LED – die Lichtrevolution des 21. Jahrhunderts

Edisons Glühbirne ist zweifellos tot. Nach den Energiesparlampen haben bereits die Leuchtdioden (LED) das Feld übernommen. Diese gibt es nicht nur als Glühlampenersatz, sondern sie können auch in den verschiedensten Formen in moderne Leuchten eingebaut werden.

Konzerthaus Dortmund mit LED-Fassade

Farbiges LED-Licht und Farbwechsel an der Fassade heben das Konzerthaus Dortmund im Stadtbild hervor. Bild: licht.de

Wie bahnbrechend die Erfindung der LED-Technologie tatsächlich war, zeigt sich alleine daran, dass der letztjährige Physiknobelpreis an drei japanische Pioniere auf dem Gebiet ging. Mit der Entwicklung einer blauen LED (Light Emitting Diode, siehe Kasten) in den 1990er Jahren leiteten sie eine Revolution der Beleuchtungstechnik ein. Seither fege ein «Tsunami» über die Beleuchtungs-Industrie, sagt Christian Hochfilzer, selbst Physiker und Leiter Technik bei «Regent Lighting», dem grössten Leuchtenhersteller in der Schweiz. Hochfilzer fokussierte sich bereits im Studium auf die physikalischen Eigenschaften von Licht. Ende 1990er-Jahre stieg er in die aufkommende Technologie der LEDs ein. Wie gefragt sein Wissen einmal sein würde, konnte er damals nur erahnen: «Regent stellt konsequent auf LED um und schon heute basiert mehr als die Hälfte unserer Leuchten auf dieser Technologie.»

Nahansicht eines LED-Chips

Nahansicht eines LED-Chips. Bild: Regent Lighting

Auf der Suche nach den richtigen Halbleitern

Die Anfänge der LEDs liegen in den USA. Dort entwickelten Forscher in den 1960er-Jahren die ersten roten LEDs, die manche noch von alten Taschenrechnern kennen. Später kamen orange, gelbe und grüne LEDs dazu. Die Farbe wird vom verwendeten Halbleiter-Material der LED bestimmt. Damit man aber LEDs auch für die Beleuchtung einsetzen konnte, war blaues Licht nötig; nur damit lässt sich durch Farbmischung oder Kombination mit einem photoluminiszenten Material (ähnlich wie in einer Tageslicht-Fluoreszenz-Leuchtstoffröhre) Weisslicht erzeugen. Den Schlüssel zum blauen Licht fanden die drei späteren Nobelpreisträger im Halbleiter-Material Galliumnitrid (GaN).

Christian Hochfilzer zeigt, wie diese jahrelange Entwicklung heute in der Praxis aussieht: Er legt einen Mikrochip, kleiner als sein Daumennagel, auf den Tisch. In der Mitte ist über einer kleinen Einbuchtung eine Glaskuppe gespannt. Darunter ist der Halbleiter, der mit Fluoreszenzpigmenten beschichtet ist. Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird, beginnen diese zu leuchten. Das Beste daran: Der kleine Chip ist solider, effizienter, günstiger und vielseitiger als sämtliche Lichttechnologien zuvor. Eine LED-Leuchte ist heute zehn bis fünfzehn Mal effizienter als eine Leuchte mit herkömmlicher Glühbirne. Obwohl LED-Leuchten zwar beim Kauf immer noch etwas teurer sind als andere, kann man damit über die gesamte Lebensdauer hinweg viel Energie und Geld sparen. Die neusten LEDs haben nämlich auch eine lange Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten. LEDs können sowohl im Innenbereich als auch zur Strassenbeleuchtung vorteilhaft eingesetzt werden. Ausserdem können in LED Lampen andere elektronische Bauteile eingebaut werden, zum Beispiel für drahtlose Verbindungen mit anderen Geräten (optische oder elektronische Datenübertragung) und Fernsteuerung (Dimmen, Farbwahl).

Nahansicht eines LED-Chips

Die Beleuchtung der Kante Tritt-/Setzstufe ist mit LEDs einfacher als mit jeder anderen Art der Beleuchtung. Bild: licht.de

Energieverbrauch von Lichtquellen

Die Effizienz einer Lichtquelle gibt man in Lumen pro Watt (lm/W) an, das heisst dem Verhältnis des Lichtstroms zur aufgenommenen elektrischen Leistung. Die Lichtausbeute für gängige Lichtquellen im Innenbereich sind: Glühlampe 10–15 lm/W, Halogenglühlampe 15–25 lm/W, Energiesparlampe 50–60 lm/W, Leuchtstoffröhre 80–100 lm/W. Für weisse LEDs liegen die Werte heute zwischen 130–180 lm/W. Für die Strassenbeleuchtung werden heute vor allem Quecksilberdampf-Hochdruck-Lampen mit 50–60 lm/W (blau-weisses Licht) oder Natriumdampf-Niederdruck-Lampen mit 150–200 lm/W (gelbes Licht) eingesetzt. Auch für Strassenbeleuchtungen haben LEDs Vorteile. Die Lichtabstrahlung kann auf einfache Weise so gebündelt werden, dass nur der gewünschte Bereich der Strasse beleuchtet wird. Die Helligkeit der LED kann rasch verändert und den Bedürfnissen angepasst werden, sodass zum Beispiel bei wenig begangenen Wegen die Beleuchtung erst bei der Annährung von Personen voll aufgedreht wird.

Wie wird mit LED-Technologie weisses Licht erzeugt?

LED steht für «Light Emitting Diode». Die LED ist eine Halbleiter-Diode, die Licht ausstrahlt, sobald Strom durch sie hindurch fliesst. Denn die verwendeten Halbleiter-Materialien wandeln elektrische Energie in sichtbare elektromagnetische Strahlung – also Licht – um. Die Menge erzeugten Lichts verhält sich dabei nahezu proportional zur Menge Strom, die durch die Diode fliesst. Um mit LEDs weisses Licht zu erzeugen, kann man entweder eine blaue LED mit einem photoluminiszenten (leuchtenden) Material kombinieren und so einen Teil des blauen Lichts in weisses Licht umwandeln oder man mischt verschiedenfarbige LEDs der Farben Rot, Grün und Blau (additive Farbmischung). Die additive Farbmischung hat den Vorteil, dass man die Farbe des emittierten Lichtes ändern und wählen kann (zum Beispiel Farbwechsel für Fassadenbeleuchtung). Sie hat aber den Nachteil, dass das Spektrum des Lichtes nicht kontinuierlich ist wie beim Sonnenlicht, sondern nur bestimmte Linien enthält. Deshalb erscheinen Farben, zum Beispiel von Kleidern oder Bildern, verfälscht.

Text: SATW / Samuel Schläfli
Quelle: Technoscope 1/15: Licht. Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche

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