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LED Definition, Funktion und mehr

Ratgeber

LED einfach erklärt - Definition, Funktion und mehr

Was bedeutet LED?

LED bedeutet light-emitting diode, zu Deutsch Licht-emittierende Diode oder Lumineszenz Diode. Die LED ist ein Halbleiterbauelement, das bei Stromdurchfluss Licht ausstrahlt.

Was ist die Definition einer LED?

Die Abkürzung LED steht für Licht-emittierende Diode beziehungsweise englisch: light-emitting diode. Leuchtdioden dienen als Halbleiterelemente. Sie strahlen bei Durchfluss von elektrischem Strom verschiedene Lichtformen aus. Das tragende Element der LED ist der Halbleiterkristall. Reflektoren nehmen sein ausgestrahltes Licht auf und verstärken es.

Wie funktioniert die LED?

LED-Funktionsweise
Eine LED besteht aus einem sehr kleinen Elektronikchip aus speziellen Halbleiterverbindungen. Wird Strom durch ihn geleitet, fängt er an zu leuchten. Der Halbleiter emittiert Licht. Dieser Prozess ist in der Lichttechnik als Elektrolumineszenz. LEDs zählen zu den kleinsten Lichtquellen und emittieren ein punktförmiges Licht. Der Elektronikchip in der LED, welcher das Licht erzeugt, besteht aus einigen Halbleiterschichten, sogenannten Epitaxy Layer und Elementen für den Anschluss. Während des Betriebs generiert die Diode über Gleichspannung Licht einer bestimmten Wellenlänge. Weiße LEDs erzeugen beispielsweise blaues Licht. Im Halbleiter erfolgt eine Rekombination von Elektronen und Löchern. Die elektrische Energie wird dabei mittels Elektrolumineszenz unmittelbar in sichtbares Licht, also elektromagnetische Energie transformiert. Traditionelle Glühlampe senden ohne Unterbrechung ein und dasselbe Lichtspektrum aus. Der Chip einer LED hingegen sendet eine festgelegte Farbe. Die Farbe hängt hauptsächlich vom eingesetzten Material der Halbleiter ab. In der Regel sind die Chips fest im Gehäuse verbaut. Zusätzlich befindet sich darin eine sogenannte Konversionsschicht, also der Leuchtstoff, um weißes Licht zu erzeugen. Ein Element, bestehend aus einem oder vielen Chips inklusive umgebenden Gehäuse, trägt die Bezeichnung LED. Ausschlaggebende Kennzahlen der LED sind deren Lichtstrom, Lichtfarbe, Lebensdauer, Farbwiedergabe sowie Effizienz. Besonders die Effizienz der LEDs ist mit anderen Lichtquellen nicht vergleichbar. Während eine Glühlampe eine Lichtausbeute von 10 Lumen pro Watt aufweist, sind gegenwärtig bereits LEDs mit über 200 lm/W im Einsatz. Für den Hausgebrauch haben die LEDs zwischen 60 und 170 Lumen pro Watt. Die Effizienz erlebte in den ersten knapp 30 Jahren, seitdem Anfang der 1970er Jahre die ersten Leuchtdioden für Signalisierungsanwendungen auf den Markt kamen, einen exponentiellen Anstieg. Diese Effizienzsteigerung war zu Beginn des zweiten Jahrtausends Anlass für eine Forschergruppe um Roland Haitz bei den Sandia National Laboratories eine Studie darüber durchzuführen. Als Ergebnis dieser Studie sagte Haitz bis zum Jahr 2010 eine Lichtausbeute von etwa 100 lm/W sowie 10 Jahre später ca. 200 lm/W vorher.

Wie ist die Funktionsweise vom LED Farbwechsel?

