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Teil 2: Die Geschichte der LEDs

(11.4.2008; light+building-Bericht) 1906 meldete Henry Joseph Round zum ersten Mal "Elektrolumineszenz" beim Experimentieren mit SiC (Siliziumkarbid oder Karborund). Die lichtemittierende Diode (LED) war geboren. In den folgenden 50 Jahren wurden wenige Fortschritte gemacht, bis schließlich die Erforschung von Dioden und Halbleitern ernsthaft begann. Mitte des 20. Jahrhunderts entdeckten Forscher in Wissenschaft und Industrie verschiedene Ansätze für die Lichterzeugung am p-n-Übergang von Dioden, wenn spezifische Materialien und Prozesse verwendet wurden. Die Lichtleistung war jedoch noch sehr gering, die LEDs waren teuer und nur bestimmte Farben standen zur Verfügung. Der Weg zu höherer Leistung, niedrigeren Kosten und einer breiteren Farbpalette und Weiß war ereignisreich, schwierig, aber gut dokumentiert.

LEDIn den frühen 1960er Jahren arbeiteten Teams bei RCA, IBM, GE und MIT aktiv an der Entwicklung von LEDs. Unter den ersten LEDs im Handel war ein 870-nm-IR-Gerät, das von Texas Instruments für 130 US-Dollar angeboten wurde. Etwa zur selben Zeit vertrieb GE rote LEDs durch den Allied-Zubehörkatalog für 260 US-Dollar. LEDs waren damals noch sehr teuer und wurden nur in geringen Mengen verkauft. 1964 setzte IBM GaAsP-LEDs in Schaltplatten in einem frühen Mainframe-Computer ein. Dies war ein bedeutsames Ereignis: Zum ersten Mal boten LEDs einen überzeugenden Mehrwert gegenüber der herkömmlichen Beleuchtungstechnologie sowohl für Hersteller als auch Endverbraucher. Als Ein-/Aus-Leuchte konnte die LED direkt auf die Schaltplatte montiert werden, verbrauchte weniger Strom und besaß eine scheinbar unbegrenzte Lebensdauer, wodurch keine Wartung nötig war. Viele dieser Tugenden bildeten zusammen den Hauptgrund für den Ersatz anderer Lichtquellen, als die LEDs mit der Zeit effizienter, kostengünstiger und heller wurden.

Obwohl die Effizienz von LEDs in den 1960er und 1970er Jahren relativ niedrig blieb, entwickelten Monsanto und Hewlett-Packard Fertigungsstraßen für hohe Produktionszahlen, die die Kosten effektiv senkten und starkes Wachstum in den Märkten für alphanumerische Anzeigen erlaubten, zuerst bei Rechnern und dann bei Armbanduhren. Beispiele dafür sind die Rechner Texas Instruments SR-56 und Hewlett-Packard HP-67 sowie die Digitaluhr Pulsar der Hamilton Watch Corporation. In diesen Fällen ermöglichten die durch die LEDs erzeugten Lichtpunkte die Steuerung verschiedener elektronischer Ziffern im selben physischen Raum. LEDs haben Anwendungen eröffnet, die nie zuvor möglich schienen, und haben diese bis zur Einführung der LCDs mit Hintergrundbeleuchtung dominiert.


