LED in der Beleuchtung. Rudolf Hornischer. Dipl.Ing.Dr.techn. MA39 - Prüf- Überwachungs- und Zertifizierungsstelle
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- Berthold Eberhardt
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1 LED in der Beleuchtung Rudolf Hornischer Dipl.Ing.Dr.techn. MA39 - Prüf- Überwachungs- und Zertifizierungsstelle Folie 1 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 2 1
2 LED und LED Baugruppen Halbleiter Chip Verwendbare LED Schaltzeichen LED Folie 3 LED Chip Wellenlänge Dotierung verändert die Farbe Kristalldefekte und Temperaturbewegung führt zu Degradation 1 Quelle: Schubert, Light-Emitting Diodes Folie 4 2
3 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 5 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 6 3
4 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 7 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 8 4
5 Weißes Licht: Multi LED Folie 9 Weißes Licht: Multi LED Temperaturabhängigkeit Folie 10 5
6 Weißes Licht: Multi LED Temperaturabhängigkeit Folie 11 Weißes Licht: Multi LED Farbwiedergabe Orange: Orange Grün: Granny Smith Apfel Rot: Roter Apfel Folie 12 6
7 Weißes Licht: Multi LED Farbwiedergabe Quelle: Carsten Kohlmeier-Beckmann, Airbus Operations, TBCEE34 Folie 13 Weißes Licht: Multi LED Farbwiedergabe Quelle: Carsten Kohlmeier-Beckmann, Airbus Operations, TBCEE34 Folie 14 7
8 Weißes Licht basierend auf Wellenlängenumwandlung (Phosphor) Blaue Led mit Phosphor: Gute Farbwiedergabe Einfach Preiswert Temperaturempfindlich Verluste durch Umwandlung Folie 15 Weißes Licht basierend auf Wellenlängenumwandlung (Phosphor) Folie 16 8
9 Weiße LED Phosphorverteilung Folie 17 Weiße LED Phosphorverteilung Tropfen Vorteil: einfaches Aufbringen Nachteil: ungleichmäßige Farbverteilung in Abhängigkeit vom Lichtweg Folie 18 9
10 Chipnahes Coating Vorteil: homogenere Farbverteilung Nachteil: schwierige Aufbringung Weiße LED Phosphorverteilung Folie 19 Weiße LED Phosphorverteilung Folie 20 10
11 LED-Spektrum Phosphorbasiert Ähnlichste Farbtemperatur Warmweiß Neutralweiß Kaltweiß Qualität im Randbereich der LED sichtbar Folie 21 LED-Spektrum Blau Weiß Rot Folie 22 11
12 Farbwiedergabeeigenschaften Lage im CIE Farbraum - Binning Folie 23 Lage im CIE Farbraum - Binning Folie 24 12
13 Binning aktueller Stand Ziel: konsistenter Weißpunkt < 3MacAdams Ellipsen Quelle: Philips Folie 25 Binning gängige Leuchtmittel Folie 26 13
14 Thermisches Verhalten Wirkungsgrad Vergleich Leuchtstofflampe Lichtquellen erzeugen Wärme, die abgeführt werden muss Quelle: Trilux Akademie Folie 27 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 28 14
15 Thermisches Verhalten Folie 29 Thermisches Verhalten Folie 30 15
16 Thermisches Verhalten Folie 31 Thermisches Verhalten Folie 32 16
17 Wirkungsgrad Folie 33 Wirkungsgrad Folie 34 17
18 LED-Systeme Retrofit + Sanierung, alte Systeme + teilweise sparsam - Thermomanagement - Lichtstrom - Abstrahlcharakteristik - Leuchtengewährleistung LED-Leuchten + LED optimiert + guter Wirkungsgrad + gelenktes Licht + Dimmung Preis - Ersatzteile Folie 35 Retrofit Folie 36 18
19 LED-Leuchten Folie 37 Einschub Wahrnehmung Blendung Hohe Leuchtdichten im Blickfeld stören die visuelle Informationserfassung Hauptverantwortlich dafür Streueffekte im Glaskörper und damit Verlust des Kontrastes Störwirkung von zahlreichen individuellen physiologischen und psychischen Faktoren abhängig Zusammengefasst unter dem Begriff Blendung Mit zunehmendem Alter nimmt die Streuung im Glaskörper zu Folie 38 19
20 Einschub Wahrnehmung Blendung Typisches Sehen mit 25 Typisches Sehen mit 65 Erhöhte Blendung durch Streueffekte im Auge Folie 39 Einschub Wahrnehmung Blendung - Kontrast Folie 40 20
21 Einschub Wahrnehmung Kontrastphänomene Problem durch hochkontrastige Darstellung beim Kantensehen Folie 41 Einschub Wahrnehmung Blendungsbewertung Fragestellung: gelten die gleichen Bewertungen? Quelle: Trilux Akademie Folie 42 21
22 Einschub Wahrnehmung Blendungsbewertung Leuchtdichten sind ein entscheidendes Kriterium für Blendung Hohe Gradienten erregen einzelne Bereiche (Empfänger) auf der Netzhaut Lichtintensitätsunterschied zweier eng beieinanderliegender Punkte wird übertrieben höhere wahrgenommene Blendung Fragestellung: gelten die gleichen Bewertungen? Quelle: Trilux Akademie Folie 43 Einschub: Beleuchtung von Strukturen und Objekten Zylindrische Beleuchtungsstärke Licht zu stark gerichtet harte Schatten Nur diffuses Licht kein Modellingeffekt 0.30 < Ez/Eh < 0.60 Folie 44 22
23 Beispiele Simulation / Praxis Gang-Büro Simulation T5 & T8 Leuchtmittel LED Tubes Diffuse & Klare Abdeckung Rasterleuchte & Feuchtraumbalken Praxissituation MA34 Muthgasse Folie 45 Rasterleuchte Leuchtstofflampe T5 54W Folie 46 23
24 Rasterleuchte Leuchtstofflampe T8 36W Folie 47 Rasterleuchte LED-Tube Philips 22W Folie 48 24
25 Rasterleuchte LED-Tube Siblic 17W Folie 49 Feuchtraumbalken Leuchtstofflampe T5 54W Folie 50 25
26 Feuchtraumbalken LED-Tube Philips 22W Folie 51 Feuchtraumbalken LED-Tube Siblic 17W Folie 52 26
27 Praxissituation Parkgarage Quelle: Hannes Schmutzer Folie 53 Praxissituation MA34 Muthgasse Folie 54 27
28 LTG AK-Innenbeleuchtung Folie 55 LTG AK-Öffentliche Beleuchtung at Folie 56 28
29 Folie 57 Vielen Dank... Folie 58 29
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