LED ist die Abkürzung für Light Emitting Diode, das heißt Licht aussendende Diode. So eine Diode kann man auch Lumineszenzdiode nennen. Lumineszenz kommt von dem lateinischen Wort "Lumen", das Licht. Das Wort Lumineszenz wird von den Physikern aber nur beim Leuchten kalter Körper verwendet. Eine Lumineszenzdiode ist eine Halbleiterdiode, die in Durchlaßrichtung betrieben wird. Der Halbleiter der Diode besteht aus einer Verbindung der Elemente Gallium, Arsen und Phosphor (z. B. Galliumarsenidphosphid, Galliumarsenid, Galliumphosphid). Wird an die Diode eine Spannung angelegt, so sendet die Sperrschicht der Diode Licht aus.

Eine der ersten LED-Straßenleuchten. Gebaut von der Firma HESS

Wie ist nun die Wirkungsweise der Diode? Sie ist einfach umgekehrt wie die Wirkungsweise beim Fotoelement.
Im Fotoelement befindet sich z. B. eine Selenschicht auf einer Grundplatte. Auf der Selenschicht ist eine durchsichtige Deckschicht. Die Selenschicht wird von der Deckschicht durch eine Sperrschicht getrennt. Diese Sperrschicht läßt die Elektronen nur in einer Richtung durch. Wird also das Fotoelement beleuchtet, so entstehen in der Selenschicht freie Elektronen, die von der einen Seite der Sperrschicht auf die andere gedrückt werden. Da die Elektronen nicht mehr zurück können, ist jetzt an der Deckschicht Elektronenüberschuß und in der Selenschicht Elektronenmangel. Die Selenschicht, und damit die Grundplatte, wird zum positiven Pol, die Deckschicht zum negativen. Beim Fotoelement wird durch das Licht Spannung erzeugt.
Weil eine Sperrschicht den elektropositiven Leiter (P-Leiter) vom elektronegativen Leiter (N-Leiter) trennt, spricht man bei der Sperrschicht auch von einem PN-Übergang. Die Sperrschichtbreite nimmt beim Anlegen der Spannung ab, wenn der Pluspol am P-Leiter und der Minuspol am N-Leiter liegen. Diese Richtung der Polung nennt man Durchlaßrichtung.
Ist der PN-Übergang in Durchlaßrichtung gepolt, so fließt ein Durchlaßstrom. Der Widerstand am PN-Übergang ist jetzt klein. Legt man jedoch den Pluspol einer Spannung an den N-Leiter und den Minuspol an den P-Leiter, dann werden die negativen Ladungsträger zum Pluspol und die positiven Ladungsträger zum Minuspol hingezogen. Dadurch wird die Sperrschicht vergrößert. Der Widerstand am PN-Übergang ist jetzt sehr groß. Ein kleiner Strom fließt nun in Sperrichtung. Die Sperrschicht ist dennoch sehr dünn. Sie beträgt nur einige Mycrometer.
Eine LED wird, wie bereits oben erwähnt, in Durchlaßrichtung betrieben. Die Strahlung tritt dann auf, wenn negative Ladung auf positive trifft, d. h., wenn ein Durchlaßstrom fließt. Bei diesem Vorgang wird Energie frei, und ein Teil dieser Energie wird in Licht umgewandelt. Ob die Strahlung im unsichtbaren Infrarotbereich oder im sichtbaren Bereich liegt, hängt ganz von den verwendeten Halbleitern ab. Bisher gab es Dioden, die jeweils verschiedene Farben ausstrahlen konnten, nämlich Infrarot, Rot, Gelb und Grün. Die Farbe des Lichts ist vom Werkstoff abhängig. Soll die Diode z. B. rotes Licht aussenden, so wird auf ein Grundplättchen aus Galliumarsenid eine Epitaxialschicht aus Galliumarsenidphosphid aufgebracht. Eine Epitaxialschicht ist eine hochohmige Schicht, die auf eine sehr niederohmige, Elektronen leitende Schicht (N-Schicht) aufgetragen wird.
Es gibt auch eine Leuchtdiode, die wahlweise rotes, grünes und als Mischfarbe gelbes Licht aussendet (emittiert). Sie wurde von Physikern der Siemens AG entwickelt. Diese LED besteht jedoch eigentlich aus zwei verschiedenen gegeneinander geschalteten Dioden. Die Diode hat also drei Anschlüsse. Es ist möglich, wahlweise grünes oder rotes Licht aufleuchten zu lassen. Durch die additive Farbmischung erhält man dann aus Rot und Grün die Farbe Gelb. (Auch beim Farbfernsehempfänger erhält man z.B. aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau durch additives Mischen alle Farbarten.) Ändert man den Strom in den einzelnen Dioden, so kann man sogar alle Zwischentöne von Grüngelb bis Rotgelb erzielen.

Verschiedene Bautechniken

Verschiedene Lichttechniken

Typen von LEDs:

Bedrahtete LEDs (bzw. radiale LEDs) waren die ersten auf dem Markt erhältlichen LEDs. Im Vergleich zu der heutigen Technik waren die damaligen Chips nicht sehr leistungsfähig. Durch eine Kunststoffhülle geschützt, werden sie bis heute für einfache Signalanzeigen oder für Lichtlösungen im unteren Preissegment eingesetzt.

