[Grundlagen für Anfänger] LEDs in Taschenlampen

Dieses Thema im Forum "Taschenlampen Diskussion" wurde erstellt von Köf3, 4. Oktober 2016.

  1. Hallo allerseits!

    Ich habe beschlossen, mal eine kleine Erklärung für Anfänger und Taschenlampen-Neulinge zu schreiben, und zwar erst einmal über LEDs, die ja mit das wichtigste Bauteil in einer Taschenlampe ist.

    Leuchtdioden (kurz LED) sind aus Alltag, Industrie und Forschung nicht mehr wegzudenken. Tagein, tagaus beleuchten sie Straßen, Wohnungen, Arbeitsplätze, Fahrzeuge und erhellen unsere Wege in Scheinwerfern, Straßenlaternen und – natürlich in Taschenlampen.

    Und genau darum geht’s – ich möchte Euch in diesem Text den Aufbau und Eigenschaften des LED-Lichts nahebringen, ohne Euch einfach nur mit Fachbegriffen und komplizierten Erklärungen zu überhäufen. Ich werde mich auf den Anwendungszweck "Taschenlampen" beschränken, vielleicht schreibe ich später noch eine kleine Abhandlung über LED-Licht für allgemeine Anwendungszwecke.


    Grundlegender Aufbau und Aussehen

    LEDs gibt es in vielen verschiedenen Formen, Größen und Farben. In unseren Taschenlampen findet man in der Regel LEDs, die im Grundsatz alle gleich aufgebaut sind und sich trotz großer Unterschiede in Leistung und Anforderungen einander doch recht stark ähneln.

    Nehmen wir zur Veranschaulichung eine in Taschenlampen weitverbreitete LED, und zwar eine Cree XP-G2.

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    Abb.1 - Erläuterung von einzelnen Bestandteilen einer LED am Beispiel einer Cree XLamp XP-G2


    Wenn man seitlich schräg auf eine LED schaut, sieht man eine durchsichtige Kuppel. Dies ist der sogenannte Dome, welcher einerseits die LED vor mechanischen und äußeren Einflüssen schützt, aber auch die Lichtleistung erhöht.

    Die dunkelgraue Schicht unter der LED ist das Substrat, sozusagen die Grundplatte, auf welcher sämtliche interne Komponenten der LED ruhen. Bei den Komponenten sticht insbesondere die gelbe Fläche hervor, und diese ist zugleich die wichtigste Komponente einer jeden LED.
    Denn dies ist die Leuchtfläche, häufig auch aus dem englischen entlehnt „Die“ genannt. Diese ist je nach LED-Typ verschieden groß, und kann je nach LED-Typ zugleich auch in verschiedenen Farben (den sogenannten Tints oder auch Lichtfarben) leuchten.

    Damit die Leuchtfläche auch tatsächlich Licht erzeugen kann, muss diese an den Strom angeschlossen sein. Dies wird über Bonddrähte oder auch „Bondierungen“ bewerkstelligt. Bei diesem Beispiel sind die Bonddrähte sichtbar, es gibt aber auch LEDs ohne von außen sichtbare Drähte. Bei solchen LEDs befinden sich die Anschlüsse unterhalb der gelben Leuchtfläche.
    Unterhalb der Leuchtfläche befindet sich ein kleines Bauteil, welches die empfindliche LED gegen elektrostatische Entladungen schützt. Wir alle kennen diese Situationen, wo man man nach einer Autofahrt oder nach dem Laufen auf dichtem Teppich bei Berührung eines Metallteils einen kleinen Stromschlag bekommen. Für uns harmlos, kann eine wie hier gezeigte LED zerstören. Daher wird die LED bis zu einem gewissen Punkt von dem ESD-Schutzelement geschützt.


    Betrieb von LEDs

    Moderne Leuchtdioden, wie sie in unseren Lampen verwendet werden, werden ab einem gewissen Betriebsstrom heiß und müssen gekühlt werden. Tut man das nicht, gehen die LEDs nach mehr oder weniger kurzer Zeit kaputt, sie brennen aufgrund der zu hohen Hitze schlichtweg durch.

