Technologie im Überblick

Eigenschaften von LED-Leuchten

  • Lebensdauer von 30.000 bis zu 100.000 Stunden
  • Energetisches Einsparpotential von bis zu 90% (analog zur CO²-Ersparnis)
  • Geringere Kosten durch verlängerte Wartungszyklen
  • Erhöhte Sicherheit durch stark verminderte Ausfallzeiten
  • Amortisationen der Anschaffungsinvestitionen unter einem Jahr möglich
  • Hohe Leistungsfähigkeit ohne ultraviolette und Infrarotstrahlung
  • Keine Blei- und Quecksilber-Belastung
  • Dimmung und Veränderbarkeit der Farbtemperaturen
  • Lichtlenkung durch optische Systeme: Zwischen 30% – 90% bessere Lichtausbeute in der Flächenwirkung
  • Einfache und schnelle Installation durch ausgeklügelte Retrofit-Systeme

Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, kurz LED für Light Emitting Diode beziehungsweise lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab.

Hochleistungs-LEDs (H-LED) werden mit höheren Strömen betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrücken. Die Wärme kann über die Stromzuleitungen, die Reflektorwanne oder in den LED-Körper eingearbeitete Wärmeleiter abgeführt werden.

Der prinzipielle Aufbau einer LED entspricht dem einer pn-Halbleiterdiode, LEDs besitzen daher die gleichen Grundeigenschaften wie diese. Ein großer Unterschied besteht in dem verwendeten Halbleitermaterial. Während nichtleuchtende Dioden aus Silizium, seltener aus Germanium oder Selen hergestellt sind, ist das Ausgangsmaterial für LEDs ein sogenannter III-V-Halbleiter, meist eine Galliumverbindung.

Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, wandern Elektronen zur Rekombinationsschicht am p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln. Sie rekombinieren mit den dort vorhandenen Löchern. III-V-Halbleiter zeichnen sich dabei durch einen direkten Bandübergang aus, das bedeutet, dass die Elektronen auf direktem Wege vom Leitungsband in das Valenzband wechseln können. Bei diesem Übergang kann Licht ausgesendet werden. Ein weiterer Ursprung von Photonen besteht in einer plasmonisch-polaronischen Wechselwirkung, die durch einen spinfreien Übergang direkt zur Emission eines Auger-Photoelektrons führt. Dieser Mechanismus spielt insbesondere bei exzitonischer Emission in grünen Galliumphosphid-Leuchtdioden eine Rolle. Bei indirekten Halbleitern wie z. B. Silizium erfolgt der Wechsel der Elektronen vom Leitungs- in das Valenzband hingegen indirekt, der Impuls der Elektronen wird durch das Kristallgitter aufgenommen und verursacht eine Gitterschwingung (Phononenanregung). Dadurch steht keine Energie für die Aussendung von Licht zur Verfügung.

Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt das Verhalten der Energieübertragung.

Die Farbe des ausgesandten Lichtes lässt sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. Beispielsweise hat der Halbleiter Galliumarsenid einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm, entsprechend infrarotem Licht. Eine Zugabe von Phosphor vergrößert ihn, dadurch wird auch das ausgesendete Licht energiereicher, die Wellenlänge nimmt ab, die Farbe geht von Infrarot zu Rot und Gelb über.

Durch die Zunahme von Phosphor im Kristall verformt sich jedoch auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50 % der Arsen-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand zwar bei fast 2 eV, was einer Strahlung von 650 nm (Rot) entspricht, dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt.

Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb sind sie beim Einsatz als Signallicht besonders effizient im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern.

Lange Zeit konnten LEDs nicht für alle Farben des sichtbaren Spektrums hergestellt werden. Der Einsatz grüner LEDs war z.B. für Verkehrsampeln wegen der fehlenden Technologie für die geforderte blaugrüne Lichtfarbe nicht möglich. Blaue LEDs gibt es erst seit wenigen Jahren.

Das Licht weißer LEDs wird erreicht, indem vor blaue LEDs farbtonändernde Leuchtstoffe montiert werden. Sie besitzen neben dem breiten Spektralbereich des Leuchtstoffes daher einen schmalbandigeren blauen Lichtanteil.

Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie (siehe unten), die unter anderem auch von der Temperatur abhängt. Der Lichtstrom ist nahezu proportional zum Betriebsstrom. Die Flussspannung stellt sich durch Betrieb an Konstantstrom ein, besitzt Exemplarstreuungen und ist temperaturabhängig – sie sinkt mit steigender Temperatur wie bei allen Halbleiterdioden ab. Die Versorgung über eine Konstantstromquelle (häufig in Form eines Vorwiderstandes) ist daher zwingend. Direkter Betrieb an einer Spannungsquelle ist nicht möglich, da der Arbeitspunkt nicht ausreichend genau eingestellt werden kann. Manche Batterie-Leuchten betreiben LEDs direkt an Primärzellen – hier verlässt man sich auf einen ausreichend hohen Innenwiderstand der Batterien.

Die maximal zulässige Stromaufnahme von LEDs reicht von 2 mA (beispielsweise bei miniaturisierten SMD-LEDs oder Low-current-LEDs) über 20 mA (Standard-LEDs) bis über 18 A (Stand Juni 2008) bei Hochleistungs-LEDs. Die Flussspannung Vf (für englisch forward voltage) hängt von der Lichtfarbe ab und liegt zwischen 1,3 V (Infrarot-LED) und etwa 4 V (InGaN-LED, grün, blau, weiß, Ultraviolett). Die maximal zulässige Sperrspannung beträgt in der Regel nur 5 Volt.

LEDs lassen sich über den Betriebsstrom sehr schnell schalten und modulieren. Die hohe Modulationsgeschwindigkeit von LEDs ist beim Einsatz in der Optoelektronik (Optokoppler, Datenübertragung über Lichtleiter bzw- Kabel aus Kunststoffen oder Glasfasern sowie Freifeld-Infrarotstrahlung) wichtig. LEDs können bis weit über 100 MHz moduliert werden.

Leuchtdioden werden meist mit Plastik beziehungsweise Kunstharz verkappt. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Metallgehäuse, meistens aus Aluminium, dienen hauptsächlich zur Wärmeableitung. Der Kunststoffkörper ist oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Kristall, setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion herab und bündelt somit die austretende Strahlungsleistung auf einen kleineren Raumwinkel. Da Glas in der Regel eine höhere Brechzahl als Plastik und Kunstharz besitzt, kann durch den Einsatz von Glaslinsen die Strahlung der LED noch stärker gebündelt werden.


Nachteile der bestehenden Straßenbeleuchtungen

  • Überalterung der Straßenleuchten: jede dritte deutsche Straßenleuchte ist älter als zwanzig Jahre
  • Geringe Effizienz: Eingesetzte Lampen verfügen lediglich über geringe eine Lichtausbeute
  • Hoher Maintenance-Aufwand durch kurze Brenndauern bestehender Techniken
  • Lichtverschmutzung: Straßenlaternen ziehen oft aufgrund ihrer Lichttemperatur (Farbe) und der den nach oben gerichteten Lichtabgabe Insekten an (Archiv Naturschutz heute)
  • Entsorgungsproblem aufgrund hochgiftigen Quecksilbers in einem Großteil der bestehenden Lampen
  • Umweltschädlich wegen hohen Stromverbrauchs und der damit verbundenen CO²-Entstehung

FAZIT: In Deutschland werden jährlich ca. 4 Mrd. kWh Strom verbraucht, das bedeutet Kosten von 760 Mio. Euro. Auch im Bezug auf die Umweltbelastung ergeben sich aus der bestehenden Straßenbeleuchtung gravierende Nachteile.


Vorteile von LED-Straßenbeleuchtung

Strom- und Kostenersparnis

  • Hohe Einsparung durch geringen Stromverbrauch
  • Lebensdauer von 50.000h
  • Geringe Betriebs- und Wartungskosten
  • Einfache Erstmontage
  • Geringe Störanfälligkeit, stabil gegen Vandalismus
  • Schnelle Amortisierung der Anschaffungskosten durch Energieeinsparung
  • Vorhandene Masten können weiter verwendet werden

FAZIT: Eine LED-Straßenleuchte ist eine Resourcen- und Umwelt-schonende Investition in die Zukunft, die sich bereits im zweiten Jahr amortisieren kann und auf eine Laufzeit von 10 Jahren gerechnet bis zu 80% Energie einsparen helfen kann. Der CO²-Ausstoß würde in der gleichen Zeit analog um 80% sinken.