COB-LEDs (Chip on Board) sind unverkapselte LED-Chips, die direkt auf eine Leiterplatte verklebt und über so genannte Bond-Drähte kontaktiert sind. Sie werden für leistungsstarke, eng bepackte LED-Module eingesetzt.

SMD-LEDs (Surface Mounted Devices) sind sehr kleine Produkte aus industrieller Massenfertigung. Sie werden direkt auf die Leiterplatte geklebt, im Lötbad kontaktiert und verkapselt. Mit einer geeigneten Hülle werden diese LED-Bänder auch in wasserdichter Form angeboten.

LED-Module erlauben ganz neue Designlösungen. In der eingegossenen Variante benötigen sie kein Gehäuse und können z. B. direkt in Boden- oder Deckenkanäle eingesetzt werden. Auch findet man heute LED-Module für den Leuchtenbau.  Diese Module erlauben ein leichtes Austauschen der LEDs bei Defekt oder Technologieverbesserung. Zu unterscheiden sind lineare, flexible und flächige LED Module sowie LED-Ketten.

Retrofit LED-Module gibt es mit Steck- oder Schraubsockel. In den Varianten E14 und E27 mit klassischer Birnenform ersetzen sie die konventionellen Glühlampen und sind mit ihrem warmweißen oder farbigen Licht energiesparende Alternativen im Privatbereich oder im Büro. Allerdings sind diese Module nicht so effizient wie originäre LED-Leuchten, aber immer noch weit besser als Glüh- und Halogenlampe.

LED-Leuchten sind als relativ insektenfreundlich zu betrachten. Das Licht der LED strahlt fast nicht in den Frequenzbereich, für die Insektenaugen besonders empfindlich sind. Das Licht der weißen LED ist zwar nicht als monogrom zu betrachten, da es noch weitere Anteile aus dem sichtbaren Spektrum des Lichtes beinhaltet, doch der Spektralbereich, der Insekten besonders stark anlockt (UV unter 380nm Wellenlänge) wird von weißen LED nicht ausgestahlt. Dies belegt auch die Studie "Anlockwirkung moderner Leuchtmittel auf nachtaktive Insekten" Ergebnisse einer Feldstudie in Tirol vom Tiroler Landesumweltanwaltschaft & Tiroler Landesmuseen Betriebsgesellschaft m.b.H. aus dem Dezember 2010. Dabei weisen Keramikbrennerlampen die höchste Anlockwirkung auf, gefolgt von den Metall-Halogendampflampen. Natriumdampfhochdrucklicht ist sehr gut, aber LED hat mit Abstand die geringste Anlockwirkung. Erstaunlich ist, dass bei dieser Studie die warmweißen LED eine geringere Anlockwirkung aufwiesen als kaltweiße LED.
Weitere Studien u.a. von der Universität Mainz und der Hochschule Darmstadt werden zur Zeit erarbeitet.

Zudem verursachen Leuchtdioden weniger Streulicht in die Umgebung und bleiben somit auch für viele Insekten unsichtbar.

Leider werden zu oft bei der Angabe der Lichtausbeute bei LED-Systemen falsche Werte genannt. Meist aus Unwissenheit, aber oft auch aus der Absicht heraus, das eigene LED-System in ein besseres Licht zu rücken. Grundlage all unserer Betrachtung sollte die Systemlichtausbeute eines Gesamtsystems (Lampe (LED)-Leuchte) sein.

Beispielrechnung:

Natürlich können die Werte von Fabrikat zu Fabrikat unterschiedlich sein. Das Beispiel soll lediglich aufzeigen, nach welcher Systematik sich die Systemlichtausbeute aufbaut und wie unterschiedlich die LED-Lichtausbeute zur Systemlichtausbeute ist. Bitte erörtern sie mit Ihrem Lieferanten nach dieser Systematik, wie hoch die tatsächliche Systemlichtausbeute bei ihrem gewählten Produkt ist. 

 Die Beispielrechnung zeigt, dass Angaben über Lichtausbeuten sehr kritisch zu betrachten sind. LED-Straßenleuchten mit einer Systemlichtausbeute von ca. 110 lm/W sind nach dem heutigen Entwicklungsstand innovative Produkte. Versprechungen von 180 lm/W und mehr, sind für ein LED-Gesamtsystem kaum machbar. Natürlich werden im Labor bereits Werte von mehr als 200 lm/W erreicht. Solche Versuchsanordnungen haben jedoch nichts mit der Praxis in der Straßenbeleuchtung zu tun und beziehen sich natürlich nur auf eine reine LED-Lichtausbeute, keine Systemwerte. Auch sind Laborwerte nur für eine kurze Einschaltdauer ermittelt. Leider tendieren viele, auch renommierte Hersteller dazu, die LED-Lichtausbeute in Ihren Katalog- und Prospektunterlagen zu nennen. Dies wird damit begründet, dass man im Vergleich zu unehrlichen Firmen nicht schlechter dastehen möchte. Aus unserer Sicht eine Entwicklung, die dem Endnutzer nicht hilft und weiter die Unsicherheit schürt.

Fragen Sie vor dem Kauf von LED-Produkten direkt nach der Gesamtsystemleistung oder noch besser: Unterziehen sie das LED-Produkt einer Leistungsmessung und vergleichen sie ihr Ergebnis mit den Herstellerangaben. Bei dem ein oder anderen Produkt werden sie vielleicht überrascht sein.