LED-Technologie hat in den letzten Jahren den Beleuchtungssektor revolutioniert. Von Haushaltsbeleuchtung bis hin zu industriellen Anwendungen – LEDs sind heute überall zu finden. Doch wie funktionieren diese kleinen Lichtquellen eigentlich? In diesem Artikel tauchen wir tief in die Welt der LED-Chips ein und erklären alle wichtigen technischen Parameter sowie Anwendungsmöglichkeiten.
Was genau ist ein LED-Chip?
Ein LED-Chip ist im Grunde genommen eine lichtemittierende Diode, die Licht emittiert, wenn sie mit einer bestimmten Spannung und einem bestimmten Strom belastet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Glühlampen, die Energie in Form von Wärme abgeben und dabei Licht erzeugen, wandeln LEDs elektrische Energie direkt in Licht um. Diese Effizienz macht sie zu einer der energiesparendsten Beleuchtungstechnologien auf dem Markt.
Die grundlegende Funktionsweise basiert auf der Halbleitertechnologie. Wenn Strom durch den Halbleiter fließt, werden Elektronen freigesetzt, die beim Übergang zwischen verschiedenen Energiezuständen Licht emittieren. Dieses physikalische Phänomen wird als Elektrolumineszenz bezeichnet.
Spannung und Strom bei LED-Chips
Die elektrischen Eigenschaften von LED-Chips sind entscheidend für ihre Funktionsweise und Anwendungsbereiche. Die Spannung von LED-Chips kann bei unterschiedlichen Modellen verschieden ausfallen, doch im Allgemeinen beträgt die Spannung eines einzelnen LED-Chips etwa 3V und der Strom 30mA. Diese Werte variieren je nach:
- Halbleitermaterial (z.B. Galliumnitrid, Galliumphosphid)
- Farbe des emittierten Lichts
- Leistungsklasse des Chips
- Herstellungsprozess
| LED-Farbe | Typische Spannung (V) | Wellenlängenbereich (nm) | Halbleitermaterial |
|---|---|---|---|
| Infrarot | 1,6-2,0 | 850-940 | GaAs, AlGaAs |
| Rot | 1,8-2,2 | 620-645 | AlGaInP |
| Orange | 2,0-2,4 | 590-620 | AlGaInP, GaAsP |
| Gelb | 2,1-2,5 | 565-590 | AlGaInP, GaAsP |
| Grün | 2,5-3,5 | 520-565 | InGaN, GaP |
| Blau | 2,8-3,8 | 460-490 | InGaN, SiC |
| Weiß | 3,0-3,7 | Breitband | InGaN + Phosphor |
| UV | 3,1-4,4 | 250-400 | AlGaN, AlN |
Die Spannung und der Strom der LED-Chips werden hauptsächlich durch die Reihen-Parallelschaltung der LED-Chips im LED-Gehäuseprozess bestimmt. Diese Verschaltungstechnik ermöglicht es, verschiedene Spannungs- und Stromkombinationen zu erreichen, je nach Anwendungszweck des Endprodukts.
Gängige Konfigurationen von LED-Chips
Durch die Kombination mehrerer LED-Chips in verschiedenen Schaltungen können Hersteller LEDs für unterschiedliche Anwendungsbereiche optimieren. Hier sind einige der häufigsten Konfigurationen:
0,2W LED-Chip (Standard-Konfiguration für Röhrenlampen)
Der 0,2W LED-Chip, der am häufigsten in Röhrenlampen verwendet wird, wird gebildet, indem zwei LED-Chips parallel geschaltet werden. Diese Konfiguration erzeugt typischerweise:
- Spannung: 3V
- Stromstärke: 60mA
- Leistungsaufnahme: 0,18W (gerundet auf 0,2W)
Diese Chips eignen sich hervorragend für LED-Röhren, da sie:
- Eine gleichmäßige Lichtverteilung bieten
- Geringen Stromverbrauch aufweisen
- Kostengünstig in der Massenproduktion sind
- Wenig Wärme entwickeln
9V Hochspannungs-LED-Chip (für RC-Anwendungen)
Der Hochspannungs-LED-9V-Chip, der am häufigsten für die RC-Versorgung (Remote Control/ferngesteuerte Geräte) verwendet wird, entsteht durch die Reihenschaltung von drei LED-Chips. Die typischen Kennwerte sind:
- Spannung: 9V
- Stromstärke: 30mA
- Leistungsaufnahme: 0,27W
Diese höhere Spannung hat mehrere Vorteile:
- Kompatibilität mit gängigen 9V-Batterien
- Geringere Stromstärke bei gleicher Leistung
- Reduzierte Leitungsverluste bei längeren Kabelstrecken
- Bessere Stabilität in batteriebetriebenen Anwendungen
| Konfiguration | Typische Spannung | Typische Stromstärke | Hauptanwendungsbereiche |
|---|---|---|---|
| Einzelner Chip | 3V | 30mA | Indikatoren, kleine Displays |
| 2 Chips parallel | 3V | 60mA | Röhrenlampen, Allgemeinbeleuchtung |
| 3 Chips in Reihe | 9V | 30mA | RC-Anwendungen, batteriebetriebene Geräte |
| 4 Chips in Reihe | 12V | 30mA | Automotive, Niedervolt-Systeme |
| 2×3 Chips (2 parallele Stränge mit je 3 in Reihe) | 9V | 60mA | Hochleistungs-Beleuchtung, Strahler |
Da LED-Chips aus mehreren in Reihe und parallel geschalteten LED-Chips bestehen, kann es viele Spezifikationen und unterschiedliche Spannungen geben. Die genaue Spannung des Chips kann auch daran gemessen werden, aus wie vielen einzelnen LED-Chips der gesamte Chip besteht. Da die einzelnen LED-Chips und die Bonddrähte relativ klein sind, kann die visuelle Inspektion natürlich nur eine grobe Schätzung abgeben. Der genaue Betrag wird mit Hilfe einer Gleichstromquelle gemessen.