Die Funktionsweise vom LED Farbwechsel hängt von dem verwendeten Material für die Halbleiter ab. Sie sorgen einfach gesagt für unterschiedliche Wellenlängen des ausgestrahlten Lichts, was die unterschiedlichen Färbungen erzeugt. Häufig genutzte Materialien und deren Auswirkung auf die Farbgebung sind:
  • Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – infrarot bis 1.000 nm Wellenlänge, rot (665 nm)
  • Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb
  • Galliumphosphid (GaP) – (gelb-)grün
  • Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – Ultraviolett, Violett, blau und grün
Die als RGB-LEDs bezeichneten roten, grünen und blaue Leuchtdioden werden in dem Gehäuse der LED so miteinander verbunden, dass ihr ausgestrahltes Licht unterschiedliche Färbungen erzeugt. Letztendlich sorgt die unterschiedliche Ansteuerung der Dioden für die diversen Farben. Um die Lichtmischung zu optimieren, sind oft weitere optische Bauteile wie zum Beispiel ein Diffusor.

Wo kann eine LED verwendet werden?

LEDs können überall dort verwendet werden, wo Licht benötigt wird. Was als kleine LED Leuchte in elektrischen Geräten zur Anzeige des Betriebs begann, weitete sich in den letzten Jahren immer weiter auf alle Lebensbereich aus.
LED-Arten Verwendung

Quelle: Wikipedia

Angefangen bei der Beleuchtung in Wohn- und Gewerberäumen, über die Beleuchtung an Fahrzeugen bis hin zur UV LED beim Zahnarzt zum Aushärten von Füllungen. Für jeden Einsatzbereich müssen LEDs entsprechende Anforderungen erfüllen. Eine davon ist IP Schutzklasse. Sie gibt, in welchem Maße die LED Schutz vor Fremdkörpern, Berührung sowie Wassereinfluss bietet.   Die Angabe der Schutzklasse erfolgt mithilfe zweier Ziffern. Die erste steht für den Grad des Berührungs- und Fremdkörperschutz und die zweite für den Wasserschutz. Besonders der Berührungsschutz weist laut VDE am häufigsten Mängel auf. Vorrangig ist eine mangelhafte Isolierung spannungsführender Teile der LED Lampen angeführt. Die folgende Übersicht gibt eine Erklärung darüber ab, welche Ziffer was bedeutet:  
1. Ziffer Berührungsschutz Fremdkörperschutz 2. Ziffer Wasserschutz
0 Kein Schutz 0 Kein Schutz
1 große Körperflächen Fremdkörper mit Durchmesser > 50 mm 1 Senkrecht fallendes Tropfwasser
2 Finger o. Ä. Gegenstände Fremdkörper > 12 mm 2 Schräg fallendes Tropfwasser (bis 15 Grad Abweichung von der Senkrechten)
3 Werkzeuge, Drähte und Ähnliches mit Dicke >2,5 mm Fremdkörper > 2,5 mm 3 Sprühwasser (bis 60 Grad Abweichung von der Senkrechten)
4 Werkzeuge, Drähte und Ähnliches mit Dicke >1 mm Kornförmige Fremdkörper >1 mm 4 Spritzwasser
5 Vollständiger Schutz Staubgeschützt 5 Strahlwasser aus einer Düse
6 Vollständiger Schutz Staubdicht 6 Überflutung
7 Eintauchen
8 Untertauchen

Welche Vorteile hat eine LED?

  • Sehr hohe Lichtausbeute bei bis zu 200 Lumen pro Watt
  • Geringer Energieverbrauch
  • Kaum Wärmeentwicklung
  • Lange Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden
  • Erhältlich in allen Lampenfassungen, Formen und Lichtfarben

Wo liegen die Nachteile?

Neben der Vielzahl an Vorteilen von LEDs stehen ihnen allerdings die vergleichsweise hohen Kosten zur Anschaffung gegenüber. Außerdem sind nicht alle LEDs dimmbar. Ebenso sind LEDs temperaturempfindlich und das kann die Beleuchtungsqualität beeinflussen. Hauptsächlich kommt dies zum Tragen in Umgebung mit schnellem Temperaturanstieg beziehungsweise überall dort, wo ohnehin sehr hohe Temperaturen vorherrschen (Stahlwerk).

Wie viel Watt verbraucht eine LED?

