In Netztrafos werden Flussdichten bis ca. 2 Tesla (T) gewählt. In Übertragern bis ca. 0,5 Tesla (T). Was ist dafür der Grund? Und was hat das mit der Sättigung zu tun?

Netztransformatoren werden auf die Netzfrequenz optimiert und sollen nur eine Frequenz übertragen. Übertrager sollen eine Frequenz von (ca.) 30 Hz bis 15 kHz übertragen. Netztransformatoren werden ohne Luftspalt im Eisenkern gefertigt und bis zur Sättigungsgrenze magnetisiert. Die Sättigungsgrenze liegt meist bei 1,5 bis 1,6 Tesla wenn hochlegiertes Elektroblech verwendet wird.

Durch die große Frequenzbandbreite bei Übertragern darf bei keiner Frequenz die Sättigung erreicht werden. Das würde zu Verzerrungen führen und der Klirrfaktor würde stark ansteigen. Luft ist ein magnetisch schlechter Leiter. Eine magnetische Sättigung bei Luft ist nicht möglich. Darum wird bei Tonfrequenzübertragern im Eisenkern ein Luftspalt eingebaut. Nur so ist eine einigermaßen verzerrungsarme Übertragung des gewünschten Tonbereiches möglich. Es wird damit auch nur eine geringere Magnetisierung möglich.

Seit dem Leuchtdioden sehr hell und weiß sind, liegt der Wunsch nahe sie zur Beleuchtung einzusetzen. Doch für Beleuchtungszwecke können LEDs normale Glühbirnen nicht einfach so ersetzen. LEDs produzieren neben Licht auch Wärme. Wärme wiederum verbessert die Leitfähigkeit von Halbleitern und deshalb auch von LEDs. Der Strom steigt an, was auch einen Temperaturanstieg zur Folge hat. Das Aufschaukeln von Temperatur und Strom wird in der Regel durch eine Strombegrenzung verhindert. Doch auch eine gute Wärmeableitung ist sehr wichtig.

Gefordert sind völlig neue Beleuchtungskonzepte, um die Möglichkeiten der LEDs ausschöpfen zu können. Das bedeutet freie Formen und digitale Farbsteuerung.

Zur Beleuchtung nutzt man derzeit weiße LEDs. Deren Farbstabilität und Farbtemperatur ist allerdings alles andere als optimal. Weiße LEDs bestehen aus einem blau leuchtenden Halbleiter, der in einem gelben Phosphor beschichteten Gehäuse steckt. So wird aus dem blauen Licht ein weißes Licht. Dessen Farbtemperatur hängt von der Phosphor-Beschichtung und der Dotierung des Halbleiters ab. Hinzu kommt, dass sich der Weißton in Abhängigkeit der Richtung, aus der man auf das Licht sieht, ändert.

Vorteile gegenüber Glühlampen

• deutliche höhere Lichtausbeute
• lange Lebensdauer
• hohe manuelle Belastbarkeit
• zuverlässiger
• lassen sich schneller schalten und modulieren
• günstige Gesamtkosten (Anschaffung + Betrieb)
• Lebensdauer bis 100.000 Stunden

Schwächen der LED

• geringe Leistung pro Einheit
• Elektronik zur Ansteuerung notwendig
• hohe Einstiegskosten
• Effizienz und Lichtfarbe von den Temperaturen abhängig
• Farbunterschiede zwischen den Produktionsserien

Ansteuerung

Für die Ansteuerung der Leuchtdioden ist zusätzliche Elektronik notwendig. Für die beste Lichtausbeute und Lebensdauer müssen die festgelegten Ströme und Spannungen eingehalten werden. Während sich eine LED mit 20 mA Betriebsstrom mit einem einfachen Vorwiderstand steuern lässt, ist das bei einer Hochleistungs-LED nicht möglich. Sie benötigt einen größeren Strom und eine umfangreiche Wärmeabfuhr.

