Die effizientesten weißen LED Röhren erreichten bis zum Juli 2015 eine Helligkeit von 340 lm/W bereits im September 2011 waren es 250 lm/W. Das mögliche Maximum liegt bei ca. 350 lm/W, dies entspricht 100 % Strahlungsleistung bei 6600 Kelvin.
Da in der Einheit Lumen die Eigenschaften des menschlichen Auges berücksichtigt werden , erreichen LED Röhren in den Farben Grün bis Gelb besonders gute Werte, obwohl gerade blaue LED Röhren deutlich schlechter abschneiden. Der rein physikalische Wirkungsgrad, also die Umwandlung elektrischer Energie in Licht, sind blaue LED Röhren in der Regel besser. Physikalische Wirkungsgrade sind derzeit bis zu 30 % erreichbar, bezogen auf die eigentliche weiße LED Röhre, ohne Verluste durch Vorschaltgeräte und gegebenenfalls Optik.
Massenfertigung von LED Röhren
Der Wirkungsgrad einer massengefertigten LED Röhre unterliegt einer gewissen Streuung. So wurden bereits vor Jahren einzelne LED Muster mit hohem Wirkungsgrad im Labor hergestellt und bald darauf als Massenprodukt angekündigt. Mit dem sogenannten „Fluxbinning“ werden aus einer Produktion mehrere Klassen verschiedener Lichtströme der LED Lampen selektiert und mit jeweils unterschiedlichen Preisen angeboten. Selbstverständlich wirbt ein Hersteller mit seiner höchsten Klasse der LED Röhren. Wie klein der Anteil der besten Klasse an der Gesamtproduktion ist, erfährt man indirekt über den Preis und die Lieferbarkeit von LED Leuchtstofflampen.
LED Röhren: Betrieb, Anschluss und Entsorgung
Schaltzeichen einer Leuchtdiode in LED Leuchtstofflampen.
Der Lichtstrom einer LED Röhre wächst mit der Leistungsaufnahme. Bei konstanter Halbleitertemperatur ist die Zunahme annähernd proportional. Der Wirkungsgrad sinkt in der Regel mit steigender Temperatur, deshalb sinkt die Lichtausbeute an der Leistungsgrenze je nach Art der Kühlung ab. Die LED Röhren altern beschleunigt bis hin zum Komplettausfall, wenn die Temperatur des Halbleiters zirka 150 °C für längere Zeit übersteigt.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie beschreibt, wie ein Verbraucher auf eine angelegte Spannung reagiert. Bei einem ohmschen Verbraucher nimmt der Strom linear mit der Spannung zu. LED Röhren besitzen, typisch für Halbleiterdioden, eine exponentielle Kennlinie. Kleine Schwankungen in der Spannung verursachen große Stromänderungen. Das kann für Röhren gefährlich werden.
Schematische Kennlinie von blauen LED Röhren die durch die Beschichtung weiss leuchtet.
Das Bild rechts gibt die Strom-Spannungskennlinie einer Leuchtdiode schematisch wieder. Die Skalierung bezieht sich auf eine weiße Hochleistungsleuchtdiode mit einem Nennstrom von 350 mA. Diesen Strom können LED Röhren unter Normalbedingungen aufnehmen, ohne dass eine Überhitzung des Halbleiters zu befürchten ist. Aus ihrer Kennlinie liest man eine Flussspannung bei Nennstrom von etwa 3,4 V ab, entsprechend einer Leistungsaufnahme von etwa 1 W.
