mini|LED-Filamentlampe mit E27-Edison-Lampensockel mini|Älteres LED-Leuchtmittel (2014) mit seinen technischen Daten (Hinweis: die Energieeffizienzklasse erreicht mit 67 Lumen pro Watt nach Gesetzgebung September 2021https://www.umweltbundesamt.de/themen/ab-1-september-2021-neue-energieetiketten-fuer Mitteilung des Umweltbundesamtes: Delegierte Verordnung (EU) 2019/2015 der Kommission vom 11. März 2019 zur Ergänzung der Verordnung (EU) 2017/1369 des Europäischen Parlamentes und des Rates in Bezug auf die Energieverbrauchskennzeichnung von Lichtquellen und zur Aufhebung der Delegierten Verordnung (EU) Nr. 874/2012 der Kommission, geändert durch die Delegierte Verordnung (EU) 2021/340 der Kommission vom 17. Dezember 2020 zur Änderung der Delegierten Verordnungen (EU) 2019/2013, (EU) 2019/2014, (EU) 2019/2015, (EU) 2019/2016, (EU) 2019/2017 und (EU) 2019/2018 in Bezug auf die Anforderungen an die Energieverbrauchskennzeichnung von elektronischen Displays, Haushaltswaschmaschinen und Haushaltswaschtrocknern, Lichtquellen, Kühlgeräten, Haushaltsgeschirrspülern und Kühlgeräten mit Direktverkaufsfunktion, abgerufen am 5. Mai 2023. lediglich Stufe G) mini|Verschiedene ältere Bauformen von LED-Lampen (2010)
LED-Leuchtmittel oder LED-Lampen sind elektrische Leuchtmittel (Lichtquellen), die zum Erzeugen des Lichts Leuchtdioden (kurz LEDs, von ) enthalten.
Wie auch die Kompaktleuchtstofflampen zählen sie zu den energiesparenden Leuchtmitteln (ESL). Die Nutzungsdauer von LED-Leuchtmitteln wird mit bis zu 50.000 Stunden angegeben – bei 2700 K Farbtemperatur erreichen Glühlampen hingegen nur eine Lebensdauer von etwa 1000 bis 2000 Stunden. Außerdem benötigen LED-Lampen bei gleicher Helligkeit weniger elektrische Leistung. Sie erzielen also einen höheren Wirkungsgrad beziehungsweise sie haben eine höhere Energieeffizienz (bessere Lichtausbeute). Betrachtet über ihre gesamte Nutzungsdauer sind sie, obwohl sie in der Regel teurer sind, aufgrund der geringeren Betriebskosten (Energiekosten und Aufwand für Austausch) bei Einhaltung der Spezifikationen wirtschaftlicher als andere Leuchtmittel.
Bauformen Retrofitlampen LED-Retrofitlampen mit unterschiedlichen Lampensockeln ersetzen konventionelle Lampen. Dies gilt sowohl in der Gebäude- wie auch in der Kraftfahrzeugtechnik. Es gibt eine große Auswahl von Lampen in unterschiedlichen Lichtfarben und Abstrahlwinkeln, die sich im Wesentlichen in drei Kategorien unterteilen lassen:
Ersatz für ungebündelt abstrahlende Lampen Retrofits für die europäische Gebäudetechnik in der Form klassischer Glühlampen haben in der Regel einen Schraubsockel mit einem Edisongewinde. Auch LED-Leuchtmittel mit ein- oder zweiseitigen Stecksockeln sind erhältlich. Bei Kfz-Lampen kommen meist gegen Erschütterungen unempfindlichere Bajonettsockel oder Stecksockel mit Sicherungsbügel zum Einsatz.
Ersatz für Reflektorlampen Bei Reflektorlampen ist der Lampenschirm in einem bestimmten Bereich reflektierend beschichtet. Projektionslampen mit dem Leuchtmittel im Brennpunkt einer Innenverspiegelung werden meist als Strahler eingesetzt. Sogenannte Kuppelspiegellampen oder Kopfspiegellampen (KSL) mit dem Leuchtmittel im Mittelpunkt einer spiegelnden Halbkugelschale hingegen werfen das Licht in Richtung des Sockels und werden daher oft neben spiegelnden Oberflächen verbaut. Beide beschriebenen Arten der konventionellen Reflektorlampen lassen sich durch LED-Reflektorlampen ersetzen.
