LEDs halten lange und sind energiesparend. Jetzt ermöglichen Forscher noch kompaktere LED-Lampen mit höherer Lichtleistung als kommerzielle Modelle. Der Schlüssel zum Erfolg sind Transistoren auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid.
Glühbirnen sind mittlerweile in der EU verboten und Energiesparlampen sehr umstritten. Ab 2016 kommt auch das Aus für Halogenlampen mit mehr als zehn Watt. Damit hat die LED (Licht-emittierende Diode) beste Chancen, das Leuchtmittel der Zukunft zu werden. LED-Retrofit-Lampen, die in Glühbirnenfassungen passen, werden Experten zufolge ab 2015 erstmals einen höheren Marktanteil als klassische Energiesparlampen erreichen. Bis zum Jahr 2020 wird ein LED-Anteil in der Beleuchtung von 88 bis 90 Prozent prognostiziert. Die winzigen Dioden bieten zahlreiche Vorteile: Sie sind die umweltfreundlichsten Lichtquellen, da sie keine schädlichen Stoffe beinhalten, weniger Energie verbrauchen, und mit einer Laufzeit von 15 000 bis zu 30 000 Stunden eine höhere Lebensdauer als herkömmliche Lichtquellen besitzen. Sofort nach dem Einschalten strahlen sie in voller Helligkeit.
Treiber mit geringerem Kühlbedarf
LEDs haben jedoch eine Schwachstelle: Sie reagieren sehr empfindlich auf Stromschwankungen und Spannungsspitzen. Um einwandfrei funktionieren zu können, benötigen sie einen Treiber, der ständig für einen konstanten Strom sorgt. Der Treiber, der den Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom mit reduzierter Spannung wandelt, bestimmt maßgeblich die Lichtausbeute und Lebensdauer der gesamten LED-Lampe. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Treiberelektronik. Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg setzen auf Spannungswandler mit Transistoren, die auf Galliumnitrid (GaN) basieren. In den Praxistests der Wissenschaftler erwiesen sich die entwickelten Treiber mit dem neuen Halbleitermaterial als äußerst robust. Bauteile aus GaN können bei höheren Strömen, Spannungen und Temperaturen betrieben werden als herkömmliche Transistoren aus Silizium. »Wärme beeinflusst neben der Helligkeit die Lebensdauer der LED-Leuchte«, sagt Dr. Michael Kunzer, Gruppenleiter am IAF.
Galliumnitrid-Transistoren schalten mit hoher Frequenz
Galliumnitrid-Transistoren lassen sich zusätzlich bei hohen Frequenzen schalten. Die Schaltgeschwindigkeit beeinflusst dabei maßgeblich die Größe der in den Treibern als Energiespeicher verbauten Spulen und Kondensatoren. Die Schaltgeschwindigkeit eines GaN-basierten Treibers kann bis zu einem Faktor 10 höher ausgelegt werden, als die des Pendants aus Silizium. »Auf einer kleineren Fläche sind somit kostengünstigere Schaltungen möglich. Die LED-Lampe kann insgesamt kompakter und leichter konstruiert werden, sie bringt aber dennoch die gleiche oder eine höhere Lichtleistung«, erläutert Kunzer. Da die Energiespeicher die Herstellungskosten erheblich beeinflussen, könnte sich dies durchaus positiv auf den Preis auswirken.
Aufgrund der positiven Eigenschaften des neuen Halbleitermaterials ist es Kunzer und seinem Team gelungen, den Wirkungsgrad des GaN-Treibers auf 86 Prozent zu steigern. Er liegt damit ein bis vier Prozent über dem Wert der Pendants aus Silizium. Zudem erzielten die Leuchten eine doppelt so hohe Lichtleistung wie derzeit verfügbare LED-Lampen mit Siliziumtransistoren: Während LED-Retrofit-Lampen mit Siliziumbauelementen einen Lichtstrom von etwa 1000 Lumen – das Maß für die Helligkeit – erreichen, kommen die Forscher vom IAF auf 2090 Lumen. »20 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs gehen auf das Konto der Beleuchtung. Hier lohnt sich das Sparen besonders. Die Effizienz der LED-Treiber ist dabei eine nicht zu unterschätzende Größe, sie ist ein wichtiger Faktor, um Energie zu sparen. Denn je höher die Lichtausbeute beziehungsweise der Wirkungsgrad ausfällt, desto geringer ist der Stromverbrauch. Geht man davon aus, dass LEDs im Jahr 2020 einen Marktanteil von fast 90 Prozent haben, tragen sie erheblich zum Umweltschutz bei«, sagt Kunzer. Einen Demonstrator ihrer energiesparenden Retrofit-LED präsentieren die Forscher vom 7. bis 11. April auf der Hannover Messe am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 2, Stand D18.
(Fraunhofer-Gesellschaft, 05.03.2014 – AKR)