Die Vielfalt der LED-Chip-Spannungen
Die Bandbreite der verfügbaren LED-Chip-Spannungen ist beeindruckend. Eines der kleinsten Modelle ist der 1 Watt LED Chip, allerdings werden 3V, 6V, 9V und so weiter häufiger verwendet. Hochleistungs-LEDs und spezielle Anwendungen können sogar Chips mit mehreren Dutzend Volt erfordern. Die Art der Chips hängt vom jeweiligen Designschema und Anwendungsbereich ab.
| Leistungsklasse | Typische Spannungsbereiche | Typische Anwendungen | Lichtstrom (Lumen) |
|---|---|---|---|
| Low Power (≤0,3W) | 1,8-3,6V | Anzeigeelemente, Hintergrundbeleuchtung | 1-30 |
| Mid Power (0,3-1W) | 3-12V | Allgemeinbeleuchtung, Röhrenlampen | 30-100 |
| High Power (1-5W) | 6-24V | Straßenbeleuchtung, Strahler | 100-500 |
| Ultra High Power (>5W) | 24-72V | Flutlicht, Bühnenbeleuchtung, Projektoren | 500-10.000+ |
Interessanterweise korreliert die Spannung oft mit der Farbtemperatur des erzeugten Lichts. Während Chips mit niedrigerer Spannung häufig wärmeres Licht (2700-3500K) erzeugen, tendieren höhere Spannungen zu kälterem Licht (5000-6500K). Dies ist jedoch vom Herstellungsprozess und den verwendeten Materialien abhängig.
Messung der LED-Chip-Spannung
Die Bestimmung der korrekten Betriebsspannung eines LED-Chips ist entscheidend für dessen optimale Leistung und Lebensdauer. Es gibt verschiedene Methoden, um die Spannung eines LED-Chips zu messen:
1. Einfache Prüfung mit einem Multimeter
Bei einem 1 Watt LED-Chip mit bis zu 3V kann der Diodenprüfer eines Multimeters zur Beleuchtung des Chips verwendet werden. Dieser hat positive und negative Anschlüsse. Wenn der Chip nicht leuchtet, ändern Sie einfach die Polarität, indem Sie die positiven und negativen Verbindungen vertauschen. Diese Methode gibt Ihnen jedoch nur eine grobe Idee davon, ob der Chip funktioniert, nicht aber die genaue Betriebsspannung.
2. Präzise Messung mit einer Gleichstromquelle
Bei unsicherer Spannung von LED-Chips kann diese nur mit einer Gleichstromquelle präzise gemessen werden. Das Verfahren besteht aus folgenden Schritten:
- Stellen Sie die Spannung der Gleichstromquelle auf Null ein
- Stellen Sie den Strom auf einen sicheren Maximalwert ein (typischerweise 30-50mA für kleine Chips)
- Verbinden Sie die positiven und negativen Elektroden des Chips mit der Stromquelle
- Erhöhen Sie die Spannung der Stromquelle langsam von Null aus
- Wenn der Chip beginnt zu leuchten, ist die angezeigte Spannung zu diesem Zeitpunkt die ungefähre Schwellenspannung des LED-Chips
Diese Methode bietet die genauesten Ergebnisse und wird häufig im Entwicklungsprozess eingesetzt.
| Messmethode | Vorteile | Nachteile | Anwendungsgebiet |
|---|---|---|---|
| Multimeter (Diodentest) | Schnell, einfach, keine spezielle Ausrüstung nötig | Ungenau, nur für Funktionstest | Schnelle Überprüfung, Fehlersuche |
| Gleichstromquelle | Präzise, kontrollierte Testbedingungen | Teures Equipment, zeitaufwändiger | Entwicklung, Qualitätskontrolle |
| LED-Tester | Automatisiert, misst mehrere Parameter | Sehr teuer, spezialisiertes Gerät | Professionelle Herstellung, Forschung |
| Arduino/Mikrocontroller | Flexibel, programmierbar, automatisierbar | Programmierung erforderlich, begrenzte Genauigkeit | DIY-Projekte, Bastler |
COB-Chips: Leistungsstarke LED-Arrays
COB (Chip-On-Board) bezeichnet eine fortschrittliche LED-Packaging-Technologie, bei der mehrere LED-Chips direkt auf einem Substrat platziert und mit einer gemeinsamen Phosphorschicht überzogen werden. Das Ergebnis ist eine einheitliche Lichtquelle mit hoher Lichtdichte.