Wärmeproblem

Die Lebensdauer einer LED hängt maßgeblich von deren Erwärmung ab. Je wärmer, desto kürzer ist die Lebensdauer und desto ineffizienter arbeitet sie. Da nicht die gesamte Energie in Licht umgewandelt werden kann, entsteht Wärme. Diese muss abgeleitet werden. Entweder über das Gehäuse oder einen Kühlkörper. Eine aktive Kühlung scheidet aus verschiedenen Gründen aus.

Fazit

Noch sind LEDs keine gebührenden Nachfolger von Glühlampen. Es ist jedoch davon auszugehen, dass LEDs sich im Bereich der Beleuchtung vollständig durchsetzen werden. Das kann aber noch ein paar Jahre dauern.

Es gibt zwei verschiedene Arten, um mit LEDs weißes Licht zu erzeugen.

Farben mischen

Die eine Möglichkeit ist, rote, grüne und blaue LEDs zu mischen. Daraus entsteht ein weißes Licht mit einstellbarem Farbraum. In dieser Form werden drei Leuchtdioden in einem gemeinsamen Gehäuse vereinigt. Man erkennt diese Gehäuse an den sechs Anschlüssen, die sternförmig am LED-Chip angebracht sind. Die Farbtemperatur, ja sogar die Farbe lässt sich sehr fein einstellen. Diese RGB-LEDs sind aber teuer.

Farben filtern

Die zweite Möglichkeit ist eine Blau leuchtende LED, deren Gehäuse mit einer gelben Phosphorschicht überzogen ist. Diese Schicht wirkt als Filter für die blauen Photonen, die als gelbes Licht emittieren. Das blaue und gelbe Licht vermischen sich zu einem weißen Licht. Man bezeichnet diese LEDs als weiße Dioden.
Die Farbtemperatur wird bei der Herstellung festgelegt. Nachträglich lässt sich nichts mehr ändern. Diese Pseudo-White-LEDs gibt es mit warmem, neutralem und kaltem Weißlicht mit Farbtemperaturen zwischen 2.500 und 10.000 Kelvin.

Der Elektronik-Bastler wird mit Erstaunen feststellen, dass die LED in einer LED-Taschenlampe keinen Vorwiderstand hat. Das ist insbesondere bei diesen Schlüsselanhänger-LED-Taschenlampen so. Doch auch hier ist ein strombegrenzender Widerstand eingebaut, auch wenn man ihn nicht sieht.

Der Widerstand ist die Spannungsquelle in Form einer Knopfzelle.

Batterien haben einen relativ hohen Innenwiderstand, der strombegrenzend wirkt. Auch für die LED.

Da LEDs auch ohne Vorwiderstand funktionieren, ist es schwierig, Argumente für den dringend notwendigen Vorwiderstand zu finden. In der Regel fußt der Versuch eines dauerhaften Betriebs einer LED “ohne Vorwiderstand” auf der Unkenntnis über die innere Funktionsweise einer LED oder von Halbleitern allgemein.

LEDs sind stromgesteuert. Je mehr Strom durch sie hindurch fließt, desto heller leuchten Sie. Betreibt man eine LED mit drei verschiedenen Vorwiderständen und erzeugt 10, 15 und 20 mA sieht man deutlich den Unterschied.

Bei der Erzeugung von Licht, egal ob Glühlampe oder LED, entsteht immer auch Wärme. Wärme drückt sich bei einen Halbleiter, wie zum Beispiel bei einer LED, in einer besseren Leitfähigkeit aus. Das bedeutet, der Strom durch eine warme LED ist größer als durch eine kalte LED.

Welche Konsequenz resultiert daraus? Die leuchtende LED erzeugt Wärme. Die Wärme führt zu einer besseren Leitfähigkeit. Durch die LED fließt dann mehr Strom. Die LED leuchtet heller und erzeugt mehr Wärme. Mehr Wärme, bessere Leitfähigkeit und noch mehr Strom. Irgendwann ist der Strom jedoch so groß, dass die LED zerstört wird.
Um dem vorzubeugen, wird der Strom durch die LED durch eine Konstantstromquelle geregelt oder einen Vorwiderstand begrenzt.