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Wie funktionieren LEDs und wieso sind sie so sparsam?
Aufbau der LED
LEDs sind Leuchtdioden, die einen integrierten Halbleiter aufweisen. Dieser kann aus mehreren verschiedenen Materialien bestehen, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften in der Lichterzeugung variieren. Unabhängig vom Material und dessen Eigenschaften ist die Diodentechnik der LEDs besonders energieeffizient, wie auf gluehbirne.de zu erfahren ist.
Die Energieeffizienz der LED ist darauf zurückzuführen, dass eine geringe Spannung ausreichend ist, um den Stromfluss zu bewirken und auf diesem Wege Licht zu erzeugen. Wieso eine geringe Spannung genügt, wird bei einem genaueren Blick auf die einzelnen Elemente der LED und deren Zusammenspiel untereinander deutlich:
- LED-Chip
- Zwei Schichten Halbleitermaterial
- Kathode
- Anode
- Golddraht
- Reflektorwanne
- Kunststofflinse
Der LED-Chip enthält zwei Schichten Halbleitermaterial. Die eine Schicht ist der Grundhalbleiter. Sie wird auch n-Schicht genannt. Die andere Schicht hört auf die Bezeichnung p-Schicht und ist im Vergleich zur n-Schicht äußerst dünn. Je nach Halbleitermaterial variieren die Farben, die eine LED abgibt. Mit dem Material Indium-Gallium-Nitrogen (InGaN) sind beispielsweise die Farben Grün und Weiß möglich. Gallium-Nitrid (GaN) wiederum wird für die Farbe Blau angewandt.
Der LED-Chip sitzt auf der Kathode. Die Kathode und Anode werden durch einen Golddraht verbunden, der den Stromfluss zwischen beiden Polen ermöglicht. Fließt Strom, entsteht ein Elektronenfluss zwischen beiden Halbleiterschichten im LED-Chip. Dabei strömen die negativ geladenen Elektronen von der Kathode zur Anode. Es entsteht eine Spannung, die Energie freisetzt. Kleine Lichtblitze, die als Licht wahrgenommen werden, werden in der LED abgegeben.
Weil der LED-Chip nur punktförmiges Licht abgibt, ist die Reflektorwanne ein notwendiger Bestandteil. Sie lenkt das Licht in die obere Hälfte der Leuchtdiode, von wo aus es in die Kunststofflinse gelangt. Diese wiederum verteilt das Licht gemäß ihrer Beschaffenheit im Raum, um den Raum oder einzelne Stellen des Raumes großflächig zu erleuchten.
Die Kenntnisse über den Aufbau der LED verschaffen die Basis, um einen näheren Blick auf die Funktionsweise zu werfen und die Abläufe sowie deren energieeffiziente Wirkung zu verstehen.
Funktionsweise der LED
In dem Grundhalbleiter, also der n-Schicht, befindet sich ein Überschuss an Elektronen. Die p-Schicht enthält einen Mangel an Elektronen und ist demzufolge positiv geladen. Es lässt sich in diesem Zusammenhang von sogenannten „Elektronenlöchern“ sprechen. Damit es zu einer solchen unterschiedlichen Verteilung kommt, werden andere Atome zu dem reinen Halbleitermaterial hinzugegeben. Hierbei handelt es sich z. B. um Bor und Silizium.
Im LED-Chip sind die beiden Schichten zusammengebracht. Ist die Lampe bzw. das Licht nicht angeschaltet, dann sind in der Grenzschicht – exakt dort, wo n- und p-Schicht zusammentreffen – die Ladungsunterschiede ausgeglichen. Aber sobald eine Spannung in Form eines Stromflusses erzeugt wird, entsteht ein Fluss von Elektronen. Dies geschieht beim Anschalten einer Lampe oder des Lichtschalters. Aufgrund der auftretenden Spannung fließen die Elektronen von der n-Schicht zur p-Schicht mit den Elektronenlöchern. Die Elektronen geben die enthaltene Energie ab, wobei Lichtblitze entstehen und Licht erzeugen. Im Zusammenhang mit der Energieeffizienz spielt an dieser Stelle die sehr dünne p-Schicht eine Rolle. Denn aufgrund der dünnen Beschaffenheit kann das Licht viel besser entweichen, wobei sowohl wenig Spannung als auch Stromstärke notwendig sind.
Bedeutung von Spannung und Stromstärke
Die Spannung ist die Ursache dafür, dass elektrischer Strom fließt. Je höher die Ladungsunterschiede zwischen zwei Schichten sind, umso höher fällt Spannung aus. Die Stromstärke wiederum gibt an, wie hoch die Menge der elektrischen Ladung ist, die in einer bestimmten Zeit durch ein Objekt oder einen Körper fließt. Sie wird in Ampere (A) angegeben und erhält oftmals den Zusatz A/h oder mA/h, womit die Menge des fließenden Stroms pro Stunde (h) genannt wird. Je höher Spannung und Stromstärke sind, umso höher ist die elektrische Leistung der LED.
An dieser Stelle wird es interessant: Denn die LED kommt mit einer geringen Stromstärke und Spannung aus, wie bereits anhand des Aufbaus und der Funktionsweise der LED erörtert wurde. Damit einher geht, dass die Leistung nicht hoch sein muss, um den Raum ausreichend mit Licht zu füllen. Weil eine geringe Leistung einen geringeren Stromverbrauch bedeutet, ist die energieeffiziente Wirkung der LED erklärt.
Widerstand nicht permanent gleich
Im Zusammenhang mit Spannung und Stromstärke existiert neben der Leistung eine andere Größe, nämlich der Widerstand. Halbleiter-Bauteile wie in LEDs sind nicht-ohm‘sche Verbraucher. Bei Anlegen einer Spannung fällt der Widerstand in LEDs in Richtung Null. Dies würde gemäß dem Ohm’schen Gesetz bedeuten, dass der elektrische Strom theoretisch bis ins Unendliche ansteigt. Eine Zerstörung der Diode wäre die mögliche Folge.
Aufgrund dieser Problematik ist in LEDs ein Vorwiderstand verbaut, der den Strom auf einen bestimmten Wert eingrenzt. Dies können 20 mA, mehr oder auch weniger sein. Verbraucher, die eine möglichst hell leuchtende LED wünschen, sollten nach einem geringen Vorwiderstand Ausschau halten.
Innovationen im Bereich der Elektronik
Auf die Elektronik und ebenso auf die LEDs haben Innovationen eine besondere Wirkung. Aktuell ist Graphen, ein eventuelles „Wundermaterial“ für eine neue Elektronik, im Fokus. Es könnte in Halbleitern das Material Silizium ersetzen. Dies hätte eine potentiell positive Auswirkung auf die Performance der LEDs. Darüber hinaus ist Graphen im Zusammenhang mit Smartphone-Akkus hoch im Kurs. Samsung könnte 2021 das erste Smartphone mit Graphen-Akku auf den Markt bringen und damit die Leistungsfähigkeit der Akkumulatoren auf ein neues Level hieven – so zumindest die Gerüchte. Es bleibt spannend, abzuwarten, wie sich die Elektronik disziplinübergreifend entwickelt und welche Auswirkung es auf bereits bekannte Technologien wie die LEDs haben wird.