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Licht-im-Terrarium.de

Vorwort

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LEDs

Leuchtdioden sind eine Lichtquelle die in den letzten Jahren stark gehyped wurde. Gerade in der Wohnraumbeleuchtung haben sie große Vorteile gegenüber anderen Lampen. Glühbirnen sind dort aufgrund ihres hohen Energieverbrauchs, der bei ungerichteten Lampen auch zum Glühbirnenverbot geführt hat, und der Hitzeentwicklung, die empfindliche Lampenschirme in Brand setzen kann, seltener anzutreffen. Hochdruckentladungslampen, wie hqi, sind wegen der großen Helligkeit und weil sie nach dem Ausschalten abkühlen müssen, ehe sie neu gezündet werden können, ungeeignet. Leuchtstoffröhren brauchen zu viel Platz und sind mit steriler Büroatmosphäre assoziiert, die wir im Wohnzimmer vermeiden wollen. Helle Energiesparlampen sind zu klobig und passen nicht in die Leuchten, die für Glühbirnen entwickelt wurden. Energiesparlampen brauchen etwas Zeit, bis sie hell sind, und sind nur mit technischem Aufwand dimmbar. Das Quecksilber ist giftig und es besteht Gesundheitsgefahr, wenn eine heiße Lampe zerbricht, beispielsweise weil sie ein Kind oder Haustier umwirft. LEDs sind klein, sofort hell, dimmbar und im Betrieb ungiftig und werden daher wohl die Zukunft der Wohnraumbeleuchtung sein. Ein interessanter Blog, das sich mit LEDs zur Wohnungraumbeleuchtung beschäftigt, ist http://fastvoice.net/alles-uber-led-beleuchtung/

In der Reptilienhaltung gelten jedoch andere Maßstäbe an die Beleuchtung, so dass ich LEDs hier nur in Ausnahmefällen für sinnvoll halte. Sie sind meist noch weniger effizient als Leuchtstoffröhren und Metallhalogeniddampflampen und haben ein Spektrum, das große Bereiche des Sehspektrums (⇒ Kapitel Sehvermögen) von Reptilien im Gegensatz zu Metallhalogeniddampflampen und Vollspektrumröhren mit UVA-Anteil nicht abdeckt. Das Spektrum der üblichen LEDs hat das kurzwellige Ende bei etwa 420 nm. Da Reptilien den Bereich zwischen 350 und 400 nm als zusätzliche Farbe wahrnehmen, kann eine solche LED für Reptilien nicht weiß wirken, sondern wird immer stark farbig (türkis) erscheinen. Aus diesen Grund empfehle ich LEDs nicht für Terrarienbeleuchtung. Auch aus Kostensicht überzeugen LEDs bisher nicht (⇒ Kostenrechner)

Übersicht über typische LEDs

Bezeichnung Betrieb Leistung Farbcode Helligkeit Lumen/Watt (70W-hci: 90lm/W)
Philips L-Prize Lamp E27-Fassung 10 W 927 940 lm 94 lm/W
LifeLite® "Gold" E27-Fassung 9 W 927 530 lm 59 lm/W
Osram Parathom Classic A 927 E27-Fassung 13 W 927 810 lm 62 lm/W
Osram LED STAR PAR 16 Stiftsockel (230V) 2 W 630 90 lm 45 lm/W
Nichia NSBWL110 purer Chip >10,7 W 850 <1230 lm <115 lm/W
LED Scheinwerfer netzfertiges Komplettsystem 50 W 745 4300 lm 86 lm/W
LED Paneel netzfertiges Komplettsystem 16 W ?65 810 lm 50 lm/W
T8 LED Röhre 9 W 860 800 lm 89 lm/W

Funktion

pn-Halbleiter

Leuchtdioden sind pn-Halbleiterdioden. Grundlage bildet ein Kristall aus Einheiten, die im Mittel vier Valenzelektronen enthalten. Das kann ein Material aus der IV. Hauptgruppe des Periodensystems sein (z.B. Silicium) oder eine Verbindung aus Elementen der III. und V. Hauptgruppe (z.B. GalliumArsenid). Das Kristallgitter ist von den Verbindungen der einzelnen Elemente mit vier Nachbarelementen geprägt.