    Daher sitzen LEDs in Taschenlampen auf sogenannten LED-Boards, welche wiederum mit dem Gehäuse der Lampe verbunden sind. Außerdem sorgen die LED-Boards für einen einfachen und komfortablen Anschluss an die Stromquelle, der sonst so gut wie nicht möglich wäre.


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    Abb.2 - v.l.n.r. – Aluboard aus Markenlampe, Kupferboard aus Markenlampe, frei erhältliches Kupferboard, frei erhältliches Hochleistungs-Kupferboard

    LED-Boards werden aus verschiedenen Materialien, zuallermeist Aluminium oder Kupfer, gebaut. Sie werden gerne „LED-Stars“ oder „Alu-/Kupferstars“ genannt. Diese Bezeichnung rührt aus der sternförmigen Form und dem Material vieler Boards her. Häufig sind LED-Boards in Markentaschenlampen allerdings eigenwilliger geformt, wie auf dem Foto gut zu sehen ist.

    Boards aus Kupfer zeichnen sich gegenüber ihren Alu-Pendants durch eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit aus; sie können also mehr Hitze abführen, ohne dass sie sich an der LED staut.

    Daher werden für eigens umgebaute Lampen vor allem Hochleistungs-Kupferboards wie auf dem Bild rechts gezeigt verwendet. Diese besitzen eine bestimmte Bauform (DTP genannt), welche das Material des Boards direkt mit der LED verbindet und so die Wärmeleitung noch einmal entscheidend verbessert. Bei normalen Kupfer- und Aluminiumboards befindet sich zusätzlich eine Schicht zwischen LED und Board, welche den Wärmeübergang behindert.

    Leuchtdioden jeder Bauart dürfen niemals direkt an eine Stromquelle angeschlossen werden; die Gefahr der Überbelastung und Zerstörung ist einfach zu hoch. Im einfachsten Fall begrenzt ein Widerstand den maximalen Strom, eleganter und leistungsfähiger ist allerdings ein Spannungsregler, welcher ebenfalls den Strom begrenzt. Diese Regler werden im Kontext der LED-Technik „Treiber“ genannt, auf welche ich allerdings wegen der enormen Vielfalt vorerst nicht eingehen werde.


    LED-Licht

    LEDs erzeugen kein Licht, wie man es von Glühbirnen oder Halogenlampen gewohnt ist. Diese erzeugen das Licht mittels Wärme, durch das sehr heiße Glühen eines Drahtes. Sie sind thermische Lichtquellen.

    LEDs dagegen funktionieren anders. Durch ihr Funktionsprinzip wird das Licht nicht mittels Wärme erzeugt, sondern durch das Anregen von Phosphor. Dies ist die gelbe Schicht, die man auf dem Bild gut erkennen kann. Daher ist das Licht anders, als es dies bei Glühbirnen der Fall ist. Dennoch lassen sich mit LEDs so ziemlich alle Arten von weiß erzeugen – denn weiß ist nicht immer weiß!


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    Abb.3 - v.l.n.r. – warmweiß, neutralweiß, kaltweiß

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    Abb.4 - Es geht noch wärmer - LEDs können auch superwarm erscheinen.


    Die subjektive „Wärme“ bzw. „Kälte“ des weißen Lichts wird mit der Farbtemperatur und der Einheit Kelvin (K) angegeben. Die normale warmweiße Beleuchtung in Wohnräumen und Licht älterer Autoscheinwerfer wird meist mit 2700 oder 3000 Kelvin (K) angegeben. Beleuchtung in Schulen, Supermärkten und vielen Arbeitsplätzen ist neutralweiß und liegt in der Regel bei 4000 K, während die Sonne bei etwa 5500 K liegt. LED-Scheinwerfer von modernen Autos liegen bei etwa 6000 – 6500 K, was als kaltweiß bezeichnet wird.

