LED ?

  
   Ich werde ganz vorne, im sogenannten Urschleim beginnen, ein paar unumgängliche Grundlagen ausbreiten um letztlich mit Bildern,  Beispielen und einfachen Schaltungen fortfahren. ich werde Niemanden mit komplizierten Berechnungen oder Formeln langweilen.
 Also reine LED-Praxis. LEDs zum Leuchten bringen und zwar so, dass sie möglichst lange leben, den oft propagierten Lang-Lebensdauer-Angaben recht nahe kommen. 100 000 Stunden sind bei sachgemäßer Anwendung keine Utopie. Einige meiner Dauerprobanden haben diese magischen 100 000 Stunden schon weit überschritten. Nein, nicht etwa die gekauften LED-Spots, die erreichen zum Teil nicht einmal 1000 Stunden. Die Schuld an dieser Misere aber tragen nicht die eigentlichen LEDs - die Übeltäter sind meist die integrierten Elektronikschaltungen. In diesem Sinne aber will ich aufklären und aufzeigen wie man es besser machen kann. LEDs sind Super und der einzig bisher bekannte, gangbare Weg in eine quecksilberfreie Zukunft.
 In diesem Sinne ... wird es auch bald ein Buch für den LED-Einsteiger geben, indem Sie Dieses und noch mehr nachlesen können.

 Das LED-Prinzip gibt es schon recht lange, 1962 kamen die ersten rot-leuchtenden LEDs. General Electric war wohl maßgeblich daran beteiligt. 1971 kamen die Farben grün, orange und gelb dazu. Die Helligkeit ließ allerdings lange Zeit zu wünschen übrig, aber darauf kam es ja auch gar nicht an. Als Signal-und Anzeigelampen erfüllten sie den damals geforderten Zweck. An LED-Beleuchtung hatte man wohl noch kaum gedacht. Erst 1993 gelang der Durchbruch mit einem Kräftigem grün und blau. 1995 dann kamen die ersten weiß leuchtenden LEDs hinzu.
 Neue Materialien und Technologien machten es möglich. Bei gleichem Spannungs- und Strombedarf, das waren meist so um die 3 Volt bei einem Stromfluss von 20 mA, gelang es ein weißes, eigentlich blauweißes Licht ansprechender Helligkeit zu erzeugen. Ein Durchbruch, ja, aber für viele Zwecke war dieses Weiß mit hohem Blauanteil unangebracht, ja auch unangenehm. Behauptet wurde, dass es ein Tageslicht-Weiß sei, das aber in Wirklichkeit einfach zu Blau war. Mit der Zeit aber gelang es doch LEDs mit gelblichem Licht herzustellen, einem Licht, das der normalen Glühbirne recht ähnlich war. So ab 2700-3000 Kelvin! Bald darauf erschienen die ersten Spotlampen für 12 Volt. Man baute bis zu 60 einzelne LEDs in einen Spot, die sollten das Äquivalent zu normalen Halogenspotlampen von 35 Watt oder 50 Watt sein. Es passte alles nicht so richtig, wie es sollte. Die Helligkeit reichte nicht, die Bündelung des Lichtes war anders und blieb hinter den Erwartungen zurück. Man versuchte durch verschiedene, angepasste Kunststoffkörper, Linseneffekte zu etablieren, die entsprechende Streuungen erzeugten. Propagiert wurde oft und gerne, dass diese neuen LED-Spots die üblichen Halogenspots ersetzen könnten. Keine Wärmeentwicklung und 90% Energieeinsparung sollten es sein. Aber das war wohl Wunschdenken. Keine der so gefertigten LED-Spots gab soviel Licht, wie eine herkömmliche Halogen-Spotlampe. Es sei denn, man setzte an die Stelle einer einzigen Halogenlampe entsprechend mehrere LED-Spots.
