AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE DER LED

Transkript

1 LED in der Allgemeinbeleuchtung Grundlagen, Betrieb, Wahrnehmung Rudolf Hornischer Dipl.Ing.Dr.techn. MA39 - Prüf- Überwachungs- und Zertifizierungsstelle Folie 1 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE DER LED Folie 2 1

2 Was ist eine LED Ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement Elektrische Eigenschaften entsprechen der einer Diode Lichtabstrahlung bei Stromfluss in Durchlassrichtung Wellenlänge abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial und der Dotierung des Halbleiters Technisch: die Wellenlänge wird durch die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt Für LED werden sogenannte Direkte Halbleiter, z.b. Indium- Gallium-Nitrid verwendet. Nur bei diesen Lichterzeugung möglich Silizium und Germanium sind Indirekte Halbleiter, bei diesen Dioden erfolgt daher keine Lichtabstrahlung Folie 3 LED und LED Baugruppen Halbleiter Chip Verwendbare LED Schaltzeichen LED Folie 4 2

3 LED Chip Wellenlänge Dotierung verändert die Farbe Kristalldefekte und Temperaturbewegung führt zu Degradation 1 Quelle: Schubert, Light-Emitting Diodes Folie 5 Strahlende und nichtstrahlende Rekombination (Photonen und Phononen) Strahlende Rekombination: Photon passend zur Bandlücke wird emittiert Nichtstrahlende Rekombination: Energie des Elektrons wird in Vibrationsenergie, d.h. Wärme umgewandelt (Phonon) Leistungsaufteilung: 25% Licht 75% Wärme Quelle: Schubert, Light- Emitting Diodes Folie 6 3

4 Material und Farbe Wegen der gut definierten Energieabstände zwischen Valenz- und Leitungsband erfolgt die Emission nahezu monochrom λ 30nm Aluminium Indium Gallium Phosphit: Rot bis Gelb Indium Gallium Nitrat: Grün bis Blau sowie nahes UV Weiß mit Phosphor 1.8kT hc k h c 2 peak J/K Boltzmankonstante Js Planksches Wirkungsquantum m/s Lichtgeschwindigkeit Wie kommt man zu weißem Licht? Folie 7 Weißes Licht mit LED Mischung des Lichts von roten, grünen und blauen LEDs (RGB- Prinzip) bzw. zusätzlich bernsteinfarben (amber) (RGBA) Umwandlung des Lichts von blauen LEDs durch Leuchtstoffe Umwandlung des Lichts von UV LEDs durch Leuchtstoffe aktuell nicht wirtschaftlich Folie 8 4

5 Weißes Licht basierend auf Multi - LED Dynamische Farbanpassung Großer Farbumfang Rückkopplung erforderlich (abhängig von der Anwendung) Komplex und teuer Quelle: Schubert, Light- Emitting Diodes Folie 9 Weißes Licht: Multi LED Folie 10 5

6 Weißes Licht: Multi LED Temperaturabhängigkeit Folie 11 Weißes Licht: Multi LED Temperaturabhängigkeit Folie 12 6

7 Weißes Licht basierend auf Wellenlängenumwandlung (Phosphor) Blaue Led mit Phosphor: Gute Farbwiedergabe Einfach Preiswert Temperaturempfindlich Verluste durch Umwandlung Folie 13 Weißes Licht basierend auf Wellenlängenumwandlung (Phosphor) Folie 14 7

8 Weiße LED Phosphorverteilung Folie 15 Weiße LED Phosphorverteilung Folie 16 8

9 LED-Spektrum Phosphorbasiert Ähnlichste Farbtemperatur Kaltweiß Neutralweiß Warmweiß Qualität im Randbereich der LED sichtbar Folie 17 LED-Spektrum Blau Weiß Rot Folie 18 9

10 Spektren Glühlampe und Tageslicht Normlichtarten A: Glühlampe relative Verteilung Normlich tart A Normlich tart D65 Normlich tart C Normlich tart D55 D,C: Tageslicht bei unterschiedlichen Bedingungen Wellenlänge [nm] Folie 19 Spektren diverse Kunstlichtquellen Folie 20 10

11 FARBWIEDERGABE UND DIMMEN Folie 21 Weißes Licht: Farbwiedergabe Orange: Orange Grün: Granny Smith Apfel Rot: Roter Apfel Folie 22 11

12 Weißes Licht: Farbwiedergabe Quelle: Carsten Kohlmeier-Beckmann, Airbus Operations, TBCEE34 Folie 23 Weißes Licht: Farbwiedergabe Quelle: Carsten Kohlmeier-Beckmann, Airbus Operations, TBCEE34 Folie 24 12

13 Weißes Licht: Farbwiedergabe phosphorbasierte LED Quelle: TU Darmstadt, Farbbinning für LED-Produkte Juni 2013 VDI-Tagung 7 Folie 25 Farbwiedergabeeigenschaften Lage im CIE Farbraum - Binning Quelle: ANSI_NEMA_ANSLG C Folie 26 13

14 Lage im CIE Farbraum - Binning Unerwünscht Quelle: TU Darmstadt, Farbbinning für LED-Produkte Juni 2013 VDI-Tagung 7 Folie 27 Binning aktueller Stand Ziel: konsistenter Weißpunkt < 3MacAdams Ellipsen Quelle: Philips Folie 28 14

15 Binning gängige Leuchtmittel Folie 29 Dimmen von LED Lichtstrom annähernd proportional zum Strom Helligkeitsänderung durch Änderung des Stromes Nebenstehendes Diagramm gültig Tj = 25 C (gepulster Betrieb) Folie 30 15