    Leider haben LEDs häufig Abweichungen in der Lichtfarbe und Farbtemperatur, denn sie können in der Regel nicht mit einem ganz bestimmten Weiß gekauft werden. Diese Problematik wird im Forum umgangssprachlich „Tint-Lotterie“ genannt. Heißt soviel wie: selbst wenn zwei LEDs eine identische Farbtemperatur besitzen, kann das Licht stark voneinander abweichen, da das Licht unterschiedliche Farbstiche wie Rot oder Grün aufweist.


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    Abb.5 - Alle drei LED-Lichtquellen haben 4000 K, wirken durch die Färbung aber doch unterschiedlich

    Durch die unterschiedlichen Farbtemperaturen können verschiedenste Farben unter LED-Licht unterschiedlich oder gar falsch wiedergegeben werden. Um dies in Zahlen fassen gibt es den Farbwiedergabeindex (Color rendering index, CRI), der eine gewisse Vergleichbarkeit der Farbechtheit ermöglicht. LEDs von Nichia oder Osram, auch manche Cree-Typen, können einen Farbwiedergabeindex von über 90 oder gar 95 erreichen. Übliche in Taschenlampen verbaute kaltweiße LEDs haben in der Regel einen Index von 65 bis 75.

    Allerdings sind LEDs mit einer sehr hohen Farbwiedergabe aus physikalischen Gründen deutlich ineffizienter – sie liefern bei gleichem Betriebsstrom einfach weniger Licht.


    Wichtige Einheiten des Lichts

    Taschenlampen eine gewisse Lichtleistung, die durch physikalische und technische Gründe begrenzt ist. Im Forum gibt es zwei Einheiten, die dem geneigten Mitleser immer wieder auffallen werden: Lumen und Lux.

    Mit den Lumen (lm) wird die gesamte Lichtmenge angegeben, die vorne aus der Taschenlampe rauskommt. Übliche Taschenlampen erreichen zwischen 500 und 1200 Lumen, eine handelsübliches Leuchtmittel für den Wohngebrauch erreicht zwischen 250 und 800 lm, während ein Auto pro Halogen-Scheinwerfer über 3000 lm liefern kann.

    Mit der Einheit Lux (lx) wird dagegen die Helligkeit des Lichts auf einer Oberfläche in einer bestimmten Entfernung angegeben. Bei Taschenlampen wird häufig die Helligkeit in 1 Meter Entfernung angegeben. Eine übliche Taschenlampe im mittleren Preissegment und einem alltagstauglichen Leuchtverhalten besitzt etwa 6000 – 25000 Lux, während eine Wohnraumbeleuchtung lediglich zwischen 30 und 120 Lux erreicht.


    Lieben Gruß, Dominik
     
    #1 Köf3, 4. Oktober 2016
    Zuletzt bearbeitet: 5. Oktober 2016
    rumblefish, Straight Flash, vale199 und 31 andere Flashys haben sich hierfür bedankt.
  2. Folomov
    Danke, Dominik.

    Eine sehr anschauliche und fundierte Darstellung.

    Gruß, Stephan
     
  3. Ja, schön geschrieben und angenehm flüssig zu lesen :thumbup:

    Greetings
    Klaus

    PS: vielleicht noch - ähnlich wie bei CRI - Direct Thermal Path für DTP ergänzen
    oder evtl. ein kurzes Glossar ans Ende packen.
     
  4. Miboxer.com
    Super Zusammenfassung der Grundlagen für Einsteiger. Ein paar Kleinigkeiten sind mir aber aufgefallen:

    Der Phosphor erzeugt kein Licht sondern wandelt nur Licht um. "Weiße LEDs" sind eigentlich blaue LEDs. Ein Teil des blauen Lichts regt den Leuchtstoff (Phosphor) dazu an, gelb zu leuchten. Aus diesem gelben Licht und dem übrigen blauen Licht wird dann weißes Licht zusammengemischt.

    Das müsste doch eigentlich Violett und Grün heißen? Die wenn man sich die Farben ähnlich wie ein Koordinatensystem vorstellt, ist die (leicht gebogene) "Achse" von Blau nach Orange die Farbtemperatur und die "Achse" von Violett nach Grün der Farbton (Tint).