LED-Anzeige aus dem späten 1970er Jahren

Im selben Zeitraum führten laufende technologische Fortschritte in der GaP-Technologie zur Entwicklung einer grünen LED. Trotz niedrigerer Helligkeitsausbeute ließ die zehnfach höhere Sensibilität des menschlichen Auges gegenüber dieser Farbe die grüne LED ebenso hell erscheinen wie die bereits existierende rote LED. In den 1960er Jahren war das Telefon "Princess" von AT&T neueste Mode, weil beim Abheben des Hörers die Tastatur leuchtete; das Gerät erforderte jedoch einen 110-Volt-Anschluss zum Betrieb der internen Lampe. Ein Servicebesuch von der Telefongesellschaft war nötig, wenn die Lampe ausgebrannt war. Fortschrittlichere Telefone mit mehreren Leitungen, die zu dieser Zeit in Telefonzentralen und Sekretariaten zum Einsatz kamen, benötigten Dutzende von Drähten, um die ferngesteuerten Schalter zur Anzeige freier und belegter Leitungen zu synchronisieren. Die Installations- and Wartungskosten waren hoch. Die Verwendung des ästhetisch ansprechenderen grünen Lichts in Telefonen mit mehreren Leitungen reduzierte - neben der moderneren internen Verdrahtung - diesen Wartungsaufwand und die damit verbundenen Kosten für Garantieleistungen der Telefongesellschaften beträchtlich. Hier wurden wiederum durch die Langlebigkeit und Robustheit der LEDs in Kombination mit der Miniaturisierung und Internalisierung der Steuerelektronik kleine Glühlampen für Anzeigezwecke durch LEDs ersetzt.

In den 1990er Jahren erzielten Nakamura und andere Forscher in der InGaN LED-Technologie große Fortschritte, die zu einer Kommerzialisierung blauer und grüner Festkörperlichtquellen im großen Stil sowie der Entwicklung weißer LEDs führten. Da nun eine ganze Palette an Farben zur Verfügung stand, begannen LEDs sehr schnell, herkömmliche Lampen in vielen farbigen Beleuchtungsanwendungen zu ersetzen.

Mobiltelefone und andere elektronische Geräte sind heute die Produkte, in denen LEDs am meisten eingesetzt werden. Schätzungen zufolge werden in 30 Prozent der Verkehrszeichen in den USA LEDs verwendet, LED-Displays mit großem Bildschirm (in Times-Square-Dimensionen) sind auf dem Vormarsch und zahlreiche Unternehmen haben FAA-zertifizierte Markierungsleuchten für Flughäfen und andere Anwendungen entwickelt.

Die Einführung digitaler Steuerung für farbige LEDs eröffnete eine ganz neue Dimension für architektonische Beleuchtung; viele der 2003 mit Design-Preisen der IALD (International Association of Lighting Designers) ausgezeichneten Entwürfe enthielten farbige LEDs. Mit der Möglichkeit der Nutzung der vollen Farbpalette bei Hochleistungs-LEDs entwickeln sich fortschrittlichere architektonische Designs und Beleuchtungsformen für Bühnen und Studios. Beim britischen Popfestival in Glastonbury im Juni 2004 wurden elf der 14 Bühnen mit Hochleistungs-LEDs erhellt, darunter beleuchteten fast 196 hochleistungsfähige RGB LED Pixel Par-Leuchtkörper mit wechselnden Farben von James Thomas Engineering in Spots die Hauptbühne mittels eines neuartigen Videosteuerungssystems, das eine Verpixelung eines jeden Leuchtkörpers ermöglichte. In allen der genannten Beispiele verringern die farbigen LEDs den Stromverbrauch beträchtlich, da bei konventioneller Lichttechnik durch Filterung bis zu 90 Prozent des weißen Lichts verloren gehen können.

LED-Strahler mit farbigen LEDs
Philips ColorBlast 12 Powercore

LEDs vereinfachen außerdem den Einbau, da kleinere Kabelgrößen verwendet werden können. Die Robustheit der Festkörperleuchte, die Sicherheit des Niedervoltbetriebs und die Eliminierung von Infrarot- und UV-Strahlen erhöhen noch den Mehrwert von LEDs in diesen Anwendungen. Und schließlich entspricht die lange Lebensdauer, die im Teil 3 erläutert wird, im Allgemeinen einem relativen zusätzlichen Nutzen von ein bis drei Jahren bei farbigen LEDs. Dies errechnet sich auf der Grundlage der Einsparungen von Energieverbrauch und Wartungskosten. Die Abbildungen 1 und 2 unten zeigen einen Überblick über die heutige Marktdurchdringung von LEDs.

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