Währen des Wachstumsprozesses wird eine Seite mit Atomen der V. Hauptgruppe dotiert. Diese Atome bringen ein zusätzliches (negatives) Elektron in den Kristall ein. Es wird durch den positiven Atomkern gehalten, ist aber nicht fest in das Kristallgitter eingebunden, also frei beweglich. Dieser frei bewegliche negative Ladungsträger bezeichnet den Kristall als n (negativ) dotiert. Die andere Seite wird mit Atome der III. Hauptgruppe dotiert, die genau gegen-gleich einen frei beweglichen positiven Ladungsträger einbringen: Ein fehlendes Elektron, das auch als Loch bezeichnet wird, und durch den negativen Atomkern gehalten wird.

mit Aluminium p-dotierter Siliziumkristall
mit Phosphor n-dotierter Siliziumkristall

Im Bereich in dem p- und n-dotierte Kristallhälften direkt aufeinander treffen, können einige der Elektronen aus dem n-dotierten Bereich sich so weit von ihren positiven Atomkerne entfernen und so nah an die negativen Atomkerne der p-dotierten Hälfte annähern (oder die Löcher sich entfernen), dass sie die Löcher auffüllen (oder Löcher und Elektronen rekombinieren). Es entsteht eine Raumladungszone oder Sperrschicht.

Elektronen, die auf der n-dotierten Seite („Kathode“) zugeführt werden, können sich im n-dotierten Bereich frei bewegen, genauso Löcher, die auf der p-dotierten Seite („Anode“) zugeführt werden. Legt man eine Spannung in Durchlassrichtung an, so dass der Strom von der Anode zur Kathode fließt (Achtung: technische Stromrichtung!), werden immer weitere Elektronen und Löcher zugeführt, die in der Sperrschicht rekombinieren können. Die Energie, die dabei frei wird, wird als Gitterschwingung (Phonon) an den Kristall abgegeben und erwärmt diesen oder als Licht (Photon) abgestrahlt.

pn-Übergang mit Lichtaussendung bei Rekombination

Dieser Übergang, bei Energie und Impuls erhalten sein müssen, ist im Bändermodell einfacher zu visualisieren. Die einzelnen Energieniveaus der Atome verschmieren wegen der periodischen Anordnung der Atome im Kristall zu einem Valenzband und einem Leitungsband die energetisch durch eine Bandlücke getrennt sind. Fest im Kristallgitter gebundene Elektronen befinden sich im Valenzband, frei bewegliche Elektronen im Leitungsband. Auf der n-dotierten Seite ist folglich das Valenzband voll und einige Elektronen befinden sich im Leitungsband; sie stammen vom Donatorniveau. Auf der p-dotierten Seite ist im Valenzband noch Platz, da einige Elektronen durch das Akzeptorniveau gebunden wurden; das Leitungsband ist leer.

Einfarbige LEDs

Die Bandlücke ΔE legt fest, welche Wellenlänge das emittierte Licht hat. Durch geschickte Wahl der Materialien kann die Farbe des Lichts einer LED festgelegt werden.

Für blaue LEDs, die normalerweise die Grundlage für alle weißen LEDs bilden, wird Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) verwendet.

Verschiedenfarbige LEDs können dann auch kombiniert werden. Eine rote, eine grüne und eine blaue LED ergeben zusammen beispielsweise weißes Licht.

Leuchtstoffe

Wesentlich häufiger wird aber eine blaue LED mit einem Leuchtstoff kombiniert um weißes Licht zu erzeugen. Der Leuchtstoff wandelt einen Teil des blauen Lichts in grünes, gelbes und rotes Licht um, so dass der gesamte Spektralbereich abgedeckt ist.

Handelsübliche weiße LEDs bestehen aus einer blauen LED mit einem Leuchtstoff im gelben Bereich. Je nach Breite und Menge des Leuchtstoffs lässt sich die Farbwiedergabe zwischen 70 und 80 und die Farbtemperatur variieren. Das Spektrum hatte gewisse Ähnlichkeiten mit dem Spektrum der Leuchtstoffröhren aus den 1950ern, die LEDs erreichen auch ähnliche Farbwiedergabewerte von Ra≈70.



Mit mehr als einem Leuchtstoff ist ein stärker kontinuierliches Spektrum mit Farbwiedergabeindex größer als 90 möglich.



