Sinn macht oder nicht ist ein reines Rechenexempel. Auch in der Welt der Aquarienbeleuchtung lässt sich vermutlich keine allgemein gültige Aussage hierzu treffen. Zu verschieden sind die Einsatzzwecke, beginnend bei einer einfachen Lichtquelle über einem weitestgehend unbepflanzten Becken für wenige Stunden am Tag, bis hin zu einem lichthungrigen Aquascaping Schaubecken für viele Stunden am Tag.

Wer nur eine einfache Lichtquelle benötigt und keine Anforderungen an die Helligkeit hat, kann eine T5 oder T8 Röhre sicher jahrelang verwenden und wird die Anschaffungskosten eines LED Balkens nicht amortisieren. Wer jedoch ein wenig Anspruch an die Lichtquelle hat wird unseres Erachtens nicht um LED Beleuchtung herum kommen.

Ausblick

Der IT Welt ist das Mooresche Gesetz ein Begriff. Es besagt das sich die Komplexität integrierter Schaltkreise regelmäßig (je nach Quelle) alle 12-24 Monate verdoppelt.

Bei der LED Beleuchtung gilt das Haitzsche Gesetz. Es besagt das die Kosten pro Lumen alle 10 Jahre um das 10 fache fallen und gleichzeitig die Lichtausbeute von LEDs um das 20 fache steigt.

LEDs werden über die Zeit immer besser und immer günstiger. Alle größeren Hersteller von Aquarienbeleuchtung sind mittlerweile auf den Zug aufgesprungen. LEDs haben mittlerweile ein hohe Qualität und stellen in den allermeisten Fällen eine moderne, ökonomische und ökologisch sinnvolle Alternative zu klassischer Röhrenbeleuchtung dar.