Seit den 1960er Jahren werden Leuchtdioden (LEDs) für Applikationen mit geringem Stromverbrauch eingesetzt, z. B. für Anzeigeleuchten und Uhrendisplays. Da sie zunächst nur in den Farben Rot und Grün erhältlich waren, reichte ihr Lichtspektrum nicht aus, um die damaligen Glühlampen zu ersetzen. Dank bahnbrechender Fortschritte bei der GaN-Epitaxie und -Dotierung konnte 1993 die erste hellblaue LED hergestellt werden. Diese neuen LEDs verwendeten eine Phosphorbeschichtung, um die blauen Wellenlängen in ein breiteres Spektrum von Wellenlängen umzuwandeln, die in unseren Augen weiß erscheinen. Dank ihrer Fähigkeit, helles, weißes Licht zu emittieren, wurden LEDs zu einem brauchbaren Ersatz für herkömmliche Glühlampen in fast allen Anwendungen, von Haushalts- und Handleuchten bis hin zu Straßen- und Industrieleuchten.
Die ersten kommerziell erhältlichen LED-Leuchten in den frühen 2000er Jahren waren teurer als die herkömmlichen Leuchten. Das lag an den erheblichen Investitionen in Forschung und Entwicklung, die in diese Leuchten geflossen waren. Doch mit der Skalierung und Verbesserung der LED-Herstellungstechniken gehören LEDs heute zu den kostengünstigsten und langlebigsten Produkten in der Materialliste. Die Preis- und Leistungsverbesserungen sind größtenteils auf Durchbrüche bei der Herstellung der Halbleiter zurückzuführen, mit denen die LEDs betrieben werden, insbesondere GaN in blauen LEDs.
Da LEDs in unserer Welt immer fortschrittlicher werden und breiteren Einsatz finden, befassen wir uns in diesem Blogbeitrag mit dieser beeindruckenden Technologie und stellen einige der neuesten LED-Produkte vor.
Um die richtige Lösung für Ihre Applikationen zu finden, ist es wichtig, die Technischen Daten von LEDs zu verstehen. Bei der Beleuchtung eines Büroraums ist der Wirkungsgrad vielleicht das wichtigste Kriterium, während ein Designer, der eine farbwechselnde Leuchte entwirft, sicherstellen möchte, dass die LEDs die Farben genau wiedergeben können.
Im Folgenden finden Sie einige der technischen Daten von LEDs.
Die Begriffe Lichteffizienz und -ausbeute werden häufig synonym verwendet. Und obwohl die Begriffe miteinander verwandt sind, bedeuten sie etwas anderes. Die Lichtausbeute quantifiziert die pro Watt erzeugte Lichtmenge, während die Effizienz ein relatives Verhältnis zum Betriebsverhalten angibt.
Lichtausbeute, ausgedrückt in Lumen pro Watt (lm/W), gibt die Menge des von einem Gerät erzeugten sichtbaren Lichts im Verhältnis zur elektrischen Leistung an.
Lichteffizienz, ausgedrückt in Prozent, vergleicht die Effizienz des Geräts mit der theoretischen idealen Effizienz für dieses Gerät. Wenn eine LED beispielsweise eine Lichtausbeute von 172 lm/W hat, können wir sie mit einem bekannten theoretischen Idealwert von 683 lm/W vergleichen. 172 lm/W zu 683 lm/W ergibt also einen Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent. Der hier verwendete Wert von 683 lm/W bezieht sich auf eine ideale grüne Lichtquelle bei 555 nm – der Wellenlänge, für die das menschliche Auge am empfindlichsten ist. Die Effizienzberechnungen können je nach Lichtquelle angepasst werden; es ist sinnvoller, eine weiße LED mit einer idealen weißen LED zu vergleichen als mit einer grünen LED.
