Teil 3: LED-Technologie

• Teil 1: LED - mehr als nur eine neue Lichttechnologie
• Teil 2: Die Geschichte der LEDs

(11.4.2008; light+building-Bericht) Die Technologie stammt ursprünglich aus der Halbleiterbranche. Deshalb ist die traditionellere Beleuchtungsbranche diesem Neuling gegenüber teilweise etwas skeptisch eingestellt. Die Halbleiterbranche hat bereits revolutionäre neue Produkte hervorgebracht - vorwiegend durch Miniaturisierung - die große Auswirkungen auf unseren Alltag hatten. Dazu zählen Computer und Mobiltelefone, aber auch viele Produkte für professionellere Anwendungen, wie zum Beispiel tragbare medizinische Geräte. Nun ist die Beleuchtung am Zug.

LEDs mit hoher Leistung versus LEDs mit niedriger Leistung

In der Vergangenheit wurden die meisten LEDs ähnlich der 5-mm-Ausführung in der folgenden Grafik 1 konstruiert. Die Sockelstifte dienen sowohl als elektrische als auch als thermische Leitung, die die Lichtleistung begrenzt. Die Zusammensetzung des Epoxid-Gehäuses hat Auswirkungen auf die Lebensdauer blauer und weißer LEDs, was später behandelt wird. Aufgrund ihrer geringen Lichtleistung und begrenzten Wärmeübertragung haben vor allem diese kleinen Einheiten die Leuchtkraftanwendungen vorangetrieben. In dieser Konfiguration wurden weiße Lichtquellen durch Farbvariationen und schlechte Lumenerhaltung geprägt.

Grafik 1 [Kathodenleitung, LED-Chip, PC-Platine]

Die folgende Grafik 2 zeigt eine Standard-Luxeon-Hochleistungs-LED, die aktuell im Handel erhältlich ist. Der große Metallrohling verbessert die Wärmeübertragungs-Eigenschaften erheblich. Dies wiederum ermöglicht einen stärkeren Strom, eine größere Oberfläche zur Lichtabstrahlung, das "Plättchen" und eine proportional höhere Lichtleistung. Der Wärmewiderstand solcher Hochleistungssysteme ist zehn Mal niedriger als der einer der herkömmlichen 5-mm-LED. Von der Leistung her besitzt beispielsweise die leistungsstarke Lichtquelle Luxeon Rebel eine 1 mm große quadratische Emissionsfläche und 40 bis mehr als 100 Lumen. Dies steht in starkem Kontrast zu den Eigenschaften einer standardmäßigen 5-mm-LED:

• 0,25 Millimeter groß,
• weniger als 0,1 Watt,
• 20-30 Milliampere und
• ein bis zwei Lumen.

Die Luxeon K2 mit TFFC ist die LED mit der höchsten elektrischen Leistung, die aktuell von Philips im Handel erhältlich ist; sie strahlt ...

• bei einem Ampere 200 Lumen und
• bei 1,5 Ampere über 260 Lumen ab (vergleiche auch mit Beitrag "Hochstrom-Einzelchip-LED bis 2 A" vom 17.12.2007).

Wenn sich also Hersteller mit Hochleistungs-LEDs befassen, wird große Aufmerksamkeit darauf zu richten sein, wie die höhere und anspruchsvollere thermische Belastung zur Erzeugung einer höheren Leuchtkraft gehandhabt wird.

Grafik 2 [Silikon-Linse, Keramiksubstrat, Wärme-Pad (elektrisch isoliert), metallene Zwischenschicht, Bond-Schicht, LED-Chip, Kathode]

Es wurden auf der light+building noch andere wichtige Vorteile, die ebenfalls in das Hochleistungspaket integriert seien:

• Verbesserungen bei der Phosphorablagerung, Einkapselung der Plättchen und Wärmemanagementtechnologien in den weißen Hochleistungsversionen sollen die Farbvariationen innerhalb der Lichtverteilung praktisch eliminieren können.
• Die Lumenerhaltung sei erheblich verbessert und der Wirkungsgrad habe den von Halogenlampen bereits überholt.

Luxeon LEDs sind in warmem Weiß, neutralem Weiß und kühlem Weiß erhältlich, mit CRI-Werten (Farbwiedergabe-Index, der zur Charakterisierung von Leuchtquellen dient) zwischen 70 und 90. Rote, grüne, blaue und gelbe Hochleistungs-LEDs ermöglichen auch die Entwicklung von Farbmischtechniken, einer alternativen Methode der Erzeugung von weißem Licht.