Eine einzelne LED verbraucht etwa 0,06 Watt. Eine LED Lampe hingegen wendet etwa 10 Watt Stromenergie auf, um die Helligkeit einer handelsüblichen 60 Watt Glühlampe zu erzeugen.
LED Glühbirne
2-3 Watt 15 Watt
4-5 Watt 25 Watt
6-8 Watt 40 Watt
9-12 Watt 60 Watt
13-14 Watt 75 Watt
18-19 Watt 100 Watt
Zur besseren Veranschaulichung hilft ein Rechenbeispiel für den Jahresstromverbrauch einer LED Leuchte und einer Glühlampe. Ausgangspunkt ist eine durchschnittlich 4-stündige Brenndauer einer normalen 60 Watt Glühbirne 600 Lumen Beleuchtungsstärke. Sie würde 87,6 kWh Strom pro Jahr verbrauchen. Bei einem angenommenen Strompreis von 0,32 Euro pro kWh ergibt das 28,03 Euro an jährlichen Stromkosten für eine einzige Glühlampe. In einer 80 m2 großen Wohnung kommen etwa 12 solcher Glühlampen zum Einsatz, was in Stromkosten in Höhe von 336,38 Euro im Jahr resultiert. Bei Verwendung einer LED mit gleicher Leuchtkraft von 600 Lumen ergibt sich ein Stromverbrauch von 10 Watt. Hochgerechnet auf ein Jahr, bei ebenso täglicher Brenndauer von 4 Stunden im Durchschnitt, beträgt die Stromnutzung 14,6 kWh. Die Kosten belaufen sich auf 4,67 Euro für eine und 56,06 Euro für 12 Leuchtmittel. Die Ersparnis gegenüber einer herkömmlichen Glühlampe beträgt somit pro Jahr 280,32 Euro.

Wird eine LED heiß?

LED-Lampen werden heiß, jedoch nicht in dem Maße wie traditionelle Glühlampen oder Leuchtstoffröhren. Die Hitzeentwicklung findet außerdem nicht an der Stelle statt, an der das Licht emittiert, sondern vielmehr an der Lampenfassung beziehungsweise dem Sockel. Darüber hinaus entwickelt sich die Wärme oder Hitze erst nach längerer Leuchtdauer.

Wie lange ist die Lebensdauer eine LED?

Eine LED hat eine maximale Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden, bevor ihre gesamte Leuchtkraft verloren geht. Danach beträgt die Lichtausbeute lediglich noch 70 bis 80 Prozent des ursprünglichen Wertes. Im Vergleich dazu “leben” Glühlampen nur 1.000 Stunden. In puncto Kosten für die Anschaffung ergeben sich folgende Werte: Basis für die Berechnung sind 1 Euro Kaufpreis für eine Glühbirne und 10 Euro für eine vergleichbare LED Lampe. Bei einer durchschnittlichen Brenndauer von 4 Stunden pro Tag, würde die Glühlampe 250 Tage, also etwas mehr als zwei Drittel eines Jahres halten. Die LED Leuchte hingegen würde bei gleichen Bedingungen und Voraussetzungen theoretisch 68,5 Jahre halten. Gemessen an dem Anschaffungspreis müssten 100 Euro investiert werden, um die gleiche Lebensdauer einer LED Lampe gleichzukommen. In Bezug auf die komplette Beleuchtung in Haus oder Wohnung ergibt sich ein enormes Einsparungspotenzial. Darüber hinaus verliert die LED nach 100.000 Stunden Betriebsdauer auch nur 20 bis 30 Prozent ihrer Leuchtkraft und ist für gewöhnlich nicht kaputt. Also könnte sie weiter verwendet werden.

Welche Arten von LEDs gibt es?

Es gibt aktuell drei verschiedene Arten von LEDs. Die bekannteste ist die Retrofit LED. Sie ist das Pendant zu den Glüh- und Halogenlampen mit herkömmlichen Fassungen.
Dazu gehören:
  • E14
  • E27
  • GU10
  • GU 5,3
  • B22
  • 3 (MR16)
  • GU40 beziehungsweise GU4
  • G9 beziehungsweise GU9
  • G24
  • GX 53
  • J78
Weitere LED Arten sind verbaute LEDs, wie:
  • COB LED
  • SMD LED
  • High Power LED
  • Middle Power LED
  • Low Power LED
  • DIP LED
und austauschbare LEDs: XMO Modul (LED Exchange Modul).

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