Physik der Diode - Lichtfarbe, Helligkeit & elektrische Parameter
Welche Technik eignet sich für eine Umrüstung auf LED-Beleuchtung?
von Herbert Bernstädt, Artikel aus dem Archiv vom
Eigentlich wird man täglich mit Angeboten von LED-Leuchten, LED-Leuchtmitteln oder LED-Retrofits überschwemmt. Die Budgets sind genehmigt, Fördermittel stehen bereit und dennoch: Wer seine Saal-, Konferenzraum oder Foyer-Beleuchtung auf LED umrüsten möchte, wird nicht selten feststellen, dass das passende LED-Äquivalent für den jeweiligen Bedarf nicht verfügbar ist. PROFESSIONAL SYSTEM beleuchtet die Eigenheiten der LED und die Probleme bei der Umrüstung.
Sicherlich ist die Auswahl für die E60 Allgebrauchslampe im 60W-Bereich beinahe unübersichtlich. Aber wenn man nicht gerade ein neues Haus baut, ist man in der Regel darauf angewiesen, sich möglichst nahe an dem vorhandenen Deckenspiegel zu orientieren. Zum einen soll die Optik des Hauses gewahrt bleiben, und zum anderen soll die Beleuchtungsanforderung mit dem neuen Leuchtmittel erfüllt werden. Das ist gerade im Bereich von Veranstaltungsstätten nicht immer einfach. Denn viele von ihnen haben 20 und mehr Jahre auf dem Buckel, und fast jede nutzte in der Vergangenheit – bedingt durch die hohen Decken der Foyers, Säle und Flure – meist höhere Wattagen von Halogenleuchtmitteln. Bedenkt man, dass ein 44 mm x 12 mm Halogenleuchtmittel 1800 lm liefern kann, so wird man auf dem LED-Markt nicht fündig.
Aber auch wenn Fassung und Lichtstrom in den akzeptablen Bereich kommen, so sind noch die Faktoren wie Abstrahlverhalten, Lichtfarbe, Dimmverhalten, eine eventuelle Umschaltung auf Gleichstromversorgung bei Netzausfall, Alterungsverhalten, Flickerfreiheit und Farbwiedergabe sowie Abweichungen untereinander zu bedenken. Damit ist aber noch nicht Schluss, denn bei Leuchten mit Netzteilen, die heute in der Regel Schaltnetzteile sind, erfolgt ein hoher Einschaltstrom, der meist auch eine Änderung in der Verdrahtung beziehungsweise zeitversetztes Einschalten erfordert. Um zu verstehen, welche Faktoren bei der LED-Beleuchtung eine Rolle spielen, ist es von Vorteil, die LED zunächst als Halbleiter verstehen zu lernen.
Beispiel von Farbspektren der LED-Serie Rebel von Luxeon. Man erkennt ein relativ schmalbandiges Abstrahlverhalten. Quelle: Luxeon Rebel ES Datenblatt DS68 (Bild: Luxeon Rebel ES Datenblatt DS68)
Die LED (Light Emitting Diode) entspricht prinzipiell dem Aufbau einer Halbleiter- Diode. Dioden senden grundsätzlich bei der Rekombination Wellen aus – nur waren sie bisher im infraroten Bereich und wurden zudem durch einen undurchsichtigen Stoff absorbiert. Circa 1963 wurde dieses Phänomen zur Signallichterzeugung erstmals genutzt. Doch was heißt nun Rekombination, und wie funktioniert so ein Halbleiter- Bauelement? Ein Halbleiter wird dadurch charakterisiert, dass er vier Elektronen auf der äußeren Elektronenbahn aufweist. Damit kann er sich perfekt mit vier weiteren Atomen verbinden. Leider sind dann keine Ladungsträger frei, die einen Stromfluss erlauben würden. Verunreinigt man den Siliziumkristall mit einem Atom wie Bor (Akzeptoren) mit nur drei Bindungsarmen, fehlt ein Ladungsträger. Man spricht von Löchern.
Silizium – mit vier Elektronen auf der Außenschale – bildet ein Kristallgitter, da die äußeren Elektronen gut eine Paarbildung ausführen. Damit stehen keine freien Ladungsträger für einen Stromfluss zur Verfügung. Erst bei Verunreinigung mit Fremdatomen wie Arsen oder Bor, die jeweils ein Elektron auf der Außenbahn zu viel oder zu wenig für das perfekte Kristallgitter aufweisen, sind freie Ladungsträger für ein Stromfluss verfügbar.
