Funktionsweise der LED – einfach erklärt

Die LED (light emitting diode, auf Deutsch „Leuchtdiode“) wurde bereits 1962 auf den Markt gebracht, wurde aber lange nur als Leuchtanzeige oder zur Signalübertragung mit Infrarot genutzt. In den 1990er-Jahren konnte durch technologische Verbesserungen die Lichtausbeute vergrößert werden und die Leuchtdioden immer häufiger als Beleuchtung eingesetzt werden. Erst seit den 2000er-Jahren sind leistungsstarke blaue Leuchtdioden kostengünstig, sodass LED-Lampen zunehmend alltagstauglich und dank ihrer energiesparenden Funktionsweise immer beliebter wurden.

Wie funktioniert eine LED-Lampe?

Das Herzstück: die Leuchtdiode

Ist die Funktionsweise bei jeder LED gleich?

Verschiedene Lichtfarben

Einsatzbereiche der Leuchtdioden

Wie funktioniert eine LED-Lampe?

Lampen mit Dioden als Leuchtmittel sind komplexer aufgebaut als solche mit Glühbirnen und haben auch eine andere Funktionsweise. Das Herzstück der Leuchte sind eine bzw. mehrere LEDs. Dazu kommt die Optik zur Lichtverteilung – oft sind dies Streulinsen oder Diffusionsscheiben, mit denen der Abstrahlwinkel genau eingestellt werden kann.

Es gibt Lampen für 230 Volt Netzspannung, die meistens ein eingebautes Netzteil haben, in dem auch ein Treiber für die LEDs steckt, damit sie gleichmäßig mit Strom versorgt werden können. Außerdem sind Leuchtmittel mit Niedrigspannung (12 und 24 Volt) erhältlich, diese verfügen meist nicht über ein integriertes Netzteil und werden daher an einen Transformator angeschlossen.

Das Herzstück: die Leuchtdiode

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Glühbirne ist die Funktionsweise einer LED etwas komplizierter. Sie setzt sich grundsätzlich aus folgenden Bestandteilen zusammen:

• Anode
• Kathode
• LED-Chip
• Bonddraht
• Reflektorwanne
• Kunststofflinse 

Das wichtigste Bauteil einer Leuchtdiode ist der Chip, der in einer Reflektorwanne sitzt, die wiederum mit der Kathode verbunden ist. Ein Golddraht funktioniert als Bonddraht und erzeugt den Stromfluss zwischen Anode und Kathode. Die Kunststofflinse ist eigentlich eine Hülle aus Kunststoff oder Epoxidharz, die alle Komponenten zusammen- und an ihrem Platz hält, sie vor Stößen und Vibrationen schützt und gleichzeitig eine gute Lichtverteilung ermöglicht.

Ist die Funktionsweise bei jeder LED gleich?

Grundsätzlich ist die Funktionsweise bei allen LEDs gleich: Der Halbleiterkristall-Chip besteht aus zwei Schichten mit unterschiedlich dotiertem Halbleitermaterial. Dadurch verfügt eine Schicht über zu viele positive Elektronen, die andere hat mehr negative. Wird nun die Diode mit Spannung versorgt, fließt über den Golddraht Strom durch den Halbleiterkristall und die Elektronen fließen von einer zur anderen Schicht. Hierbei wird Energie freigesetzt und kleine Lichtblitze entstehen, die wir als Leuchten wahrnehmen.

Der Chip ist allerdings nur etwa einen Millimeter lang und strahlt das Licht punktförmig aus. Die Reflektorwanne spiegelt das emittierte Licht und lenkt es in den oberen Teil der Kunststoffhülle, die wie eine Linse funktioniert und das Licht je nach Beschaffenheit entsprechend verteilt.

In modernen SMD- (surface mounted device) oder COB-LEDs (chip on board) ist der Chip direkt auf der Leiterplatte befestigt und dadurch äußerst kompakt mit geringer Wärmeentwicklung – so können in einer Leuchte mehrere LEDs auf engstem Raum verbaut werden und damit die Lichtleistung erheblich gesteigert werden. Außerdem ermöglicht die kompakte Bauweise auch Leuchten in jeder beliebigen Form.

Verschiedene Lichtfarben

Das Material, aus dem der Halbleiter im Chip besteht, bestimmt die Wellenlänge und damit die Lichtfarbe, die eine Leuchtdiode erzeugt. Es gibt Dioden, die langwelliges rotes Licht bis Infrarot ausstrahlen und Farben wie Rot, Orange, Gelb und Grün erzeugen können. Zudem gibt es Dioden, die Lichtfarben von Grün über Blau und Violett bis hin zu Ultraviolett erzeugen können.

Durch die Dotierung des Halbleitermaterials lässt sich in der Herstellung die Wellenlänge des erzeugten Lichts exakt bestimmen.

Heute kennen wir LEDs vor allem als energiesparendes und langlebiges Leuchtmittel mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in der Beleuchtung. Durch ihre Funktionsweise können sie allerdings kein weißes Licht abstrahlen, denn es gibt kein Halbleitermaterial, mit dem dieses erzeugt werden kann – mit einem Umweg gelingt es aber. Eine Möglichkeit ist es, in einer Lampe drei LEDs in den Farben Rot, Blau und Grün zu verbauen und so das weiße Licht durch Kombination der drei Grundfarben zu erreichen. Diese Funktionsweise ist zwar die teuerste, hat jedoch den Vorteil, dass außer Weiß mit unterschiedlichen Farbtemperaturen jede andere RGB-Farbe erzeugt werden kann.

Mit der zunehmenden Verfügbarkeit von leistungsstarken und kostengünstigen blauen LEDs hat sich eine andere Methode etabliert: Blaue Chips werden mit einer Schicht aus Phosphor überzogen. Diese erzeugt zusammen mit dem blauen Licht eine Lichtmischung, die dem menschlichen Auge als Weiß erscheint. Durch diese Funktionsweise kann bereits bei der Herstellung die Farbtemperatur genau festgelegt werden.

Weißes Licht kann je nach Farbtemperatur, die in Kelvin angegeben wird, als Warmweiß, Neutralweiß oder Tageslichtweiß erscheinen:

Für Wohnräume wird meistens Warm- oder Neutralweiß als angenehm empfunden, Tageslichtweiß passt ideal zu Küche, Bad oder Arbeitszimmer.

Einsatzbereiche der Leuchtdioden

Heute sind LEDs aus keinem Lebensbereich mehr wegzudenken – aufgrund der höheren Lichtausbeute, ihrer sparsameren Funktionsweise und höheren Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln finden sie vermehrt Einsatz im privaten Bereich. Ob als helle Küchenbeleuchtung, für gemütliches Licht im Wohn- und Esszimmer oder als produktives Arbeitslicht – mit einer umweltfreundlichen LED kreieren Sie einzigartige Lichtkonzepte.