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LED Wirkungsgrad

Für den Gesamtwirkungsgrad der LED ist nicht nur der Prozess der Lichtentstehung, der bei bestimmten (direkten) Halbleitern mit nahe 100% abläuft (interne Quanteneffizienz), von Bedeutung, sondern auch die Frage der Auskopplung des Lichts von der tief im Halbleiter vergrabenen Sperrschicht in die Umgebung. Hierbei entstehen Verluste, die den Wirkungsgrad auf wenige Prozent herabsetzen.

Absorption
Die Halbleiterschichten müssen möglichst dünn und tranparent sein, damit das Licht aus dem Halbleiter austreten kann. Durch die Verwendung eines transparenten, wenn auch teureren Substrates werden auch die nach unten emittierten Photonen nicht absorbiert.

Reflexion beim Lichtaustritt
Die durch den großen Unterschied im Brechungsindex zwischen Luft n=1 und Halbleiter n=3,5 auftretende Totalreflexion ist eine wichtige Ursache für den schlechten Wirkungsgrad der LED. Eine Verbesserung lässt sich z.B. durch eine Epoxydharzabdeckung (n=1,5) erzielen. Es ergibt sich ein vergrößerter Winkel, unter dem das Licht aus dem Halbleiter austreten kann.

Die Absorptions- und Reflexionsgrade bestimmen die Menge der Strahlung, die das Lumineszenzdioden-Bauelement verlassen können. Der externe Quantenwirkungsgrad einer LED ergibt sich aus dem Verhältnis der Photonen, die die LED verlassen, zur aufgenommenen (elektrischen) Leistung. Der letztlich auf das Auge wirkende Lichteindruck (Helligkeit) hängt, bedingt durch die spektrale Augenempfindlichkeit, sehr stark von der Wellenlänge des Strahlers ab. So kann durchaus eine grün leuchtende LED mit geringer Strahlungsleistung dem Auge heller erscheinen als eine viel stärker strahlende rote LED.

Bei der Bewertung der Effizienz von LED Leuchten müssen auch die Leistungsverluste der Vorschalt- und Steuergeräte berücksichtigt werden.

Der Leuchtwirkungsgrad ergibt sich durch Gewichtung der spektralen Emission mit der Augenempfindlichkeit V(λ), bezogen auf die gesamte abgestrahlte Leistung. Der höchste theoretische Leuchtwirkungsgrad ergibt sich für monochromatisches Licht mit der Wellenlänge von 555nm. Sein Wert ist hier 683 lm/W.

Effizienz

Es ist zwischen dem (internen) Quantenwirkungsgrad, der das Verhältnis zwischen aufgenommener (elektrischer) Leistung (in Watt [W]) und abgestrahlter Leistung (Strahlungsfluss, auch in [W]) bezeichnet (nicht jede Rekombination findet strahlend statt) und dem Leuchtwirkungsgrad, der dem Verhältnis zwischen Strahlungsfluss und wahrgenommenem Licht (Lichtstrom in Lumen [lm]) entspricht, zu unterscheiden.

Als Produkt der beiden Wirkungsgrade und den Werten der Reflexion und Absorption ergibt sich das

Verhältnis des wahrgenommenen Lichtes zur aufgenommenen Energie (lm/W)

 
© Hauke Haller 2000-2009