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Farbmischsysteme mit LEDs basieren in der Regel entweder auf einem 3- oder 4-Kanal-Ansatz. Beim 4-Kanal-Ansatz wird die rote, grüne und blaue Lichtquelle durch eine weiße LED ergänzt. Der vierte Kanal kann einen großen Unterschied in der Wiedergabequalität ausmachen.

Bei einem 4-Kanal-Ansatz entscheiden sich Leuchtendesigner oft für eine weiße LED (2700 K bis 7500 K CCT, nahe der Schwarzkörperlinie). Weiß liegt im erreichbaren Bereich der 3-Kanal-RGB-Lösung, aber das Hinzufügen einer durch Phosphorkonversion weißen LED ergibt ein ausgewogeneres Spektrum und oft eine bessere Farbwiedergabe. Zudem kann das Bauelement in einem einfachen 1-Kanal-Modus betrieben werden, um weißes Licht in guter Qualität zu erzeugen.

Cree LED hat die High-Power-LED-Serie XLamp Element G (XE-G) und die Mid-Power-Farb-LED J Series 2835 eingeführt, die bis zu 17 Farboptionen sowie die gesamte Palette der weißen CCT- und CRI-Optionen bietet. Diese neuen Farboptionen ermöglichen erstmals neue farblich abstimmbare 4-Kanal-Lösungen mit einer höheren LPW-Ausbeute (Lumen pro Watt) und präziserer Farbwiedergabe. Eine weitere Option sind die XLamp Pro9 High-Power LEDs, die eine sehr hohe Effizienz aufweisen.

Testaufbau

Um die Auswirkungen verschiedener Lichtquellen als vierten Kanal zu testen, verwendete Cree vier XLamp XE-G-LEDs, die einzeln mit separaten Netzteilen angesteuert wurden. Dabei wurde der Ansteuerungsstrom jeder LED so eingestellt, dass der Gesamtstrom des Systems stets 3 A betrug (Abbildung 1).

Abbildung 1: Vier XLamp XE-G-LEDs montiert auf einer MCPCB in einer Pinwheel-Konfiguration mit einem Abstand von ca. 200 μm (Quelle: Cree)

Die MCPCB wurde an einem thermoelektrischen Kühler (TEC) befestigt, der auf eine Temperatur von 25 °C eingestellt war. Die Daten wurden in einer Ulbricht-Kugel ohne Sekundäroptik oder Diffusor gesammelt, und zwar nur für Konfigurationen, die CRI-/Ra-Werte von mindestens 70 ergaben.

Vier Kanäle gleichzeitig

In vielen RGBW-Anwendungen verwenden Entwickler den Weißkanal nur für weißes Licht und die RGB-Kanäle in einem 3-Kanal-Farbmischmodus, um auf den Rest des Farbraums für nicht-weißes Licht zuzugreifen. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass sowohl eine höhere LPW-Ausbeute als auch eine bessere Farbwiedergabe möglich sind, wenn alle vier Kanäle gleichzeitig verwendet werden, um eine Reihe von weißen CCTs und nicht-weißen Farbräume zu erreichen.

Im ersten Test wurde ein RGBW-Array verwendet, bei dem eine XE-G LED mit 4000 K und CRI 90 als Weißkanal eingesetzt wurde. Die Ergebnisse zeigen LPW-Verbesserungen von bis zu 33 Prozent unter Beibehaltung eines CRI-Mindestwerts von 90, zusammen mit höheren CRI R9-Werten über den größten Teil des CCT-Bereichs. Die höhere LPW-Ausbeute wird dadurch erreicht, dass der gleiche Gesamtstrom auf die vierfache Epi-Fläche verteilt wird, sodass jeder Chip effizienter arbeitet. Die höhere Farbqualität resultiert aus einem volleren, flacheren Spektrum. Zudem ermöglicht der 4-Kanal-Modus eine bessere Kontrolle über Farbqualitätsspezifikationen wie TM-30.

Ein nicht-weißer vierter Farbkanal

Das folgende Datenset stammt aus einem anderen Experiment, bei dem die Kanäle Rot, Grün und Blau durch sechs verschiedene Farben im vierten Kanal ergänzt wurden: PC-Mint, PC-Gelborange, PC-Limette, PC-Gelb, 4000 K CRI 90 Weiß und 3000 K CRI 90 Weiß.