 Zusätzlich versuchte man eine neue Generation von Einzel-LEDs, die mit 50mA statt mit 20mA betrieben wurden. Aber auch diese besonderen LEDs erfüllten nicht die Ansprüche. Erstens wurden sie in gebündelter Ausführung zu heiß, wozu noch Probleme mit der Netzspannungsbetreibung entstanden. 20 mA konnte man mit kapazitiven Vorwiderständen lösen - bei 50 mA wären diese Vorschalt-Kondensatoren einfach zu groß, in der Bauform, um sie in e14 oder e27 Sockel zu integrieren …
 Bald schon war man gezwungen einen anderen Weg zu gehen, weg von der Theorie der kalten Lampe! Man vergrößerte die Oberflächen der LED-Substrate, erhöhte den Strom auf mehr als 10 fache werte und schuf ein völlig neues Leuchtmittel, dass sehr viel heller leuchtete, als alles Bisherige - aber nun aber auch erhebliche Abwärme produzierte. Es reichte nicht mehr, ein Substrat in einen Kunststoffkörper zu gießen und mit Anschlussdrähten zu versehen … Man entsann sich der Chip-Computertechnik, dass man Computerchips ja einstmals auch nur in Kunststoff einbettete - aber irgendwann bei 50 und mehr MHZ war dann Schluss. Seitdem gibt es immer kleinere Computerchips, die immer mehr leisten können, aber immer bessere Kühlung verlangen. Vieles konnte man also einfach übernehmen. Das Licht gebende Substrat auf eine metallene Fläche mit einer guten Wärmeleitung.. Von Außen dann einen mehr oder minder großen Kühlkörper war dann die Lösung.
 Inzwischen gibt es Licht emittierende Dioden von 10 und mehr Watt, die nun endlich, was ihre Lichtleistung, also Lumen pro Watt betrifft, die meisten Halogenlampen übertrumpfen lassen.
 So groß die Freude auch ist, die nötigen Kühlkörperflächen sind bei 10 Watt LEDs nicht mehr ohne Weiteres in normale Spotlampen integrierbar - das heißt das die benötigten Kühlflächen, die Fläche der Licht abstrahlenden Fläche um ein Vielfaches übertreffen.
 Entweder baut man nun größere Spots, oder man verbaut kleine Kühlelemente oder Ventilatoren, die aber Kosten und die Energiebilanzen in die Höhe treiben würden.
 Was also tun? Einen goldenen Mittelweg finden? LEDs mit 3 oder 4 Watt scheinen solch ein Mittelweg zu sein. Drei bis vier Hochleistungs-LEDs in einem Strahler verbaut scheint zu funktionieren. Die Temperatur die entsteht liegt im Normalbereich bei etwa 80 grad und ist bei 12Volt LED-Spots auch einzuhalten - schließlich müssen ja da nur ein paar Volt beseitigt werden. Oft werden die drei LED-Chips in Reihe geschaltet. 3,2 Volt x 3 ergibt 9,6 Volt es müssen also nur etwas über zwei Volt beseitigt werden. Ganz anders sieht es aber bei 230 Volt, also bei Netzspannungs-LED-Spots aus. Dort müssen über 220 Volt beseitigt werden.
Trafos wären da die Ideallösung - Trafos aber die 230Volt in 12 oder 9 Volt umwandeln haben bei 4 Watt schon eine Größe die nicht mehr in einen e14 oder e26 Sockel passen. Was bleibt, sind rein elektronische Lösungen. Entsprechend kleine elektronische Umsetzer zu bauen ist heute kein Problem. Ein wirkliches Problem aber ist die abzuführende Wärme. Da sind nun zwei Wärmequellen unter einen Hut zu bekommen, das LED-Substrat selber muss vor Temperaturen über 90 grad geschützt werden und die Vorschaltelektronik genau so. Wie also kühlen auf so engem Raum?
 Natürlich geht die Elektronik nicht gleich flöten, auch noch nicht bei 110 Grad, aber irgendwo wird da eine Grenze erreicht, bei manchem Schaltkreis erst bei 140 grad!