Ersatz für stabförmige Leuchtstofflampen Stabförmige LED-Leuchtmittel haben gegenüber herkömmlichen Leuchtstofflampen in der Regel eine höhere Energieeffizienz, sie flackern nicht beim Einschalten und leuchten nach dem Einschalten sofort in voller Helligkeit. Sie sind unempfindlich gegenüber Kälte, sind weniger zerbrechlich und enthalten kein Quecksilber. Nachteilig ist, dass sie nicht austauschkompatibel sind. Aus Sicherheitsgründen (Berührungsschutz beim Einsetzen) besitzen sie eine einseitige Stromzufuhr und am jeweils anderen Ende sind die Stifte kurzgeschlossen. Zum Austausch muss der Starter kurzgeschlossen werden (Ersatz durch eine baugleiche Kurzschlussbrücke). Bei manchen Leuchten (Leuchten mit EVG oder Duoschaltung) muss jedoch umverdrahtet werden; das Vorschaltgerät wird gebrückt oder entfernt. Das birgt die Gefahr, dass, wenn später versehentlich eine Leuchtstoffröhre eingesetzt wird, ein Kurzschluss durch die nun nicht strombegrenzte Gasentladung eintritt, wodurch die Lampe zerstört wird und eventuell sogar platzt. Wird das alte, konventionelle Vorschaltgerät (Drossel) nicht entfernt, bildet es im Stromkreis eine Reihen-Induktivität, die zusätzliche Verluste verursacht. Da die elektrische Leistung der LED-Retrofit-Lampe geringer ist als die der Leuchtstoffröhre, sind allerdings auch die Verluste geringer. Durch den Umbau von Leuchten, die für Leuchtstofflampen hergestellt und geprüft wurden, erlischt die Herstellerhaftung. Dies bedeutet, dass der Ausführende im Sinne der Produkthaftung für mögliche Gefahren haftbar ist. Ein Umbau muss gekennzeichnet werden.
In der Regel strahlt eine LED-Röhre gerichteter ab, hat jedoch mit Stand 2021 einen geringeren Lichtstrom als die Leuchtstofflampe. Auch andere photometrische Eigenschaften der Leuchte, wie zum Beispiel der Farbwiedergabeindex und die Abstrahlcharakteristik, werden durch den Retrofit-Einsatz verändert.
LED-Streifen und -bänder LED-Streifen oder flexible LED-Module haben meist Vorwiderstände für den Betrieb an Gleichspannungen von 12 oder 24 V eingebaut. Sie können mit spannungsstabilisierten Netzteilen oder an Batterien betrieben werden. Die Streifen sind oft an gekennzeichneten Stellen teilbar, so dass ganzzahlige Abschnitte, bestehend beispielsweise aus drei LEDs und Vorwiderstand, beim Kürzen erhalten bleiben. Durch die linienförmige Lichterzeugung auf sehr engem Raum bieten sie gestalterisch viele Möglichkeiten, die durch herkömmliche Lampen nicht oder nur schwer zu realisieren wären, wie die Beleuchtung einer Treppe durch unten in den Handläufen angebrachte LED-Streifen.
LED-Module LED-Module sind Platinen, die mit mehreren LEDs bestückt sind. Sie können mit einer Optik und einem Kühlkörper ausgestattet sein. Zum Betrieb wird meist ein Vorschaltgerät benötigt. In LED-Leuchten sind ein oder mehrere LED-Module zur Lichterzeugung integriert.
LED-Beleuchtungen für die Bildverarbeitung Seit etwa 15 Jahren werden in der industriellen Bildverarbeitung (IBV) hauptsächlich LEDs zu Beleuchtungszwecken eingesetzt. Gründe hierfür sind lange Lebensdauer, niedriger Stromverbrauch, daher auch geringe Wärmeentwicklung, kleine Abmessungen, gerichtetes Licht, hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit, gut schalt- und blitzbar. Durch kleine Bauformen sind viele verschiedene Beleuchtungstechniken realisierbar.
Weitere Bauformen LED-Taschenlampen enthalten zum Teil keinerlei Strombegrenzung oder Elektronik. Dann wird der Strom durch den Innenwiderstand der Batterie begrenzt.
Für Hochleistungs-LEDs oder große Einheiten (zum Beispiel Straßenbeleuchtung) werden LED-Stromversorgungen (Baugruppen in offener Bauform oder mit geschlossenem Gehäuse) verwendet, die Konstantstrom liefern und oft (fern)gesteuert werden können.
Es werden auch LED-Konstantspannungs-Netzteile angeboten. An diesen können wie an anderen üblichen Spannungsquellen nur LED-Module mit integrierter Strombegrenzung betrieben werden. Solche Netzteile unterscheiden sich somit nicht von anderen Konstantspannungs-Netzteilen.
Zum Betrieb einer weißen LED (Flussspannung etwa 3,3 V) an einer einzelnen Alkali-Mangan-Zelle (1,5 V) oder einem NiMH-Akkumulator (1,2 V) werden Aufwärtswandler verwendet (z. B. in Solarleuchten und Taschenlampen).
Für ein besseres Thermomanagement und damit eine längere Lebensdauer werden oft ein oder mehrere LED-Module fest in der Leuchte installiert. Es werden aber auch LED-Leuchten angeboten, bei denen das Modul durch Fachleute gewechselt werden kann. Wegen der geringen Wärmeabgabe und kleinen Bauform ermöglichen LEDs sehr schmale Leuchtendesigns.
