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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
LED-Licht: Von der Innovation zum Stand der Technik (2)

Die Effizienz-Debatte ist „durch“. Nachdem wir es geschafft haben, dass sich nur noch effiziente Leuchtmittel und Beleuchtungstechniken auf dem Markt 
befinden – ob nun durch Mode, auf Grund von EU-Verordnungen oder doch 
tatsächlich aus Vernunft – kann man sich endlich den anderen (grundlegenden) 
Eigenschaften des Lichts zuwenden.

Bild 1 Im montierten Zustand nicht sichtbar... (Quelle: S. Fassbinder)

Bild 2 ... aber im eingeschalteten Zustand leider hörbar: LED-Leuchten mit eingebauten Lüftern (Quelle: S. Fassbinder)

Bild 3 Zumeist passen die Stiftsockel-LED in vorhandene Leuchten... (Quelle: S. Fassbinder)

Wie jede Diode weist die LED in Durchlassrichtung eine exponentielle Kennlinie auf. Dies bedeutet, dass statt des ohmschen Gesetzes mit linearem (proportionalem) Zusammenhang zwischen Spannung und Strom ein exponentieller besteht. Dies hat tief greifende Konsequenzen für den Betrieb.

Grundlagen

So errechnet sich der Diodenstrom ID abhängig von der Spannung UD an der Diode und der (absoluten) Temperatur T an der Sperrschicht nach der so genannten Shockley-Gleichung:

 

[5]

Darin ist

n der Emissions-Koeffizient, praktisch ein Korrekturfaktor für die einzelne Diode;

UT = kT/q die Temperaturspannung mit:

k = 1,38 × 10-23 J/K die Boltzmann-Konstante (Naturkonstante);

q = 1,6 × 10-19 As die Elementarladung (Naturkonstante; die Ladung eines Elektrons);

T die absolute Temperatur der Sperrschicht im Moment der Messung [K];

IS der Sättigungs-Sperrstrom einer Diode.

Hiermit lässt sich die Formel zusammenfassend auch folgendermaßen schreiben:

So wird sie aber in der Literatur nicht angegeben – warum auch immer. Das ist schlecht, denn so wie oben stehend fiele sofort auf, dass die Temperatur im Nenner des Exponenten steht und das exponentielle Anwachsen des Stroms mit steigender Temperatur dämpft.

Da wundert sich der Praktiker, der schon viele „thermische Durchbrüche“ leidvoll beobachten durfte, bei denen durchweg die Leitfähigkeit von Halbleiter-Bauteilen mit zunehmender Temperatur rapide zunimmt und zur lawinenartigen Zerstörung der Halbleiter führt. Nach langem Suchen findet sich dann die ganze Wahrheit:

Auch der Sättigungs-Sperrstrom IS ist – in diesem Zusammenhang leider meist unerwähnt – keine Konstante, sondern von der Temperatur abhängig!

Diese Abhängigkeit lässt sich mit praxistauglicher Genauigkeit mathematisch beschreiben: Der Sättigungs-Sperrstrom IS verdoppelt sich näherungsweise je 10 K Temperatur-Erhöhung.

Nun kann man mit dessen Startwert (von 
z. B. 20 °C) und dem Emissions-Koeffizienten n so lange jonglieren, bis sich eine Kurve ergibt, die wenigstens in grober Näherung einer praktischen Messung entspricht. Hierfür wurde eine LED zwei Mal mit zwei Reihen jeweils gleicher Stromwerte gemessen:

  • Ein Mal einzeln auf ein großes Kühlblech montiert, das auch für 100 LED ausgereicht hätte. Die an der Oberfläche gemessene Temperatur stieg dabei lediglich von 18 °C auf 23 °C
  • Ein Mal ohne jede Kühlvorrichtung, „gekühlt“ allenfalls durch einen Temperatursensor. Die an der Oberfläche gemessene Temperatur stieg dabei bis auf 98 °C an.

Bei der Auswertung fällt auf:

  • Die Kurven für Strom und Leistung verlaufen nahezu gleich – was logisch ist, da die Spannung an der Diode sich mit dem Strom nur unwesentlich verändert.
  • Die Mess- und Rechenwerte für den warmen Betriebszustand stimmen ziemlich gut überein.
  • Die Messwerte für den kalten Betriebszustand divergieren hiervon mit steigender Spannung/steigendem Strom, d. h., die Diskrepanz zwischen warm und kalt ist in der Messung wesentlich größer als in der Rechnung. Es sieht so aus, als sei in dem Rechenverfahren die Erwärmung der Diode bereits berücksichtigt: Die Kurven für Strom und Leistung steigen beide Male steil an, gekühlt und ungekühlt. In der Messung ist die Steigung gekühlt wesentlich weniger steil.