Es gilt das gleiche Prinzip für COB-Chips wie für einzelne LED-Chips, aber die Spannung und der Strom werden relativ größer sein, da COB mehr LED-Chips in einem Gehäuse vereint. Die Spannung und der Strom der COB-Chips werden ebenfalls von einer Gleichstromquelle gemessen, folgen aber denselben grundlegenden Prinzipien.
Typische Parameter für COB-LEDs:
- Spannung: 9-36V (abhängig von der Anzahl der verbauten Chips)
- Stromstärke: 300-2000mA
- Leistungsaufnahme: 10-100W
- Lichtstrom: 1.000-10.000 Lumen
Die Vorteile von COB-LEDs:
- Sehr hohe Lichtausbeute pro Flächeneinheit
- Gleichmäßige Lichtverteilung ohne Multiple-Shadow-Effekt
- Verbesserte Wärmeableitung durch größere Kontaktfläche
- Geringere Kosten pro Lumen
Qualitätsunterschiede bei LED-Chips
Jeder Chip-Typ hat seine eigenen Eigenschaften, einige mit höherer Kosteneffizienz und andere mit besserer Leistung. Allerdings variieren LED-Chips mit der gleichen Spezifikation von Hersteller zu Hersteller erheblich in ihrer Qualität. Daher sind LED-Chips nicht unbedingt pauschal als gut oder schlecht zu bewerten. Solange sie gut behandelt werden und die Spannung von LED Chips angemessen ist, werden sie ihren Zweck erfüllen.
Wichtige Qualitätsmerkmale bei LED-Chips sind:
1. Binning-Qualität
Das „Binning“ bezieht sich auf den Sortierprozess, bei dem LEDs nach Helligkeits-, Farb- und Spannungseigenschaften klassifiziert werden. Hochwertige Hersteller verwenden strenge Binning-Kriterien, um konsistente Ergebnisse zu gewährleisten.
| Binning-Kategorie | Premium | Standard | Economy |
|---|---|---|---|
| Farbtoleranz (SDCM) | 2-Step (kaum wahrnehmbar) | 3-4-Step (leicht wahrnehmbar) | 5+ Step (deutlich wahrnehmbar) |
| Helligkeitstoleranz | ±5% | ±10% | ±20% |
| Spannungstoleranz | ±0,1V | ±0,2V | ±0,5V |
2. Wärmemanagement
Die Lebensdauer eines LED-Chips hängt stark von seinem Betriebstemperatur ab. Hochwertige LEDs verfügen über:
- Optimiertes thermisches Design
- Niedrigen thermischen Widerstand
- Hochwertige Wärmeleitpaste oder -klebstoffe
- Effiziente Kühlkörper
Bei einer Überhitzung von nur 10°C über der spezifizierten Temperatur kann sich die Lebensdauer eines LED-Chips um 30-50% verringern!
3. Langzeit-Zuverlässigkeit
Die Degradation (Lichtstromrückgang) über die Zeit ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal:
- Premium-LEDs: L90B10 bei 50.000 Stunden (nach 50.000 Stunden haben 90% der LEDs noch mindestens 90% ihrer ursprünglichen Helligkeit)
- Standard-LEDs: L70B50 bei 30.000 Stunden (nach 30.000 Stunden haben 50% der LEDs noch mindestens 70% ihrer ursprünglichen Helligkeit)
- Economy-LEDs: L70B50 bei 15.000 Stunden oder weniger
Fazit: Die richtige LED für jede Anwendung
Die Vielfalt an verfügbaren LED-Chips mit unterschiedlichen Spannungen, Leistungsklassen und Eigenschaften macht sie zu einer extrem vielseitigen Technologie. Die richtige Wahl hängt von Ihrem spezifischen Anwendungsfall ab:
- Für batteriebetriebene Geräte eignen sich Hochspannungs-LEDs (9V, 12V), da sie mit weniger Strom auskommen
- Für Allgemeinbeleuchtung sind 3V-LED-Chips in parallelen Arrays eine wirtschaftliche Lösung
- Für hohe Lichtleistung auf kleinem Raum sind COB-LEDs ideal
- Für farbkritische Anwendungen sollten Sie auf Premium-Binning achten
Die LED-Technologie entwickelt sich ständig weiter, mit Verbesserungen bei Effizienz, Farbwiedergabe und Lebensdauer. Bei der Auswahl sollten Sie nicht nur auf den Preis schauen, sondern auch die langfristigen Vorteile hochwertiger LED-Chips berücksichtigen – von geringerem Energieverbrauch bis hin zu besserer Lichtstabilität.
Unabhängig von der gewählten Spannung oder Konfiguration ist es entscheidend, LED-Chips innerhalb ihrer spezifizierten Parameter zu betreiben. Mit der richtigen Gleichstromversorgung und Wärmeableitung werden Sie jahrelang von dieser effizienten Beleuchtungstechnologie profitieren.