16 Dimmen von LED Stromkonstant: Linear mode (Amplitudenvariation): adjust I f to regulate power and luminous flux PWM mode: Pulse Width Modulation with I max = I f High frequencies (400Hz) Folie 31 Dimmen von LED Dimmkurven an das menschliche Auge anpassen Geringe Intensität Stäbchen, geringste Kontrastunterschiede wahrnehmbar Höhere Intensität Zapfen, geringe Kontrastunterschiede werden nicht wahrgenommen Quelle: Tridonic, e&i Folie 32 16

17 Dimmen phosphorbasierter weißer LED über Änderung der Stromamplitude Wellenlänge der blauen Led abhängig vom Strom Effizienz und Farbort der Phosphorschicht abhängig von der Wellenlänge der blauen Led Farbortverschiebung Quelle: Tridonic, e&i Folie 33 Dimmen phosphorbasierter weißer LED über Änderung der Stromamplitude Temperaturabhängigkeit der Farbkonversionspigmente zusätzlich Konzentrationsabhängig Quelle: Tridonic, e&i Folie 34 17

18 Dimmen phosphorbasierter weißer LED über PWM Im Vergleich zu Amplitudenvariation deutlich geringere Farbortverschiebung Quelle: Tridonic, e&i Folie 35 Dimmen phosphorbasierte weiße LED Amplitudenvariation Einfach zu realisieren Schlechter Wirkungsgrad Stärkere Farbortverschiebung Kombination Amplitudenvariation für höhere Stromlevel PWM für geringe Intensitäten PWM Sehr geringe Farbortverschiebung Lineare PWM bei geringeren Intensitäten zu grob Auflösung des DutyCycle Mindestens 400Hz da bei 100Hz Flimmern bemerkbar Einschaltzeit des DutyCycle bei 1% Dimmlevel 25µs Interne Frequenzen im EVG bei 1MHz Störunterdrückung aufwendig Folie 36 18

19 THERMISCHES VERHALTEN Folie 37 Thermisches Verhalten Wirkungsgrad Vergleich Leuchtstofflampe Lichtquellen erzeugen Wärme, die abgeführt werden muss Quelle: Trilux Akademie Folie 38 19

20 Thermisches Verhalten Lebensdauer und Wirkungsgrad einer LED sinken mit steigender Chip-Temperatur signifikant Wärmeabfuhr vom Chip durch entsprechendes Design und Kühlkörper ist das entscheidende Kriterium für zufriedenstellende Funktion Beispiel von: Fläche Chip: A = 1mm² Leistung LED: P = 1W Umgerechnet auf 1m² muss 1MW abgeführt werden!!! Extreme Leistungsdichte Anmerkung Leistungsverteilung: 25% Licht 75% Wärme Folie 39 Thermisches Verhalten Quelle: Vossloh-Schwabe Deutschland GmbH Folie 40 20

21 Thermisches Verhalten Quelle: Vossloh-Schwabe Deutschland GmbH Folie 41 Thermisches Verhalten Quelle: Vossloh-Schwabe Deutschland GmbH Folie 42 21

22 Thermisches Verhalten Quelle: Vossloh-Schwabe Deutschland GmbH Folie 43 BLENDUNG LED VERSUS KONVENTIONELLE LEUCHTMITTEL Folie 44 22

23 Blendung Hohe Leuchtdichten im Blickfeld stören die visuelle Informationserfassung Hauptverantwortlich dafür Streueffekte im Glaskörper und damit Verlust des Kontrastes Erhöhung der Schleierleuchtdichte Störwirkung von zahlreichen individuellen physiologischen und psychischen Faktoren abhängig Zusammengefasst unter dem Begriff Blendung Mit zunehmendem Alter nimmt die Streuung im Glaskörper zu Folie 45 Physiologische Blendung Quelle: Ch. Schierz, TU Ilmenau Folie 46 23

24 Physiologische Blendung Altersabhängigkeit Folie 47 Blendung Sehen im Alter Typisches Sehen mit 25 Typisches Sehen mit 65 Erhöhte Blendung durch Streueffekte im Auge Folie 48 24

25 Blendung Verlust von Kontrast Erhöhung der Kontrastschwelle Folie 49 Quelle: Ch. Schierz, TU Ilmenau Folie 50 25

26 Blendung Verlust von Kontrast Folie 51 Hohe Kontrastunterschiede Problem durch hochkontrastige Darstellung beim Kantensehen Folie 52 26

27 Leuchtdichtebilder LED Leuchte / NAV - Leuchte Quelle: Niedling und Völker, TU Berlin Folie 53 Blendung Unterschiedliche Bewertung LED - NAV Folie 54 27

28 Blendung Unterschiedliche Bewertung LED - NAV Quelle: Niedling und Völker, TU Berlin Folie 55 Blendung Unterschiedliche Bewertung LED - NAV Quelle: Niedling und Völker, TU Berlin Folie 56 28

29 Blendung aktueller Stand Ein hoher kurzwelliger (blauer) Anteil in der Strahlung wirkt sich signifikant auf die psychologische Blendung, nicht aber auf die physiologische Blendung aus Die psychologische Blendung kann über die spektrale Empfindlichkeit der Blauzapfen beschrieben werden Der Einfluss der örtlichen Auflösung auf die Blendung wird derzeit noch untersucht Quelle: Niedling und Völker, TU Berlin Folie 57 Praxissituation Parkgarage Quelle: Hannes Schmutzer Folie 66 29

30 Praxissituation MA34 Muthgasse Folie 67 Ausblick Quelle: Heinz, Lichttechnischer Congress 2013 in Eisenstadt, Folie 68 30

31 LTG AK-Innenbeleuchtung Folie 69 LTG AK-Öffentliche Beleuchtung at Folie 70 31

32 Vielen Dank... Folie 72 32