Auch positive Ladungsträger wie dieses Loch können einen Stromfluss ermöglichen. In der Sperrschicht (P-N-Übergang) werden durch Rekombination der Ladungsträger Photonen freigesetzt. Dabei ist die Wellenlänge proportional zur Schichtdicke der verbotenen Zone des P-N-Übergangs. Das bedeutet, dass es sich hier um einen monochromatischen Strahler handelt. Um unterschiedliche Farben zu erhalten, werden verschiedene Halbleiterkristalle ausgewählt, die durch die unterschiedlichen Stoffzusätze verschieden große, verbotene Zonen ausbilden. Dadurch müssen unterschiedlich große Energien für die Rekombination der Ladungsträger aufgebracht und damit letztendlich verschiedene Licht-Wellenlängen abgegeben werden. Charakteristisch ist das Emittieren eines sehr schmalen Bandes. Folglich emittiert eine LED nur Licht in einem sehr engen Band einer bestimmten Farbe. Um weißes Licht – also die Summe vieler Farben – zu erzeugen, muss man andere Wege beschreiten, die PROFESSIONAL SYSTEM zu einem späteren Zeitpunkt beschreiben wird.
Treffen beide Stoffe aufeinander, werden sich in der Grenzschicht die freien Elektroden in die Löcherplätze einfinden, und somit ist dieser Körper elektrisch neutral und auch nichtleitend. Beaufschlagt man eine Spannung in Sperrrichtung, wird diese Schicht immer breiter. Ein Strom kann sich erst dann einstellen, wenn die Spannung wesentlich größer wird und dann irgendwann ein „Überschlag“ auftritt. Wird die Spannung in Flussrichtung angelegt, benötigt man eine kleine Spannung, um die Sperrschicht zu überwinden. Danach stellt sich ein Stromfluss ein.
Begonnen hatte alles 1963 mit einer roten LED, 1971 waren auch gelbe und grüne LEDs erhältlich. Es dauerte noch bis 1993, bis man die Stoffe gefunden hatte, um auch blaue Farben zu emittieren. So unterscheidet sich der physikalische Aufbau von roten und blau-grünen LEDs entscheidend.
Das elektrische Verhalten einer Diode in Form einer Kennlinie: Man erkennt bei Anlegung einer Spannung in Durchlassrichtung, dass sich erst ein Stromfluss einstellt, wenn die Durchlassspannung überwunden wurde. Danach wird die Stromhöhe nur noch durch den inneren Widerstand der LED begrenzt. Kleinste Spannungsänderungen haben dann große Stromänderungen zur Folge. Deshalb ist es besser, eine LED über die Stromhöhe zu steuern anstatt mit der Spannung. In Sperrrichtung betrieben ist die LED recht robust, so dass Sie bei Verpolung einfach nicht leuchtet, weil kein Stromfluss zustande kommt.Schaltbild der Diode und der Leuchtdiode. Die Kathode wird meist gekennzeichnet, wobei man sich bei der T-Typ Leuchtdiode auch einfach merken kann, dass das längere Beinchen den Pluspol darstellt und damit die Betriebsstromrichtung vorgibt.
Zur Herstellung einer Diode wird erst einmal ein Kristall gezüchtet. Alleine das Züchten des Kristalls mit am besten homogener Anordnung des Kristallgitters ohne Störstellen ist schon problematisch genug. Dann müssen die gewonnenen Kristallschichten mit den entsprechenden Atomen dotiert werden. Schon wenige Atome, die mehr oder weniger in das zu dotierende Material einfließen, können die Charakteristik verändern.
Daher unterliegen LEDs trotz Herstellung in Reinräumen und konstanter Umgebungsparameter nicht zu vernachlässigenden Serienstreuungen. Es ist also gar nicht möglich, ein und dieselbe LED mit exakt den gleichen Parametern herzustellen. Noch größer werden die Abweichungen, wenn man die LEDs eines Produktionsdurchlaufs mit dem nächsten vergleicht. Den Produktionsdurchlauf nennt man auch Charge, so dass man als LED-Verarbeiter versucht, alle benötigten LEDs aus möglichst einer Charge einzukaufen beziehungsweise sich einen so großen Vorrat davon anzulegen, dass alle Produkte, die ein ähnliches Licht abgeben sollen, von dieser Produktionscharge bestückt werden können. Denn man weiß nie, wie weit die nächste Produktion von LEDs mit ihren Parametern von den vorigen entfernt sein wird.
