LED-Licht: Von der Innovation zum Stand der Technik (1)

Grundlagen des Lichts

Die Kenntnis der physikalischen Grundlagen des Lichts an sich wird hier vorausgesetzt bzw. wurden diese in einschlägiger Fachliteratur sowie im ep beschrieben [3]; daher sollen hier nur kurz noch einmal die wichtigsten Eckpunkte zusammengefasst werden. Es gibt heute drei praktizierte Arten der Erzeugung künstlichen Lichts:

1. Bei Temperaturstrahlern wird irgendetwas, das sich dafür eignet, auf eine so hohe Temperatur erwärmt, dass es sehr hell glüht. Als Material wurden in den ersten elektrischen Lampen Kohlefäden eingesetzt; heute ist es das Metall Wolfram. Die Methode funktioniert jedoch nicht nur elektrisch; Kerzen, Fackeln, Petroleumlampen und Gaslaternen arbeiten auch nach diesem Prinzip – allerdings noch weitaus weniger effizient als die elektrische Glühlampe.

2. Gute Lichtausbeuten bietet die Gas-Entladung. Dabei werden bestimmte Atome in einen angeregten Zustand versetzt: Ein Elektron wird auf eine höhere Umlaufbahn gehoben. Wenn es wieder herunterfällt, entsteht ein Strahlungsquant. Hohe Temperaturen können dabei zwar auftreten, haben aber nicht direkt mit dem Funktionsprinzip etwas zu tun und bedeuten auch nicht notwendiger Weise einen schlechten Wirkungsgrad, da diese hohen Temperaturen nur sehr punktuell auftreten und in erster Linie mit schlechter Wärme-Abfuhr zu tun haben.

3. Neu ist die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung durch Halbleiter. Von dieser Art Lichtquelle soll hier die Rede sein. Hohe Temperaturen dürfen hierbei überhaupt nicht auftreten, da Halbleiter hiergegen empfindlich sind. So entsteht in gewissem Umfang eine Art „interner Zwang zur Energie-Effizienz“.

Der Wirkungsgrad heißt bei elektrischen Lichtquellen „Lichtausbeute“, weil die Wirkung auf den Menschen von der Farbe (Wellenlänge/ Frequenz) der Strahlung abhängt. Die für verschiedene Farben unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges ist in der Einheit Lumen [lm] für den Lichtstrom (die Lichtleistung) bereits eingearbeitet. Hieraus folgt:

• Bei monochromatischem hellgrünem Licht mit einer Wellenlänge von λ = 555 nm (f = 540 THz), bei der das menschliche Auge die höchste Empfindlichkeit aufweist, entspricht eine Lichtausbeute von 683 lm/W einem Wirkungsgrad von 100 %.
• Bei „idealem“ weißem Licht (das alle sichtbaren Wellenlängen von 384 nm bis 789 nm bzw. Frequenzen von 380 THz bis 780 THz zu gleichen Teilen enthält) entspricht eine Lichtausbeute von 182 lm/W einem Wirkungsgrad von 100 %.
• Bei Sonnenlicht (das etwas mehr Grün als andere Farben enthält) entspricht eine Lichtausbeute von 198 lm/W einem Wirkungsgrad von 100 %.
• Wer also eine weiße Lampe mit einer Lichtausbeute von 200 lm/W oder noch mehr anbietet,

• mogelt entweder bei der „weißen“ Lichtfarbe, die mehr Grün und weniger Gelb, Rot und Blau enthält als einer „weißen“ Lampe gut täte
• oder hat das „Perpetuum Lumile“ erfunden, das im Betrieb eiskalt wird, weil es Wärme aus der Umgebung ansaugt und in Licht umwandelt

Die Physik verweist die zweite Möglichkeit in das Reich der Fabel; die typischen Eigenschaften von Märkten lassen ebenfalls die erste als zumindest die wahrscheinlichere erscheinen.

Optische Eigenschaften 
der LED

Leuchtdioden sind vom Prinzip her auch Leuchtstofflampen [3]. Zur Quantifizierung der Qualität des Lichtes, wenn man das so sagen kann, dient der Farbwiedergabe-Index. Dessen Herleitung und Definition sind kompliziert genug, um dahinter allerhand zu verstecken:

Eine Lichtquelle, die das genormte Spektrum genau nachmachen kann, erreicht rechnerisch die beste Farbwiedergabe; eine mit einer vollkommen „glatten“ Verteilung der Wellenlängen dagegen nicht. Eine solche, die exakt das Sonnenlicht nachmachen könnte, würde es ebenso wenig schaffen. Gerade an dieses – zwar nicht „ideale“, aber normativ so festgelegte – Referenzspektrum kommt man mit LED besonders nahe heran, und natürlich wird davon Gebrauch gemacht.