Bei den in Abbildung 2 gezeigten Daten zum Gesamtlumenausstoß fällt zuerst auf, dass es zwei unterschiedliche Gruppen gibt: Eine mit höheren Lumenwerten und eine mit niedrigeren. In der Gruppe mit niedrigeren Lumen wird eine LED verwendet, die roten oder gelben Leuchtstoff enthält. Die Verwendung von Leuchtstoff zur Umwandlung blauer Photonen in gelborange oder rote Photonen (Wellenlängen von 570‑700 nm) ist aufgrund der Stokes-Verschiebung und der Ineffizienz des Umwandlungsprozesses weniger effizient als die direkte Erzeugung dieser Photonen mit einer gelborangen oder roten LED. Obwohl jedes simulierte System bereits eine rote LED enthält, wird ein erheblicher Teil des Gesamtstroms von 3 A in die Leuchtstoff-konvertierte LED geleitet, um den CRI als Optimierungsziel zu maximieren.

Abbildung 2: Lichtstromabgabe der 4-LED-Arrays sortiert nach LED-Typ in der Position „weiß“.

Die drei LEDs in der Gruppe mit den höheren Lumenwerten bestehen aus Leuchtstoff-konvertierten LEDs, die im gelborangen oder roten Wellenlängenbereich keine hohe Lichtabgabe haben: PC-Mint, PC-Limette und PC-Gelb. Von diesen drei Farben liefert PC-Gelb im warmweißen Bereich (≤ 3000 K CCT) eine höhere Lichtausbeute als PC-Limette und PC-Mint, wobei alle drei Farben bei höheren CCTs ähnlich sind.

Verbesserte Farbwiedergabe

Jede 4-Kanal-Konfiguration wurde auf den höchstmöglichen CRI-/R_a-Wert abgestimmt. PC-Mint erzielte den höchsten CRI-/R_a der Gruppe, von 7500 K bis 4000 K, wo sie von der weißen LED mit 3000 K und CRI 90 übertroffen wurde. PC-Mint hat eine starke grüne Leuchtstoffleistung, die die Mitte des Spektrums ausfüllt und vor allem durch die roten und blauen LEDs ergänzt wird. In warmem Weiß hat diese Kombination nicht genug Rotanteil, um einen hohen CRI zu erreichen.

Die weiße LED mit 3000 K und CRI 90 wurde mithilfe der Direkt-roten LED auf CRI 96,5 bei 3000 K erhöht. Der CRI sinkt jedoch bei 2700 K und wärmerer Lichtfarbe. PC-Gelborange und PC-Gelb haben die beste CRI-Leistung von 2500 K bis 2200 K, da sie ein breites Spektrum im Wellenlängenbereich von 550 nm bis 620 nm aufweisen, das durch die rote LED mit 625 nm ergänzt wird. PC-Mint und PC-Limette verwenden grünen Leuchtstoff mit kürzerer Wellenlänge, der nicht so viel zu diesem Bereich beiträgt.

Die Anwendung ist entscheidend

Aufgrund der Komplexität des Datensatzes ist es schwierig, eine einzelne LED als die beste Option zur Ergänzung von RGB zu wählen. Da jede Anwendung unterschiedliche Anforderungen stellt, werden hier einige allgemeine Empfehlungen gegeben:

• PC-Gelb und PC-Limette bieten die höchste Lichtleistung und Effizienz, wenn CRI-/R_a-Werte im Bereich von 85-90 für die Anwendung akzeptabel sind.
• Bei Anwendungen, die CRI-/R_a-Werte über 90 erfordern, ist PC-Mint die beste Wahl für CCTs ≥ 3500 K.
• PC-Gelborange ist die beste Wahl für CRI-/R_a-Werte von mehr als 90 über den gesamten CCT-Bereich (7500 K bis 2200 K), wenn ein CRI R9-Wert von 70 ausreichend ist.
• Weiße LEDs übertreffen die Leuchtstoff-konvertierten Farben nur in bestimmten CCT-Bereichen, aber sie ermöglichen auch eine einfache, einkanalige Weißlichtausgabe.
• Es ist immer effizienter, alle vier LEDs zur Erzeugung von weißem Licht zu verwenden, als nur einen weißen Kanal zu nutzen, da die Stromdichte geringer ist und die Wärme besser abgeleitet wird.