Verläuft der Gewinn an Licht zur Erhöhung des Stromes (über die Spannung) linear?
Du versuchst da jetzt Strom, Spannung und Licht in einem Satz zu verarbeiten, das wird etwas zu unübersichtlich.
Und als zusätzliches Element muss man auch noch die Temperatur betrachten!
Eine LED als Halbleiterbauelement verhält sich anders als klassische elektrische Leiter. Bei einem klassischen Leiter, z.B. einer Glühlampe, ist es so, dass der elektrische Widerstand steigt, wenn der Leiter erwärmt wird (Kaltleiter mit positivem Temperaturkoeffizienten).
Halbleiter verhalten sich genau anders herum, mit steigender Temperatur sinkt ihr elektrischer Widerstand (Heißleiter mit negativem Temperaturkoeffizienten).
Dies wird gleich noch wichtig!
Die LED ist ein Halbleiterbauelement und ihre Strom-Spannungs-Kennlinie ist exponentiell ansteigend, d.h. nach dem Überschreiten der Vorwärtsflussspannung V
f steigt der Strom exponentiell zur Spannung an.
Das ist
in diesem Bild an dritter Position vereinfacht dargestellt.
Betreibt man eine LED ohne eine vernünftige Stromregelung an einer Spannung über V
f, dann steigt zunächst mit dem Strom auch ihre Temperatur. Dadurch sinkt ihr elektrischer Widerstand (wie zuvor erläutert), wodurch noch mehr Strom fließt. Dadurch wird die LED noch heißer, der Widerstand sinkt noch mehr und es fließt noch mehr Strom usw., usw., bis schließlich die LED durchbrennt.
Man braucht also eine gute Strombegrenzung, weil die LED sonst schnell überlastet wird.
Die eigentlich Betriebsspannung ist dabei nur von untergeordneter Bedeutung.
Der Gewinn an Lichtstrom (Lumen) wiederum verläuft im niedrigen Leistungsbereich einigermaßen linear zum Anstieg des Stroms, flacht aber im weiteren Verlauf immer mehr ab und fällt schließlich kurz vor der Zerstörung der LED sogar wieder etwas.
Weit verbreitete, leistungsstarke LEDs, wie man sie heute in Taschenlampen findet, die bei 1.0 A noch 500 Lumen liefern, kommen bei 5.0 A nicht auf den fünffachen Wert von 2500 Lumen, sondern erreichen eher so was um die 1700 - 1800 Lumen, wenn sie dabei gut gekühlt werden!
Das ist
in diesem Artikel ganz nett beispielhaft dargestellt.
Also verbrennt eine LED quasi?
Jein.
Es kommt dabei auch auf die Kühlung an!
Moderne, leistungsstarke LEDs, wie man sie heute in Taschenlampen findet, werden auf eine spezielle Trägerplatine, das MCPCB (
metal
core
printed
circuit
board)) aufgelötet und haben eine Wärmeableitfläche direkt unter der LED.
Wenn diese Wärmeableitfläche der LED direkt auf das MCPCB gelötet ist und dieses noch über DTP (
direct
thermal
path, eine unmittelbare thermische Verbindung auf den Metallkern des MCPCB) verfügt, dann wird so eine LED schon ziemlich effektiv gekühlt.
In so einem Fall guter Kühlung kann man die LED auch mit vergleichsweise hohen Strömen belasten, ohne dass sie gleich verbrennt/verkohlt.
Allerdings ist auch dann irgendwann ein Punkt erreicht, an dem die LED kaputt geht. Allerdings brennen dann meistens die so genannten Bonding-Drähtchen durch. Das sind die winzig kleinen Drähtchen, die die LED-Leuchtfläche mit den elektrischen Anschlussflächen an der Unterseite verbinden (siehe
dieses Bild).
Wenn die LED allerdings nicht so effektiv gekühlt wird und mit hohen Strömen belastet wird, dann erhitzt sie sich u.U. so sehr, dass die Leuchtfläche anbrennt (
siehe hier).
Aber schon weit vorher kann eine ständig hohe Betriebstemperatur die Lebensdauer erheblich reduzieren. Durch ständig hohe Betriebstemperaturen werden Alterungsprozesse in der Leuchtstoffschicht und im Halbleiterkristall beschleunigt und die Lichtausbeute sinkt mit der Zeit immer mehr.
Bei guter Kühlung und einer guten Stromregelung hält eine LED aber sehr lange.