Anhand der Ellipsen lässt sich hier gut erkennen, dass man mit der entsprechenden Dotierung zwar die grundsätzliche Farbe bestimmt, aber dass man einzelne Atome für die Dotierung abzählen und genau platzieren kann. Somit ist immer eine Streuung der Werte – hier der Farben dargestellt – vorhanden. (Bild: Vortrag Osram LED-Light Solutions for tomorrow 2005 )
Aber auch innerhalb einer Charge sind, wie bereits erwähnt, nicht alle LEDs gleich. Für das Verhalten der LED innerhalb einer Leuchte oder Gruppe von Leuchten sind drei Arten von Parameterschwankungen zu berücksichtigen: die Lichtfarbe, die Helligkeit und die elektrischen Parameter. Nach der Produktion der LEDs vermisst der Hersteller jede einzelne LED, sortiert sie und legt diejenigen, die eng beieinander liegende Werte aufweisen, zusammen in einen Container, Rank oder Bin. Auf diese Weise kann er für sein LED-Produkt unterschiedliche Qualitätslevel anhand der Streuung anbieten. Die Sortierungen mit Farben, die nah an der Plank‘schen Kurve liegen, lässt sich der Hersteller besser bezahlen als Sortierungen mit großen Abweichungen. Auch obliegt dem Hersteller und seiner Preisgestaltung, wie eng die Toleranzen gesetzt werden. Zwar gibt es genormte Farborte und Toleranzen, z. B. das ANSI Binning für die Lichtfarbe, aber der Hersteller ist frei, seine eigenen Definitionen anzuwenden.
Die Lichtfarbe ist immens wichtig, wenn die bestrahlten Flächen nicht „bunt“ aussehen sollen, obwohl von Lampe zu Lampe eine andere Farbe wiedergegeben werden soll. In der Praxis sieht man dies, wenn wärmeres Weiß neben einem kälteren Weiß leuchtet. Hier hat man keine Chance, nachträglich den Farbort zu ändern – man muss die LED auswechseln, um einen gleichen Farbort zu erreichen. Das ist besonders ärgerlich, wenn nach nur geringer Zeit die LED in einer speziellen Lichtfarbe abgekündigt wird und dann nur noch LEDs mit einer ähnlichen Lichtfarbe angeboten werden.
Die Angabe von drei Helligkeitsklassen für eine Weisslight LED Superflux NSPWR70CSS-K1 von Nichia. Als elektrische Parameter wird die Vorwärtsspannung als Bereich angegeben. (Bild: Datenblatt NICHIA Superflux 405609-da-01-en-LED_NSPWR70CSS)
Die Helligkeit ist vor allem bei farbmischenden Systemen sehr auffällig. Denn hier reichen oft geringe Abweichungen von 0,5 % bei der Ansteuerung, um einen Farbunterschied auszumachen. Wenn nun aber die LED Schwankungen von mehreren Prozent aufweist, dann wird schnell deutlich, wie „bunt“ es werden kann. Zum Glück kann man an der Helligkeitsschraube drehen, indem man die LED eindimmt: Der Nutzer wendet das Eindimmen bei der Ansteuerung an. Wird dagegen die Lampe ab Werk schon eingestellt, so spricht man vom Farb-Kalibrieren. Dabei werden nur die Helligkeiten der roten, grünen und blauen LEDs zueinander angepasst, die Farbe der einzelnen LED kann man – wie zuvor beschrieben – nicht ändern. Hier ist die Frage, inwieweit man als Nutzer die Lampe Nachkalibrieren kann oder es vom Werk aus zu geschehen hat oder eben auch eventuell gar nicht möglich ist. Bei Array-LED-Feldern lässt sich auch durch gemischte Bestückung eine gewisse Durchmischung und damit eine Mittelung erreichen, was auch gerne bei Weißlicht-Arrays praktiziert wird.