    Candela würde ich noch ergänzen. Candela beschreiben die Lichtstärke, also wie viel Licht in eine bestimmte Richtung geht. Im Gegensatz zu Lux ist die Candela-Angabe entfernungsunabhängig. 1 Lux ist die Helligkeit, die man mit der Lichtstärke 1 Candela in einer Entfernung von 1 Meter erreicht. Statt zu sagen "Die Lampe erreicht eine Beleuchtungsstärke von 500 Lux in 1 Meter Entfernung" kann man also einfach sagen "Die Lampe hat eine Lichtstärke von 500 Candela"
     
  5. Würde ich nicht machen, denn Anfänger sollten nicht mit Fachbegriffen überfordert werden.
     
  6. TOP

    Vielen Dank hierfür, da ich noch relativer Neuling hilft mir das beim Einstieg.

    Für Infos muss ich nicht überall rumgoogeln sonder hab es hier schön zusammengefasst.

    Gruiss dmeenzer
     
  7. Skilhunt Taschenlampen
    Danke für die Mühe

    Zur Lichtfarbe hätte mir noch mehr Erfahrung aus der Praxis gefallen. Hier zum vertiefen:
    http://www.taschenlampen-forum.de/threads/kaltweiß-vs-warmweiß.54613/

    Diese Entscheidung war nach dem Modell meine größte Herausforderung beim Tala-erstkauf
    ...und ist es immernoch :confused:
     
  8. Warmweiß, Kaltweiß, alles nix. Neutralweiß muss es sein. :)
     
  9. Find ich schön das es mal was für mich als Dummi in Sachen LEDs gibt. Wäre schön wenn du noch mehr solche Beiträge schreiben könntest. Gibt ja noch genügend Grundlagen die man mal für die Nichtexperten so weiter ausführen könnte. Ja mit langwieriger Suche findet man bestimmt alles im Forum oder auf anderen Seiten, aber meist geht das dann eh zu tief und ist nicht so verstädlich geschrieben. Also ich würde mir mehr solche Sachen wünschen.
     
  10. Wirklich top. Hat mir zumindest schon mal zwei Schritte weitergeholfen und natürlich neue Fragen aufgeworfen (gute Sache :) ).

    Gibt es hier irgendwo auch eine Übersicht bzw. eine Charakterisierungshilfe zu den einzelnen LED-Typen?
    Was für Eigenschaften stecken hinter den LED-Typen wie XM-L, XM-L2, Nichia 912, XHP35, XB-H und wie sie alle heißen?
    Von z. B. einer XM-L sind ja unterschiedliche Lichtfarben bzw. Temperaturen wählbar. Das kann also variieren.
    Ist es vor allem die Leistungskurve des Lichtoutputs und der Verbrauch? Oder auch Leuchtcharakteristik (wobei ich es nach meinem aktuell schmalen Wissensstand so verstehe, dass Leuchtcharakteristik vom Setup drumherum (also Dome, Reflektor, Linse) definiert wird.

    Habe noch einen nützlichen Link aus dem Forum als eventuell sinnvollen Repost:
    Lumen, Lux, Canela
     
    #10 rumblefish, 5. Mai 2018
    Zuletzt bearbeitet: 5. Mai 2018
  11. Es gibt hier im TLF immer mal wieder Einzeltests, z.B. von Köf3. Er hat eine Übersichtsseite über seine Tests. Ansonsten suche mal nach "test" und dem Namen der LED.

    Mehr "review"s gibt es im Budgetlight Forum (auf Englisch). Dort gibt es auch die legendäre Referenzliste "LEDs & Other Stuff - (Reference)".

    Ein Übersicht, wofür welche LED besonders gut geeignet ist habe ich noch nicht gesehen. Die wäre aber gerade für Anfänger sehr nützlich. Manchmal steht das im Einzeltest mit drin.
     
    nightcrawler und rumblefish haben sich hierfür bedankt.
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