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AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE

Eine weiße LED besteht grundsätzlich aus sechs Bauteilen: ein LED-Chip, in dem die Lichtemission stattfindet, ein Bond-Layer, oder Bond-Draht, welcher den LED-Chip mit der Anode verbinden, den Stromanschlüssen, also Anode und Kathode, einer Phosphorschicht, und schließlich einer Kunststofflinse, welche den Aufbau umschließt.

Der ganze Aufbau ist dabei nur wenige Millimeter groß. Die Grundflächen der hier abgebildeten LEDs sind beispielsweise 3 x 5 mm bzw. 3,45 x 3,45 mm groß. Dabei ist jedoch zu beachten, dass mehrere einzelne LED-Chips verwendet werden müssen, um einen für Beleuchtungszwecke ausreichenden Lichtstrom zu erzeugen. Diese werden dann in der Regel in LED-Modulen oder LED-Arrays zusammengefasst. Auch die Transportkosten der LEDs profitieren von der geringen Größe.

Funktionsweise der LED

Leuchtdioden sind Elektrolumineszenzstrahler, d. h. sie erzeugen Licht nicht durch das Glühen eines Körpers, sondern der Körper wird durch das Anlegen einer elektrischen Spannung dazu angeregt, elektromagnetische Strahlung in Form von Licht abzugeben.

Um diesen Effekt zu erzielen, wird das Prinzip der Halbleiterverbindung in der LED genutzt. Das Licht wird durch die Rekombination von Ladungsträgerpaaren erzeugt, dabei ist die Lichtfarbe bzw. -wellenlänge von den Halbleiterstoffen und deren Dotierungen abhängig.

zu 1) Ruhezustand
Licht einer LED entsteht durch die Rekombination eines frei beweglichen Elektrons mit einem Loch im Valenzband. In diesem Fall wird die zuvor aufgenommene Energie des Elektrons in der Bandlücke in Form von einem Photon also Licht abgegeben.

zu 2) Elektron absorbiert thermische Energie
Die Differenz der Energieniveaus, also die Dicke der Bandlücke bestimmt die Wellenlänge des Lichtes und damit dessen Farbe.

zu 3) Angeregter Zustand
Licht einer LED entsteht durch die Rekombination eines frei beweglichen Elektrons mit einem Loch im Valenzband. In diesem Fall wird die zuvor aufgenommene Energie des Elektrons in der Bandlücke in Form von einem Photon also Licht abgegeben.

zu 4) Rekombination (Lichtemission)
Licht einer LED entsteht durch die Rekombination eines frei beweglichen Elektrons mit einem Loch im Valenzband. In diesem Fall wird die zuvor aufgenommene Energie des Elektrons in der Bandlücke in Form von einem Photon also Licht abgegeben.

Dotierungen

Dotieren bezeichnet eine gezielte Veränderung des Werkstoffes durch Fremdatome. Durch eine n-Dotierung werden zusätzliche Elektronen in den Werkstoff eingebracht. Eine p-Dotierung dagegen verringert die Elektronenanzahl, es entstehen Löcher.

Durch Dotierungen lassen sich sowohl die Effizienz verbessern als auch die Lichtfarbe leicht variieren.

Dimmbarkeit von LEDs

LEDs lassen sich sehr exakt und über einen äußert großen Bereich dimmen. So können sie stufenlos von ihrem Ausgangswert bis zu 0,1 % ihrer Leuchtleistung geregelt werden. Auch die Farbe einer RGB-LED lässt sich stufenlos und sehr präzise einstellen. Grundsätzlich werden bei LEDs zwei Dimmmethoden unterschieden.

Zum einen kann das Dimmen durch eine Regelung der Stromstärke erfolgen, zum anderen wird die Methode der Pulsweitenmodulation verwendet. Auch eine Kombination beider Methoden ist möglich, in diesem Fall wird zunächst die Stromstärkenänderung und ab einem bestimmten Prozentsatz die Pulsweitenmodulation eingesetzt.

Unabhängig von der Dimmmethode kann die Steuerung des Dimmvorgangs über die gängigen Arten der 1-10-V-Methode oder der DALI-Steuerung erfolgen. 

 

Dimmen durch Stromstärkenänderung

Da der Lichtstrom einer LED in einem bestimmten Bereich linear von der durchfließenden Stromstärke abhängt, lässt sich die Lichtmenge mit entsprechenden Steuergeräten durch eine Änderung der Stromstärke regeln.

Diese Methode eignet sich jedoch nicht, um sehr niedrige Dimmabstufungen zu erzielen, da sich die Spannungskennlinien von LEDs auch bei gleicher Bauart leicht unterscheiden und es passieren kann, dass einige LEDs bereits ausgehen, während andere noch leuchten.

Grundsätzlich lässt sich die Lichtmenge durch die Stromstärkenänderung etwa bis auf 20 % reduzieren. Unterhalb dieses Bereiches muss spätestens die Pulsweitenmodulation zum Dimmen genutzt werden.

Dimmen durch Pulsweitenmodulation

Bei der Pulsweitenmodulation wird die LED mit Nennstrom betrieben. Um den Dimmeffekt zu erzielen, wird das Licht mit einer hohen Frequenz, abhängig von der gewünschten Helligkeit, immer wieder ein- und ausgeschaltet. Dabei kann das menschliche Auge diese kurzen Impulse nicht einzeln aufnehmen, stattdessen nimmt es ausschließlich einen geringeren Gesamtlichtstrom war.

Auch die Farbe einer RGB-LED lässt sich durch die Pulsweitenmodulation steuern. Dazu werden die verschiedenen RGB-Dioden einzeln angesteuert und wie bei dem Dimmvorgang entsprechend der Wunschfarbe ein- oder ausgeschaltet. Durch dieses Vorgehen lassen sich feinste Farbnuancen abstimmen.