Als Lumen bezeichnet man die Messung des Lichtstroms bzw. des gesamten Ausgangs eines Emitters. Einfach ausgedrückt: Eine Lichtquelle mit mehr Lumen strahlt mehr Licht aus. Lumen helfen dabei, die Helligkeit einer Lichtquelle zu quantifizieren, aber die tatsächliche Leistung wird durch die Leuchte oder den Beleuchtungskörper bestimmt, in dem der Emitter eingebaut ist. Ein Autoscheinwerfer bündelt das Licht in einem nach vorne gerichteten Strahl, während die Innenbeleuchtung das Licht in einem Raum verteilt. In beiden Fällen geht ein Teil des Lichtstroms des Lichtstrahlers im Inneren der Leuchte verloren, da das Licht umherspringt, bevor es durch die Linse entweicht. Aus diesem Grund ermöglicht die Kenntnis anderer technischer Daten wie Lux und Candela einen umfassenderen Blick auf das Betriebsverhalten eines Geräts.
Lux misst die Lichtmenge, die auf eine Oberfläche trifft, ausgedrückt in Lumen pro Quadratmeter. Wenn Sie Ihr Lux-Ziel für einen bestimmten Bereich kennen, können Sie die Menge an Lumen berechnen, die Sie für Ihren Raum benötigen. Die erforderliche Lichtmenge für gewerbliche Anwendungen wie Lagerhallen oder andere Arbeitsplätze wird häufig in Lux definiert. Staatliche Stellen wie die US-Arbeitsschutzbehörde OSHA legen diese Normen häufig fest, um Sicherheit und Funktionalität zu gewährleisten. Typische Büros oder Klassenzimmer haben zwischen 300 und 1.000 Lux, wobei Präzisionsarbeitsplätze und Labors am oberen Ende der Skala liegen, während Lagerhallen nur 50 Lux haben können. Zum Vergleich: Volles Sonnenlicht kann bis zu 100.000 Lux betragen. Je größer der zu beleuchtende Bereich ist, desto mehr Lumen sind erforderlich, um das Lux-Ziel zu erreichen.
Mit Candela (cd) wird die Lichtstärke gemessen, d. h. der Lichtstrom in einer bestimmten Richtung. Diese Einheit quantifiziert die Menge des Lichtstroms in einem Bereich, der durch einen von der Lichtquelle ausgehenden Vollkegel definiert ist. Um Lumen in Candela umzurechnen, müssen wir die Gesamtlichtintensität durch die Winkelspanne der Lichtquelle in Steradiant teilen, eine Einheit zur Messung des Winkels im 3-D-Raum. Für eine Vollkugel (ohne Richtung) beträgt die Winkelspanne 4 pi, und daher entspricht ein Candela 12,57 Lumen von einer ungerichteten Lichtquelle. Wie der Name schon sagt, ist ein Candela das Äquivalent der Lichtintensität einer Kerze. Eine ideale Lichtquelle strahlt das Licht in alle Richtungen ab, aber das brauchen wir oft nicht. Candela sind besonders wichtig bei gerichteten Beleuchtungsanwendungen wie Scheinwerfern oder Autoscheinwerfern und werden in der Regel gemessen, nachdem eine LED in einer fertige Leuchte mit zugehöriger Optik eingebaut wurde. Die Candela-Messung ermöglicht es herauszufinden, wie viel Licht an dem Ort ist, wo wir das Licht benötigen.
Der Farbwiedergabeindex (CRI) vergleicht, wie eine Lichtquelle die Farben von Objekten im Vergleich zur Beleuchtung durch Sonnenlicht wiedergibt. CRI ist eine Skala von 0 bis 100, wobei 100 für ideales Sonnenlicht steht. Das Sonnenlicht enthält das gesamte Lichtspektrum, sodass vom Sonnenlicht beleuchtete Objekte ihre Farben genau wiedergeben. Enthält eine Lichtquelle nicht den gleichen Anteil des gesamten Lichtspektrums, können von dieser Lichtquelle beleuchtete Objekte stumpf oder verwaschen erscheinen, wenn ihre Farben nicht richtig ausgeleuchtet werden.
Um den optimalen CRI-Wert bei LEDs zu erreichen, ist Präzisionsarbeit erforderlich. Daher sollten Designer den für ihre Applikationen erforderlichen CRI-Wert berücksichtigen. Ein CRI von 70 bis 80 ist für eine leistungsstarke Außenbeleuchtung ausreichend. Für die Innenbeleuchtung gilt ein CRI von über 80 als gut, wobei viele Beleuchtungen für den Endverbraucher einen CRI von mindestens 90 bieten. Für Anwendungen, bei denen die Farbe eine wichtige Rolle spielt, wie z. B. in Kunstgalerien und im gehobenen Einzelhandel, werden moderne LEDs mit einem CRI von 98 verwendet.