Dieser letztgenannte Befund ist im Prinzip unbefriedigend, jedoch für die nachfolgenden Betrachtungen von untergeordneter Bedeutung, da die LED sich im Betrieb stets erwärmt und der warme Betrieb den kritischen darstellt. Eine Abschätzung nach der vorliegenden Theorie wird also immer auf der sicheren Seite liegen.

Innerhalb des im praktischen Betrieb genutzten Bereichs führen also sehr kleine Veränderungen der angelegten Spannung bereits zu extrem großen Veränderungen beim Strom. Dies macht irgendeine Form von Strombegrenzung erforderlich. Das LED-Leuchtmittel muss über ein irgendwie geartetes Betriebsgerät verfügen, das den Wechselstrom nicht nur gleichrichtet, sondern auch das als Spannungsquelle aufgebaute Netz in eine Stromquelle umwandelt. Um eben dies soll es nachfolgend gehen.

LED-Lampen für 
Kleinspannung (meist 12 V)

Die Fülle angebotener LED-Leuchtmittel ist mittlerweile unüberschaubar. Endlich geht es auch den unsäglichen „Halogen-Spots“ an den Kragen. Da es sich bei Halogen-Glühlampen, wie sie richtig heißen und wie dieser Name schon sagt, um Glühlampen handelt, waren deren Lichtausbeuten niemals nennenswert besser als jene gewöhnlicher Allgebrauchs-Glühlampen.

Die impertinente Mode, überall Strahler einzusetzen – auch dort, wo man gar kein gerichtetes Licht gebrauchen konnte – führte dazu, dass die Lichtbündel gegen irgendwelche (hoffentlich) weißen Wände gerichtet wurden, von wo dann (hoffentlich) das meiste Licht reflektiert wurde und sich einigermaßen gleichmäßig im Raum verteilte. Im Endeffekt war diese Form der Beleuchtung sogar weniger effizient als der Einsatz konventioneller Leuchten mit konventionellen Glühlampen an diesen Stellen gewesen wäre. Erschwerend kam hinzu, dass sich diese Mode auch im gewerblichen Raum – Büroschreibtische, Verkaufsflächen und Hotels – ausbreitete, wo der Einsatz von Glühlampen ansonsten völlig unüblich war. Zum Teil befinden sie sich dort noch immer im Einsatz – eingeführt, weil es als schick galt und für energieeffizient gehalten wurde. Die Unfähigkeit des Stromzählers, Verbräuche räumlich und zeitlich zuzuordnen, und die Unfähigkeit der KLL, die kleinen Strahler zu ersetzen, zogen diese Mode zeitlich in die Länge. Zwischenlösungen mit LED-Lampen, deren Licht man nicht nur sehen konnte, sondern sich leider auch anhören musste [6], konnten sich natürlich nicht durchsetzen und sind mittlerweile wieder vom Markt verschwunden. Auch die vollmundige Umbenennung der dort eingebauten Lüfter in „Aktiv-Kühlkörper“ konnte diesen zum Glück nicht den Kragen retten (siehe die Bilder 1 und 2).

Nun endlich sind Leuchtmittel verfügbar, die es u. a. auch ermöglichen, die vorhandenen Systeme auf sehr effiziente Lichtquellen umzurüsten. Die kompletten Leuchtmittel mit integrierten Reflektoren lassen sich jetzt durch LED-Lampen ersetzen. So kostete die Umrüstung von 17 Strahlern zu je 35 W auf LED-Lampen von je 7 W in einem zum Arbeitszimmer ausgebauten Kellerraum zwar etwa 50 €, spart dort jedoch auch jedes Jahr rund 50 €. Gleichzeitig erscheint der Raum nach Eindruck der Bewohner – ohne dass ein objektiver Messwert vorläge – deutlich heller als zuvor (dazu in einem folgenden Teil später noch mehr). Über die Energie-Einsparung hinaus werden in solchen Fällen die unter Umständen zerstörerischen Auswirkungen hoher Temperaturen zwangsweise vermieden.

Auch die einzelnen steckbaren kleinen „Birnchen“ lassen sich nun durch LED-Lämpchen ersetzen. Die LED-Lämpchen mit GU4- oder GU5,3-Stiftsockel sind dabei nicht wesentlich größer als die Halogenglühlampen, die sie ersetzen sollen – etwas größer aber eben doch, sodass man auf die Abmessungen achten und im Einzelfall prüfen muss, ob der Ersatz (z. B. in Bild 3) gelingen wird. Hier nämlich passt das LED-Leuchtmittel 1 W nicht als Ersatz für die Halogenglühlampe 
5 W in das dekorative Glasrohr.

Autor: S. Fassbinder

Literatur:

[5] www.krucker.ch/Skripten-Uebungen/AnSys/ELA4-D.pdf und viele andere Fundstellen, wenn man im Internet nach „LED“ und „Temperaturspannung“ sucht.

[6] Fassbinder, S.: „Ersatz von Halogenspots durch LED-Leuchtmittel.“ Elektropraktiker, Berlin 64 (2010) 11, S. 938.

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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