Moderne LED-Technologie für die Beleuchtungstechnik

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1 Moderne LED-Technologie für die Beleuchtungstechnik Thomas Jüstel Münster, 02. November 2006 Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 1

2 Agenda 1. Entwicklung künstlicher Lichtquellen 2. Prinzipien der Lichterzeugung 3. Klassifizierung von Lichtquellen 4. Aufbau von LED Lichtquellen Edison-Glühlampe Anwendung von LEDs in der Beleuchtung 6. Zusammenfassung und Ausblick LEDs bei der FH-G 1999 Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 2

3 1. Entwicklung künstlicher Lichtquellen Wechselwirkung Kulturgeschichte Entwicklung künstlicher Lichtquellen Künstliches Licht spendet Wärme (Gesundheit) und Sicherheit ermöglicht Aktivität unabhängig vom natürlichen Tageslicht ist ein Designelement hat Signalwirkung und Kommunikationsfunktion ermöglicht neuartige technische Prozesse, wie z.b. Photochemie, Materialbearbeitung und Trennung komplexer Biomoleküle Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 3

4 1. Entwicklung künstlicher Lichtquellen Ur- und Frühgeschichte 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt. Zeit bzw. Grad der Kontrolle offenes Feuer Kerzen Öllampen Chemische Lichtquellen Glüh- und Gasentladungs Halogenlampen -lampen Elektrische Lichtquellen Anorganische + organische LEDs Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 4

5 2. Prinzipien der Lichterzeugung 1.2 I( λ ) V( z) Thermische Strahler + Sehr gute Lichtqualität + Einfache Handhabung - geringe Lebensdauer - hoher Energieverbrauch - Farbvariationen benötigen Filter Augenempfindlichkeitskurve Wellenlänge λ z 2000., [nm] Wendel- Licht- Energietemp. ausbeute ausbeute T [K] η [lm/w] η [%] Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 5

6 2. Prinzipien der Lichterzeugung Leuchtstoffschicht Hg * e - Kathode Gasentladungen + Geringer Energieverbrauch + Hohe Lebensdauer - Vorschaltgerät notwendig - Mäßige Lichtqualität - Enthalten Hg und Ba Intensität [W/nm] 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Wellenlänge [nm] Lampen Licht- Energietyp ausbeute ausbeute η [lm/w] η [%] Energie Sparlampe Leuchtstoffröhre Standard Leuchtstoffröhre Dreibanden Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 6

7 2. Prinzipien der Lichterzeugung Organische Festkörper(-LED) + Geringer Energieverbrauch + Hohe Flexibilität - Mäßige Lebensdauer - Geringe Leuchtdichte Indium-Zinn- Oxid-Anode Glassubstrat + - Metallkathode Lichtemittierende Schicht (Polymere, Metallorganische Verbindungen) Lebens- Licht- Maximale dauer ausbeute Leuchtdichte t [h] η [lm/w] L [cd/m 2 ] < Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 7

8 2. Prinzipien der Lichterzeugung Anorganische Festkörper(-LED) + Geringer Energieverbrauch + Sehr hohe Lebensdauer + Einfache Ansteuerung - Mäßige bis gute Lichtqualität + - Ni/Au p-kathode p-leitendes GaN Lichtemittierende Schicht (Rekombinationszone) n-leitendes GaN Transparentes Substrat (Al 2 O 3 ) Lebens- Licht- Maximale dauer ausbeute Leuchtdichte t [h] η [lm/w] L [cd/m 2 ] > Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 8

9 3. Klassifizierung von Lichtquellen nach der Art der Lichterzeugung Glüh- und Halogenglühlampen Nieder und Hochdruckgasentladungslampen Anorganische und organische Leuchtdioden Chemische Lichtquellen Chemolumineszenz Biolumineszenz Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 9

10 3. Klassifizierung von Lichtquellen Farbwiedergabeindex R a nach Farbwiedergabe und Lichtausbeute Glühlampe 150W Halogenlampe 150W LEDs >2010? LEDs >2020? Warmweiß Keramische Metallhalogenid 150W LED 1W Kaltweiß Fluoreszenzlampe Dreibanden 36W LED 1W Fluoreszenzlampe Standard 36W Hg-Hochdruck 125W Na-Hochdruck150W Na-Niederdruck131W Lichtausbeute (lm/w) Typische R a Werte Glühlampe 100 Halogenlampe 100 Energiesparlampe 80 Hg-Hochdruck 50 Na-Hochdruck 20 Na-Niederdruck < 0 Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 10

11 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level 0 Level 1 Level 2 Level 3 Level 4 Halbleiter + Primäroptik + Leiterplatte + Sekundäroptik + Rahmen + Kontakte + Netzteil + Halterung + Kühlkörper + Design LED-Chip LED-Lampe LED-Modul LED-System LED-Leuchte Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 11