Lebensdauer und Lumenverlust

Die Lebensdauer einer LED ist ein stark umstrittenes Thema. Wie eine Quecksilberlampe kann eine LED lange Zeit funktionieren. Für Dekorations- oder Kennzeichnungszwecke mag ein 50 prozentiger Verlust der anfänglichen Lumenleistung akzeptabel sein und ein gutes Maß für die Lebensdauer darstellen. Für Beleuchtungszwecke geht es jedoch darum, wie lange LEDs verlässlich nutzbares Licht erzeugen können. Aktuelle unabhängige Tests bestätigen, dass herkömmliche weiße 5-mm-LEDs innerhalb der ersten 6.000 Stunden ihrer Lebensdauer einen Lumenverlust von 50 Prozent erfahren, aber die neueren Hochleistungssysteme zeigen in derselben Zeitspanne einen nur unerheblichen Verlust. Die zu den Luxeon LEDs verfügbaren Daten zeigen, dass Lebensdauer und Verlässlichkeit mit entsprechendem Design in Bezug auf Wärmemanagement auf 50.000 Stunden oder mehr bei 70 Prozent Lumenerhaltung erhöht werden können. Diese Tatsache schneidet bei einem Vergleich mit dem Lumenverlust einiger herkömmlicher Lichtquellen am Ende ihrer klassifizierten Lebensdauer günstig ab und bezeichnet einen Punkt, ab dem das menschliche Auge eine geringere Lichtleistung typischerweise nicht mehr effektiv ausgleichen kann.

In Anbetracht dieser Fähigkeit, eine nutzbare Lichtleistung über einen langen Zeitraum zu erhalten, bieten die Hochleistungs-LEDs eine praktische alternative Lichtquelle, die den hohen Wartungskosten herkömmlicher Lösungen entgegentritt. Diese Faktoren haben die weit verbreitete Ablösung von Glühlampen in Verkehrsampeln durch Hochleistungs-LEDs vorangetrieben. Die gleichen Überlegungen werden erwartungsgemäß ein Faktor sein, der den Einsatz von LED-Technologie auf dem allgemeinen Beleuchtungsmarkt vorantreiben wird.

LEDs und Wärme

Es ist eine falsche Annahme, dass LED-Lampen keine Wärme erzeugen. Es ist zwar richtig, dass das von ihnen emittierte Licht wenig oder keine Infrarotstrahlung enthält, doch werden LEDs nicht mit 100 prozentigem Wirkungsgrad betrieben (wie andere Lampen auch) und erzeugen deshalb innerhalb des Halbleitermaterials, aus dem sie bestehen, Wärme.

Der Unterschied ist, dass es sich um geleitete Wärme anstelle von abgestrahlter Wärme handelt, und diese muss sorgfältig behandelt werden, wenn das Halbleiterplättchen nicht überhitzen soll. Dies ist eine der Herausforderungen, die die Wissenschaftler in den Laboren lösen mussten - und müssen. Eine gleichermaßen wichtige Herausforderung war die Integration von Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlerelektronik in den Lampensockel, sodass sie direkt in bestehende Wechselstrom-Lichtdosen gesteckt werden kann.

Das bedeutet, dass einige Hundert Volt Wechselstrom in den Niedervolt-Gleichstrom gewandelt werden müssen, der für die LEDs erforderlich ist, und dies mit einer sehr hohen Wandlungseffizienz, sodass wenig zusätzliche Wärme erzeugt wird. Dies alles musste in dem begrenzten Raum eines Lampensockels untergebracht werden. Für die passende Lösung sah man sich bei Philips stark angewiesen auf das Systemwissen über die Entwicklung von hochleistungsfähigen Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlern, Wärmemanagement-Techniken und System-in-Package-Technologie (SiP). So ist die rechts abgebildete "Philips Master LED-Lampe" auch keine hippe "Designer-Birne" sondern ein LED-Leuchtmittel für konventionelle E27-Fassungen mit integriertem Spannungswandler und Kühlrippen.

Diese Kompetenzen auf Systemebene spielen auch eine kritische Rolle bei der Umsetzung eines der anderen großen Vorteile von LED-Beleuchtung - der Steuerbarkeit. Die Intensität einer LED lässt sich einfach steuern, indem der durchfließende Strom angepasst wird, aber wichtig ist, dass wenig oder keine farbliche Veränderung im emittierten Licht erfolgt. Dies steht in starkem Kontrast zu beispielsweise Glühlampen, die beim Dimmen eine beträchtliche Veränderung der Farbtemperatur erfahren.