Geschichte Zwischen Anfang der 1970er-Jahre, als die ersten Leuchtdioden für Signalisierungsanwendungen auf den Markt kamen, bis Ende der 1990er-Jahre kam es zu einem exponentiellen Anstieg der Effizienz, ausgedrückt in Lumen pro Watt (lm/W) an zugeführter elektrischer Leistung. Diese Steigerung der Effizienz beschrieb Anfang der 2000er-Jahre eine Forschergruppe um Roland Haitz bei den Sandia National Laboratories: Haitz prognostizierte bis zum Jahr 2010 Lichtausbeuten mit rund 100 lm/W und im Jahr 2020 um 200 lm/W. Dieser Zusammenhang der exponentiellen Steigerung der Effizienz von Leuchtdioden in diesem Zeitbereich ist auch als Haitzsches Gesetz bekannt. 2006 wurden unter Laborbedingungen Lichtausbeuten von 100 Lumen pro Watt erzielt.
alt=Schema mit Farbverlauf der in Kelvin angegebenen Farbtemperaturen|mini|Farbverlauf der in Kelvin (K) angegebenen Farbtemperaturen von LED-Leuchtmitteln Ab 2007 kamen erste LED-Leuchtmittel für die üblichen E27- und E14-Lampensockel auf den Markt, sogenannte LED-Retrofits. Zunächst hatten sie einen Lichtstrom von nur bis zu 300 lm, was etwa einer konventionellen 30-W-GlühlampeInterpolation zwischen 25 W und 40 W, Lumen-Angaben nach EG-Verordnung Nr. 244/2009 vom 18. März 2009 zur Durchführung der Richtlinie 2005/32/EG des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Festlegung von Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Haushaltslampen mit ungebündeltem Licht entspricht. Neben der für viele Zwecke ungenügenden Helligkeit wurde auch die anfängliche bläuliche („kalte“) Lichtfarbe kritisiert. Seit 2010 sind LED-Leuchtmittel in den Farbtemperaturen Warmweiß (2.700 bis 3.300 Kelvin), Neutralweiß (3.300 bis 5.300 K) und Tageslichtweiß (mehr als 5.300 K) erhältlich. Seit dieser Zeit sind auch sogenannte LED-Leuchtfadenlampen am Markt erhältlich, die aus einem klaren Glaskolben bestehen und historischen Glühlampen mit Einfachwendel nachempfunden sind, jedoch aus Dutzenden einzelner LEDs bestehen. Durch die Massenfertigung sanken die Kosten für die Herstellung von LED-Leuchtmitteln. Höhere Wirkungsgrade zur Effizienzsteigerung stehen nicht mehr im Vordergrund. Mehr Bedeutung kommt der Lichtqualität – auch in Kombination mit Lichtmanagementsystemen und Human Centric Lighting – zu.
Aufbau Der Chip erzeugt das Licht. Er baut sich aus mehreren Halbleiterschichten – in der Regel epitaktisch abgeschieden – und Anschlusselementen auf. In der aktiven Schicht wird beim Betrieb der Diode über Gleichspannung Licht einer Wellenlänge (blaues Licht bei weißen LEDs) erzeugt. Elektronen und Löcher rekombinieren im Halbleiter. Die Elektrolumineszenz macht aus elektrischer Energie elektromagnetische Energie, also Licht. Üblicherweise beinhaltet ein Package neben dem Chip das Gehäuse, elektrische Kontakte und die Konversionsschicht (Leuchtstoff). Dieses Package wird zusammen mit dem Chip „LED“ genannt. Das Package umfasst auch Funktionen wie Schutzschaltungen, optische Linsen oder Elemente zur Wärmeabfuhr.
Binning Bedingt durch den Herstellungsprozess können LEDs eines Typs und Herstellers Farbunterschiede im direkten Vergleich aufweisen. Generell geben alle LED-Hersteller Farbtoleranzen an. Das Einteilen in verschieden fein abgestufte Klassen wird als „Binning“ bezeichnet. Bei weißen LEDs umfasst dieses hauptsächlich den Lichtstrom (Lumen, lm) oder die Lichtstärke (Candela, cd), die Spannung sowie den Farbort bei Nennstrom. Auch farbige LEDs werden mit selektierten spektralen Toleranzen angeboten. Informationen darüber, welchem „Bin“ (Selektionsgrad) welche Eigenschaften zugewiesen sind, kann man den Datenblättern der Hersteller entnehmen.
Integrierte Stromversorgung mini|Zerlegtes Exemplar mit Versorgungsplatine, Kühlkörper und Edisonsockel mini|hochkant|Leiterplatte mit miniaturisiertem Schaltnetzteil aus einem LED-Lampensockel mini|Innenleben einer E27-LED-Filamentlampe