Die korrelierte Farbtemperatur (CCT) wird in Kelvin (K) gemessen und gibt die Farbtemperatur einer Lichtquelle auf einer Skala von 1.000 K (Kerzenlicht) bis 10.000 K (blauer Himmel) an. Lichtquellen am unteren Ende der Skala (<3.000 K) haben einen wärmeren Ton und ein weicheres Leuchten. Diese Lichtquellen eignen sich ideal für den Einsatz in Innenräumen zu Hause oder in Restaurants, wo ihr wärmeres Licht als angenehm und entspannend empfunden wird. Neutrale Weißtöne um 3.500 bis 4.000 K ahmen das Tageslicht nach und eignen sich gut für Büro- und Verkaufsräume. Helles Weiß mit 5.000 bis 5.700 K ahmt direktes Sonnenlicht nach und liefert helles, klares Licht, das sich ideal für Sportstadien, Präzisionsarbeitsplätze und Lagerhäuser eignet. Kühles Weiß mit 6.000 K und mehr wird für Applikationen in der Landwirtschaft verwendet.
Das Wärmemanagement ist ein entscheidender Faktor, den die Entwickler bei der Verwendung von Hochleistungs-LEDs berücksichtigen müssen. Die Hälfte oder mehr des verbrauchten Stroms wird in Wärme umgewandelt, die abgeführt werden muss, um die Langlebigkeit der LED zu gewährleisten.
Transienten und Überspannungen verringern ebenfalls die Lebenserwartung von LEDs. Daher sollten Designer Verfahren zur Unterdrückung von Transienten und Bauteile auf der Leiterplatte des LED-Treibers verwenden, um Spannungs- und Stromspitzen zu blockieren, die Schaden anrichten können. Darüber hinaus muss auch der Betriebsstrom genau gesteuert werden. Eine Übersteuerung der LED kann mehr Wärme erzeugen, als das thermische Design verkraften kann. Das bedeutet, dass bei der Entwicklung der Leiterplatte für den LED-Treiber Vorsicht geboten ist.
Auch das betriebliche Umfeld muss berücksichtigt werden. LEDs werden im Innen- und Außenbereich eingesetzt. Raue Umgebungen erfordern spezielle Konstruktionen, und auch die Umgebungstemperaturen und die Luftfeuchtigkeit können sich auf die Leistung und Lebensdauer auswirken.
Wenn sie nicht überlastet werden, ist die Lebenserwartung von LEDs wesentlich höher als die von Glühlampen. Eine typische Glühlampe hält etwa 1.000 bis 1.500 Stunden, während LEDs für über 50.000 Stunden ausgelegt sind. Auch hier hängt die Lebenserwartung wesentlich davon ab, wie gut die Treiber-Leiterplatte dafür ausgelegt ist, Spannungsspitzen und Überspannungen zu unterdrücken, wie gut die Kühlkörper die Wärme von der LED-Komponente ableiten sowie von Umweltfaktoren wie beispielsweise der Umgebungstemperatur.
Angesichts zahlreicher Designherausforderungen für LEDs entwickelte Cree LED mit der XLamp® XP-G LED 2009 einen neuen Standard für herausragendes Betriebsverhalten: Sie produziert bis zu 400 Lumen bei 1 Ampere. Mit dieser Helligkeit und diesem Wirkungsgrad eröffnen sich große Einsatzbereiche zur Beleuchtung, wie z. B. Haushaltsbeleuchtung, Stromschienenbeleuchtung, allgemeine kommerzielle Beleuchtung und einige Einbaudownlights mit minimalem Wärme- und Strombedarf.