Verantwortlich handeln, nachhaltig wirtschaften – Beispiel Straßenbeleuchtung

In Europa sind Quecksilberdampflampen und Natriumdampflampen in der Straßenbeleuchtung weit verbreitet. Genau wie Metallhalogenidlampen sind sie einer aktuellen Studie der University of Pittsburgh zufolge zwar günstiger in der Anschaffung als LEDs, doch sonst klar unterlegen. Denn auch diese Studie kommt zum Ergebnis: LEDs haben einen um die Hälfte geringeren Stromverbrauch, eine bis zu fünfmal höhere Lebensdauer und geben mehr Licht. Das unterstreicht auch eine Schätzung, nach der die Stadt Pittsburgh durch Umstellung von Natriumdampf- auf LED-Lampen jährlich eine Mio. Dollar an Stromkosten und 700.000 Dollar an Wartungskosten sparen könne.

Gemeinden wie das oberbayerische Warngau gehen nach einer Testphase mit LED-Straßenleuchten von LUNATO verantwortungsvoll in die Zukunft. Investitionsentscheidungen solcher Gemeinderäte folgen den Grundanforderungen Energieeffizienz und Nachhaltigkeit. Täglich folgen weitere Gemeinden, die die Zeichen der Zeit erkannt haben und auf zukunftsfähige Technologien umschalten, müssen doch bis 2015 die alten Quecksilberdampflampen gemäß EU-Gesetzgebung aus dem Ortsbild verschwunden sein. In Zukunft wird es also nur mehr Natriumdampflampen oder LED-Leuchten geben, wobei LED-Leuchten eine Stromersparnis von 50 bis 75 Prozent bringen und dabei eine weitaus bessere Ausleuchtung als ihre technologischen Mitbewerber bringen. In Zukunft wird es also nur mehr Natriumdampflampen oder LED-Leuchten geben, wobei LED-Leuchten eine Stromersparnis von 50 bis 75 Prozent bringen und dabei heute die weitaus besten Ausleuchtungswerte haben. Der Kurs der Bundesregierung unterstreicht dies: Es werden mittlerweile nur noch solche Gemeinden bei der Umstellung gefördert, die LED-Beleuchtung zum Einsatz bringen. „Es leuchtet ein“, sagte daher etwa Bürgermeister Klaus Thurnhuber aus der Gemeinde Warngau bei der LED-Präsentation und fand lobende Worte: „Vorreiter in der Klimapolitik sind gefragt und das geht immer noch in der Kommunalpolitik am besten.“ Die Gemeinde Warngau nahm bereits im Frühjahr 2009 LED-Straßenlampen in Betrieb. „Fortschrittsverhinderer wird es immer geben. Aber heute geht es um Lösungen, die Kosten sparen und unsere Umwelt schonen. Wir sanieren gerade eine Straße, da passt es mit den neuen LED-Leuchten ausgezeichnet“, sagt der Bürgermeister.


Vorteile des Technologiewechsels

Die seit einigen Jahren „modernste“ eingesetzte Beleuchtungstechnik im Straßenbereich ist die Natriumdampf-Lampe. Selbst diese Technik empfehlen wir im Rahmen der Modernisierung der Belechtung in der Kommune zu ersetzen, weil die Vorteile (Stromersparnis, Klima-Schutz, etc.). eindeutig auf der Hand liegen.

Das Vorgehen ist hierbei:

1.) Der Austausch eines kompletten Lampenkopfes, Montageaufwand ca. 10 Minuten
2.) Angenommene Brennzeit: 4.200 Stunden/Jahr

FAZIT: Stromverbrauch LED liegt 2/3 unter dem der Natriumdampflampe. Die Strom-Ersparnis pro Lampe/Jahr kann einige hundert Euro betragen. Da davon auszugehen ist, dass die Strompreise schon mittelfristig wieder ansteigen, sind – je nach derzeit in der Gemeinde eingesetzten Technik – kurze Amortisationszeiten von wenigen Jahren realistisch.