LED Röhren sollten aufgrund ihrer Kennlinie nicht direkt an einer Spannungsquelle wie eine Batterie angeschlossen werden. Ein direkter Betrieb an einer Stromquelle, idealerweise einer Konstantstromquelle, ist aufgrund der Kennlinie problemlos möglich. Beispielsweise wird eine blaue LED bei Anlegen einer Spannung von 2,4 V (zwei NiMh-Akkus à 1,2 V) dunkel bleiben. Bei 3 V (zwei Alkali-Mangan-Primärzellen handelsübliche nichtaufladbare „Batterien“) erreicht sie gerade 30 % der Nennleistung. Drei Akku-Zellen mit zusammen 3,6 V jedoch steigern die Leistungsaufnahme auf über 150 %, ohne aktive Kühlung fallen die LED Röhren nach kurzer Zeit aus. Die rote Linie im Diagramm markiert eine etwas abweichende Kennlinie, verursacht durch Exemplarstreuungen der Halbleitereigenschaften beziehungsweise Temperaturerhöhung (mit steigender Temperatur nehmen Bandabstand und Durchlassspannung der Diode ab). Daher kann der Strom auch bei konstant gehaltener Durchlassspannung um mehr als 50 % anwachsen. Aus diesem Grund betreibt man LED Röhren an Spannungsquellen ausschließlich mit zusätzlichen Maßnahmen zur Strombegrenzung.
Für einige µs bis wenige ms können LED Röhren mit Strömen des Mehrfachen des Dauer-Nennstromes im Impulsbetrieb betrieben werden. Vor allem Infrarot-LED Röhren sind dafür spezifiziert. Eine typische Anwendung dieser Toleranz sind Infrarot-Fernbedienungen, bei denen LED Röhren mit etwa 40 kHz gepulst betrieben werden. Die Modulation der Licht- bzw. Strahlungsleistung ist je nach LED Typ bis zu mehreren 100 kHz bis einigen 10 MHz möglich.
Betrieb von LED Röhren mit Vorwiderstand
Bestimmung des Arbeitspunktes bei bekannter Diodenkennlinie
Die einfachste Möglichkeit der Versorgung einer LED Röhre an einer Spannungsquelle ist, in Reihe zu ihr einen Vorwiderstand zu schalten. Der Wirkungsgrad ist prinzipiell nicht schlechter als bei einer linear geregelten Konstantstromquelle. Wird diese Anordnung mit einer Spannungsquelle betrieben, deren Spannung U0 unter Last (Nennstrom I) bekannt ist, so lässt sich der gewünschte Strom I über die Wahl des Widerstandes einstellen:
R = \frac{U_{0}-U_\mathrm{LED}}{I}
Beispiel: U_{0}=4{,}5\ \mathrm{V},\ I=0{,}35\ \mathrm{A},\ U_\mathrm{LED}=3{,}4\ \mathrm{V}
R = \frac{4{,}5\ \mathrm{V} – 3{,}4\ \mathrm{V}}{0{,}35\ \mathrm{A}} = 3{,}1\ \Omega\
Die Verlustleistung und damit die Baugröße des Widerstandes ergibt sich zu
P_\text{Verlust}=\Delta {U} \cdot \ I_\mathrm{LED} = 1{,}1\ \mathrm{V} \cdot 0{,}35\ \mathrm{A} = 0{,}385\ \mathrm{W}
Der nächsthöhere Normwert ist 0,5 W.
Bei einer ungeregelten Spannungsquelle wie einem Netzteil aus Transformator mit Gleichrichter und Glättungskondensator führt der Innenwiderstand der Quelle zu einer starken Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Laststrom. Bei der obigen Formel ist dann zu beachten, dass U0 nicht die Leerlaufspannung ist, sondern die Ausgangsspannung beim Nennstrom I, welche sich bei kleinen Transformatoren (ca. 3 VA) gegenüber der Leerlaufspannung nahezu halbieren kann.
Der Nachteil für LED Röhren eines Vorwiderstands liegt in der starken Variabilität des Stroms bei einer veränderlichen Versorgungsspannung begründet, wie es beispielsweise in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen der Fall ist. Das gilt vor allem dann, wenn durch die Reihenschaltung mehrerer LED Röhren eine relativ geringe Spannung am Vorwiderstand abfällt, was andererseits die Verluste der LED Röhren verringert.