Bald darauf folgte die XLamp® XP-G2 LED mit einer um 20 Prozent höheren Lumenleistung, gefolgt von der XP-G3 LED im Jahr 2016 mit 31 Prozent mehr Lumen bei 8 Prozent mehr Watt. Die höhere Lichtausbeute bedeutete mehr Licht bei weniger Stromverbrauch und Wärmeabgabe. Dank dieser höheren Intensität eignen sich diese Leuchten für medizinische Anwendungen, bei denen gebündeltes Licht mit hoher Intensität ohne große Wärmeentwicklung benötigt wird. Auch biomedizinische Phototherapieanwendungen können von dieser kompakten Intensität profitieren. In größerem Maßstab könnten in Straßenlaternen teure Gas- oder Halogenlampen durch LED-Äquivalente ersetzt werden. Bühnenbeleuchtungen und Scheinwerfer könnten kühler und mit weniger Strom betrieben werden. Verbesserte Lebensdauer und Zuverlässigkeit sorgen für eine lang anhaltende Leistung für den Endverbraucher. Das Keramik-Substrat und das Gehäuse für den Kühlkörper erleichterten den Entwicklern das Design und das thermische Management.
Die neueste, modernste Familie, die XLamp® XP-G4 LEDs (Abbildung 1), setzt mit 75 Prozent mehr Lumen als die XP-G2 LEDs und einem noch geringeren Wärmewiderstand, der eine schnellere Wärmeabgabe ermöglicht, wiederum neue Maßstäbe in Sachen Leistung und Effizienz. Das hervorragende thermische Betriebsverhalten unterstützt einen Nennstrom von 3 A, verglichen mit 1,5 A bei der XP-G2. Dank der Möglichkeit, mehr Strom sicher und effizient zu nutzen, können Designer ihre Designs für anspruchsvolle Applikationen, wie z. B. Sportbeleuchtungen, optimieren.
Die XLamp XP-G4 LEDs strahlen das Licht in einem engeren, gleichmäßigen Kegel ab und bieten ein außergewöhnliches Betriebsverhalten für gerichtete Beleuchtung. Durch die klar definierte Lichtaustrittsfläche („Light Emitting Surface“, LES) lässt sich die Bauform so konfigurieren, dass das von der LED ausgehende Licht optimal ausgenutzt wird und weniger Lumen verschwendet werden. Mit einer großen Auswahl an CRI-Optionen bis zu 90 eignet sich die XP-G4 für eine Vielzahl von Applikationen, von Handleuchten über Innenbeleuchtung bis hin zur Stadionbeleuchtung.
In der Landwirtschaft kann die Möglichkeit der Feinabstimmung der Farben genutzt werden, um Hochleistungsbeleuchtungssysteme für Gewächshäuser mit gezielten Farben bei höherer Stärke und geringerem Stromverbrauch und geringerer Wärmeentwicklung zu entwickeln. Es lassen sich auch spezielle Beleuchtungssysteme herstellen, die für bestimmte Pflanzen und Nutzpflanzen optimiert sind. Die fortschrittliche Technologie des Kühlkörpers und das fein abstimmbare Spektrum stellen einen flexiblen Vorteil gegenüber herkömmlichen Beleuchtungssystemen dar.
Durch die Verwendung des gleichen Gehäuses für die gesamte Produktbaureihe XP-G hat Cree LED einen mühelosen Migrationspfad für Entwickler geschaffen, um die Leistungen bestehender Produkte zu erhöhen und sie in neuen Applikationen mit verbesserter Helligkeit oder spektralen Merkmalen einzusetzen. Alternativ können Entwickler einfach die neuesten LEDs verwenden, um die aktuellen LED-Beleuchtungskörper bei der aktuellen Helligkeit kühler zu halten und so die Zuverlässigkeit und Lebenserwartung insgesamt zu erhöhen.
Von den bescheidenen Anfängen als Anzeigeleuchten und Displays für Taschenrechner haben LEDs einen langen Weg zurückgelegt. Mit ihrer Fähigkeit, extrem helles Licht in einer großen Vielfalt von Farben zu erzeugen, sind LEDs eine zuverlässige und energieeffiziente Option für fast alle Applikationen der Beleuchtung. Das Know-how von Cree LED auf dem Gebiet der LED-Beleuchtung gibt Ihnen die Möglichkeit, modernste Technologien zu nutzen und zu wissen, wie Sie diese am besten in Ihre Applikationen einbauen und Ihre Designzyklen verkürzen können.