Die elektrischen Parameter treten oftmals in den Hintergrund. Die meisten LED-Hersteller geben nur die Toleranzwerte an, innerhalb derer die elektrischen Parameter variieren können. Werden LEDs nur an- und ausgeschaltet, treten diese Toleranzen nicht in Erscheinung. Wird jedoch ein sanftes Aufdimmen von Null an erwartet – was zum Eindunkeln von Saallicht durchaus gefordert sein kann – ist es ärgerlich, wenn die eine LED noch leuchtet, während die andere LED bereits dunkel ist.
Grafische Darstellung der möglichen Farborte, die diese LED innerhalb ihres Bin annehmen kann. Der ideale Weißpunkt im CIE Farbdreieck mit Plank’scher Kurve wäre 0,333 für x und y. LEDs innerhalb eines Bins mit größerer Entfernung weisen größere Abweichungen auf als zwei nahe beieinander liegende zweier benachbarter Bins. Bei besonders kritischen Anwendungen, wie z. B. bildgebende LED-Verfahren, selektieren Hersteller selber die LEDs, um möglichst geringe Farbabweichungen innerhalb eines Produktes sicherstellen zu können. (Bild: Datenblatt NICHIA Superflux 405609-da-01-en- LED_NSPWR70CSS)
Generell scheint das Dimmen von LEDs von vielen Leuchtenherstellern untergeordnet behandelt zu werden. Lösungen, die auch große Lichtfelder synchron unmerklich von Null ohne merkliche Lichtsprünge hochdimmen können, gibt es genügend auf dem Markt. Daher muss die Frage erlaubt sein, warum man dennoch bei den benötigten Lösungen für die Leistungs-LED so oft mit Lichtsprüngen im untersten Steuerbereich bis hin zum plötzlichen Ausknipsen des Lichtes konfrontiert wird. Die Antwort lautet vermutlich, weil es einfacher ist, bei den Parameterschwankungen bei einem Mindeststrom einzusetzen, bei dem alle LEDs zu leuchten beginnen, um so das hintereinander beginnende Einsetzen des Lichtstroms zu vermeiden.
Man sieht also, dass mit dem Halbleiter erheblich mehr Variablen ins Spiel kommen und das Thema Lichterzeugung viel komplexer wird als bei einem Halogenleuchtmittel. Bei diesem glüht letztendlich nur ein Draht, und das Licht hängt lediglich von der Temperatur des Drahtes ab. Deshalb wird sich PROFESSIONAL SYSTEM in den kommenden Ausgaben jeweils ein Teilproblem der LED vornehmen und „beleuchten“.
Vielen Dank für den interessanten Artikel, viele Dinge waren mir so gar nicht klar. Da gibt es ja wirklich viel zu beachten wenn man auf LED umrüsten möchte. Ich habe mich zu Hause noch nicht wirklich drüber getraut, bei mir in der Firma ist schon alles von der Deutschen Lichtmiete umgerüstet worden. Bin mir nicht sicher ob ich zu Hause auch so ein gutes Ergebnis hinbekommen kann wie auch bei der Arbeit, bin ja letztlich kein Profi. Sicher sind die Anwendungsbereiche unterschiedliche aber wenn man liest wie viele Unterschiede es da gibt und was es alles zu beachten gibt, wird es nicht so leicht.
Ist es für den Laien auch machbar ein ordentliches Lichtverhältnis hinzubekommen und auf was muss man in den eigenen vier Wänden aufpassen?
Vielen Dank für den interessanten Artikel, viele Dinge waren mir so gar nicht klar. Da gibt es ja wirklich viel zu beachten wenn man auf LED umrüsten möchte. Ich habe mich zu Hause noch nicht wirklich drüber getraut, bei mir in der Firma ist schon alles von der Deutschen Lichtmiete umgerüstet worden. Bin mir nicht sicher ob ich zu Hause auch so ein gutes Ergebnis hinbekommen kann wie auch bei der Arbeit, bin ja letztlich kein Profi. Sicher sind die Anwendungsbereiche unterschiedliche aber wenn man liest wie viele Unterschiede es da gibt und was es alles zu beachten gibt, wird es nicht so leicht.
Ist es für den Laien auch machbar ein ordentliches Lichtverhältnis hinzubekommen und auf was muss man in den eigenen vier Wänden aufpassen?