Aufbau

Eine große Rolle bei der Effizienz einer LED spielen die elektrischen Kontakte und die Wärmeabführung. Die elektrischen Kontakte dürfen kein Licht schlucken müssen aber den Halbleiter trotzdem gleichmäßig mit Strom versorgen. Da die Effizienz von LEDs bisher noch gering ist, muss die entstehende Wärme abgeführt werden. Andernfalls führt die hohe Temperatur zu starken Gitterschwingungen, die Schäden im Halbleiterkristall verursachen und somit die LED zerstören.

DIP-LEDs

DIP (dual in-line package) bezeichnet eine Bauform für elektronische Bauteile, die zwei Reihen von Anschlussstiften (Pins) haben, mit denen sie auf Platinen gelötet werden können.

SMD-LEDs

SMD (surface mounted device) bezeichnet eine Bauform für elektronische Bauteile, die direkt über die Fläche auf einen elektrischen Kontakt gelötet werden.

Effizienz

Die Effizienz einzelner weißen LEDs unter Laborbedingung mit entsprechender Kühlung und optimierter Stromversorgung erreicht mittlerweile um die 250lm/W. Im praktischen Einsatz werden LEDs jedoch üblicherweise nicht auf maximal Effizienz ohne Berücksichtigung der Helligkeit optimiert (vgl. T5HO vs. T5HE). Große Verluste entstehen durch die Spannungswandlung zur Stromversorgung der LEDs und Verluste durch Kühlung der LEDs.

Komplette LED Lampen, die direkt als Ersatz für Glühbirnen, Leuchtstoffröhren oder Halogenstrahler verwendet werden können, erreichen meist nur 30-40lm/W und liegen somit weit hinter Röhren oder Halogenmetalldampfstrahlern zurück. Es gibt mittlerweile aber auch LED-Systeme als Ersatz für Leuchtstoffröhren die effektive 110lm/W erreichen.

Licht ohne Wärme

LEDs strahlen Licht im Bereich von 450-650nm ab. Diese Strahlung wirkt, wenn sie vom Bodengrund oder dem Reptil absorbiert wird, als Wärme. Licht ohne Wärme ist daher physikalisch nicht möglich. Das Spektrum von Leuchtstoffröhren und LEDs ist sehr ähnlich (eng begrenzt auf 400-700nm, kein IR oder UV), daher heizen LEDs und Röhren ein Terrarium bei gleicher Lichtmenge ähnlich stark auf.

Häufig werden LEDs jedoch mit sehr geringer Leistung eingesetzt, häufig 1-8W. Diese Systeme erzeugen tatsächlich nur sehr wenig Wärme, jedoch gleichzeitig auf sehr wenig Licht. Das lässt sich auch mit 6W oder 8W T5-Röhren erreichen.

LEDs für Reptilien

Wie oben schon geschrieben, halte ich LEDs für die Terrarienbeleuchtung wegen der geringen Effizienz im Vergleich zu anderen Lampen und des stark auf das menschliche Sehvermögen zugeschnittene Spektrum für nicht empfehlenswert.

Es gibt inzwischen zwar viele LEDs, die Leuchtstoffröhren und hqi-Strahler im Punkt Lumen-pro-Watt weit übertreffen, selbst dann, wenn man auch den Verbrauch der Vorschaltelektronik und einer möglichen Kühlung berücksichtigt. Allerdings haben diese LEDs in der Regel eine sehr ungünstige spektrale Lichtverteilung. Sie decken den für Reptilien sichtbaren Bereich nicht ab und wirken oft auch für das menschliche Auge sehr unangenehm.

Auf der anderen Seite gibt es auch LED-Systeme, die ein hervorragendes Spektrum im gesamten für Reptilien sichtbaren Bereich haben. Diese LED-Systeme bestehen aus vielen Einzel-LEDs, deren unterschiedliche Farben sich zu einem sonnenähnlichem Licht mischen sollen. In diesem Beispiel sind es 26 unterschiedliche LEDs die sich zusätzlich so ansteuern lassen, dass auch die unterschiedlichen Sonnenspektren verschiedener Tagesphasen nachgebildet werden können. Diese LED-Systeme sind jedoch weniger effizient als Leuchtstoffröhren oder hqi-Strahler. Zusätzlich sind sie sehr viel teurer als hqi-Strahler und Röhren und werden diese höheren Anschaffungskosten vermutlich auch nicht durch eine längere Lebensdauer ausgleichen.