 140 Grad ist schon sehr viel und wird normalerweise nicht erreicht. Da gibt es nun aber die andere Wärmequelle, die LED selber - die mit absoluter Sicherheit keine 140 Grad aushält, nein auch keine 120 Grad! 100 grad macht die LED gewiss eine ganze Zeit noch mit aber auf Kosten ihrer Lebensdauer, die sich von den versprochenen 25 000 Stunden auf nur wenige 1000, ja sogar hundert Stunden verkürzen können. Die angegebenen Temperaturen beziehen sich auf das Innere von LED-Spots – nicht dass nun jemand denkt; meine LED-Spots werden niemals so heiß! Natürlich werden sie außen meist nur so heiß, dass man sie noch anfassen kann, ohne sich zu verbrennen – doch das ist ja eben gerade das Problem, die in ihrem Inneren aufgestaute Wärme kann nicht abgeführt werden. Meine Temperaturmessungen beziehen sich immer nur auf das Innenleben. Durch ein vorsichtig gebohrtes etwa 1 mm großes Bohrloch wird ein Temperatursensor ins Innere geschoben und direkt an der Elektronik gemessen.
 Bei LEDs, die nur ab und an eingeschaltet werden, sicher kein Problem! Aber die da dauernd brennen müssen, leiden und verabschieden sich vorzeitig.
 Das zusätzliche Problem ist, das vorher beschriebene Netzteil für 230 Volt, das da ganz klein in den Lampensockel eingebaut ist und so gut wie keinen Wärmeaustausch über Konvektion oder Abstrahlung zulässt. Dieses Netzteil wird also nun zusätzlich durch die LEDs, die ja auf einem gemeinsamen Kühlkörper sitzen, aufgeheizt. Was passiert können Sie sich sicher denken … Lassen sie dazu die Außen- oder Umgebungstemperaturen auf 30 grad und mehr steigen?
 Aber leider sind das nicht die einzigen Probleme. Spannungsspitzen in unseren 230 Volt Stromnetz sind ein noch viele größeres Problem. Eine gute alte Glühbirne interessiert es wenig, ob ultrakurze Spannungsimpulse, durch Maschinen und Induktivitäten hervorgerufen, ja auch durch entfernte Blitzschläge, auftreten - sie sind viel zu träge als etwa aufzublitzen - es passiert gar nichts - die Spannungsspitze bleibt meist sogar völlig unbemerkt.
 Ein-LED-Lampenchip hingegen besteht aus einem Halbleiterübergang und einer ziemlich genau definierten Sperrschicht. Da reichen Millisekunden oder gar Mikrosekunden aus, um einen Hableiterdurchbruch zu erzeugen, der die LED augenblicklich ins Jenseits befördert. Einige dieser Spannungsdurchbrüche habe ich  gesammelt und fotografiert. Man sieht es den LEDs deutlich an, was sie gekillt
hat - das Substrat selber hat einen schwarzen Fleck bekommen oder ist gar völlig schwarz geworden - sie wird nie wieder leuchten!
 Meiner Meinung nach - wenn man lange Freude am Leben einer LED haben will, sollte man erstens nur 12 Volt Ausführungen verwenden, besonders dann, wenn die Umgebung sehr warm wird oder werden kann - wie zum Beispiel an der Zimmerdecke, über dem Herd oder bei direkter Sonneneinstrahlung. Nicht über dem Ofen, nicht im warmen Motorraum eines Kraftfahrzeuges. Im Kühlschrank, wunderbar - die Lebensdauer wird gegen unendlich tendieren!
 Spaß beiseite, aber das a und o für ein langes Leben der LEDs sind niedere Temperaturen, möglichst stabilisierte Netzteile zur Stromversorgung oder ein gepufferter Akku, der durch ihre Niederohmigkeit jeden hohen Spannungsimpuls sofort vernichtet, ihn also gar nicht an die empfindliche LED zur Wirkung kommen lässt.