Es gibt inzwischen einige Hersteller, die einen Mittelweg versuchen. Econlux (Solar Raptor) bietet einen Reptile Sunstrip UVA an, bei dem auf neun weiße LEDs eine UVA-LED (368 nm) kommt. MaxSpect bietet LED-Aquarienbeleuchtung mit zusätzlichen blauen und UVA LEDs. Das Gesamtspektrum wirkt aber meist nicht sehr sonnenähnlich. Da die UV LEDs nur vereinzelt in der Leuchte angebracht werden, ist fraglich, ob die Lichtverteilung insgesamt farblich wirklich homogen wird. Ich vermute sehr stark farbige Schatten1), stärker noch als bei der Philips "LivingColors"

Mit hqi-Strahlern haben wir in der Terraristik eine Lampe, die kostengünstig ist und Licht mit einer Helligkeit und einer spektralen Verteilung abstrahlt, die dem Sonnenlicht sehr nahe kommt. Ich sehe hier in den meisten Anwendungsfällen keinen Vorteil von LEDs gegenüber diesem bewährten Lampentyp.

UV-LED

Die Firma S-ET stellt verschiedene UV-LEDs mit Maximum zwischen 240nm und 355nm her.

1) Erklärung warum farbige Schatten entstehen: http://www.chemiephysikskripte.de/schatten/schatten.htm

Diskussion

N. Hesse, 2013/02/26 00:00

Sehr interessanter Beitrag!

Ich bin bei LEDs bisher noch nie auf das Thema Reptilien oder Wellenlänge gekommen, da es mir meistens nur um die Verwendung innerhalb des Haushalts für mich oder meine Familie in Frage kam. Ich stimme Ihnen zu, dass LEDs aufgrund der Wahrnehmung von Reptilien sicher nicht geeignet sind, bin aber skeptisch bei der Aussage, dass LEDs „meist noch deutlich weniger effizient als Leuchtstoffröhren und Metallhalogeniddampflampen“ sein sollen…haben Sie da konkrete Quellen für? Auch wenn das sicherlich nicht zu diesem Thema passt, aber soweit ich gehört habe, planen v.a. viele Gemeinden gerade die Dampflampen abzuschaffen und bei Straßenlaternen vermehrt auf LEDs zu setzen… Siehe auch hier: http://kea-bw.de/fileadmin/user_upload/pdf/veranstaltungen/KS_Konkret%20Reutlingen/Praesentation_Volz_VDE.pdf

Bei der o.g. Liste ist mir noch aufgefallen, dass keine <a href=„http://www.gruenspar.de/led-lampen/e14-led-lampen.html“>E14 LEDs</a> erwähnt wurden, das ist inzwischen aber auch eine typische und gängige Lampe.

Mit freundlichen Grüßen, Nikolai

Sarina Wunderlich, 2014/03/10 20:29

Hallo Nikolai,

Quellen für die Effizienz von LEDs habe ich in der Tabelle ganz oben auf dieser Seite angegeben. Wenn sie eine LED kennen, die deutlich effizienter ist, freue ich mich immer dazu zu lernen! Ob an eine LED ein elektrischer Anschluss für eine E27 oder eine E14-Fassung montiert wird, halte ich für nebensächlich, daher sehe ich keinen Sinn darin diese Lampen extra aufzuführen. Für die Terrarienbeleuchtung spielen E14-Fassungen sowieso praktisch keine Rolle.

In der Straßenbeleuchtung sind andere Aspekte als bei der Wohnraum und Terrarienbleuchtung relevant, die Qualität des Spektrums spielt eine sehr viel untergeordnete Rolle und die räumliche Verteilung wird wichtiger. Allerdings sehen Sie auf Folie 14 der verlinkten Präsentation, dass die erreichte Beleuchtungstärke von LEDs deutlich unter den Natriumdampflampen und auch unter den hqi-Strahlern liegt.

Viele Grüße Sarina

Dieter Ernst, 2013/06/24 00:00

LEDs haben im Laufe ihrer rasanten Entwicklung auch punkto Effizienz die meisten Konkurrenten übertrumpft, man sollte aber nicht nur auf Philips und OSRAM achten, die in diesem Punkt immer hinterherhinken (bei Spots geben sie entsprechende Werte nicht einmal an)

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led/start.txt · Zuletzt geändert: 2014/03/27 11:03 von sarina

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