12 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level 0 Halbleitermaterialien Typische LED-Spektren (Al,In,Ga)P 580 nm 630 nm Gelb Orange Rot (Al,In,Ga)N nm UV-A Blau Grün Emissionsintensität 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Fast alle Farben direkt mit LEDs zugänglich! 0, Wellenlänge [nm] Aber wie macht man weißes Licht mit LEDs? Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 12

13 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level 1 Leuchtstoff < 1.0 lm lm < 0.1 W W < 120 C C < 100 W/cm W/cm 2 > 120 K/W 2 12 K/W Golddraht Kontakt Plastiklinse InGaN- Halbleiter Kühlkörper (Cu) (Al,In,Ga)N Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) Lichtfarbe Blau nm Gelb Kaltweiß Gelb + rot Warmweiß Grün + rot Kalt- und warmweiß Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 13

14 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level 1 Typische LED Leuchtstoffe 70 (Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce Leuchtstoff Emissionsintensität Tc = 5270 K: CRI = 82 Tc = 4490 K: CRI = 79 Tc = 4110 K: CRI = 76 Tc = 3860 K: CRI = 73 Tc = 3540 K: CRI = 70 Kaltweiße Standard LEDs 1 5 W LEDs lm/w bläulich-weißes Licht schlechte Wiedergabe roter Farbtöne Wellenlänge [nm] Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 14

15 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level LUXEON - Warmweiß - Die Komponenten (Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce CaS:Eu JAZZ 3300K BB 3300K nm nm Warm weiße LEDs für die Innenbeleuchtung 1 5 W LEDs lm/w gelblich-weißes warmes Licht gute Wiedergabe von allen Farbtönen vergleichbar mit Halogenlampen black body 3600 K fluorescent, CCT=3600 K nm Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 15

16 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level 2 LED Module Montage Die einzelnen LED Lampen werden z.b. auf einer Leiterplatte aufgelötet Durch die Steigerung der Effizienz geht die Zahl der LED-Lampen pro Modul kontinuierlich zurück Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 16

17 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level 2 Temperaturproblematik Primäreffekt Der Lichtstrom fällt mit der Umgebungstemperatur (Al,In,Ga)P ~ 0.7% pro C (Al,In,Ga)N ~ 0.1% pro C Sekundäreffekt Farbverschiebung Die Lebensdauer der LED-Lampen bzw. des LED-Moduls verkürzt sich Gute thermische Leitfähigkeit (direkte Kühlung des p/n-übergangs) Effektive äußere Kühlung (Kühlrippen, Luftkonvektion) Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 17

18 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level 3 LED-Kennlinie LED-Ansteuerung Grundregeln 1. LED nie umpolen, d.h. die maximale Sperrspannung von ca. 5 V darf nicht überschritten werden. 2. Der Stromfluss durch die LED muss konstant gehalten werden, da die Helligkeit proportional zum Stromfluss I ist. Problem: Der Stromfluss steigt oberhalb der minimalen Flussspannung exponentiell mit der Spannung an. Regulierung des Stromflusses durch eine a) Konstantstromquelle mit strombegrenzendem Vorwiderstand und Umpolungs-/Transientenschutz ( Hochvoltdiode) b) sehr gut spannungsstabilisierte Stromquelle Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 18

19 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level 3 Aufbau eines betriebsbereiten LED-Systems Netzteil Liefert meist einen konstanten Strom Eignet sich zum Betrieb einer oder mehrerer LED-Module Sekundäroptik Garantiert eine homogene Lichtabstrahlung Besteht meistens aus strukturierten PMMA(Plexiglas)-Elementen Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 19

20 4. Aufbau von LED Lichtquellen Level 3 Kommerzielle LED-Systeme Chip-Streifen hohe Flexibilität leichte Dimmbarkeit LED-Strings LED-Module mit Sekundäroptik viele Lichtfarben kalt- und warmweiß 1-5 W pro LED-Lampe ausreichender Feuchtigkeitsschutz erforderlich Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 20

21 5. Anwendung von LEDs in der Beleuchtung Innenraumbeleuchtung Standard weiß farbdynamisch LED Array zur dynamischen farbigen Beleuchtung Home Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 21

22 5. Anwendung von LEDs in der Beleuchtung Ambience Creation in der Innenraumbeleuchtung Hotel Anna, München Luxeon Rot, Grün und Blau Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 22

23 5. Anwendung von LEDs in der Beleuchtung Dekorative Beleuchtung mit farbigen LEDs dynamische Farbgebung mit RGB-LED-Modulen Lichtwand, Light & Building, Frankfurt 2004 Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Home Folie 23

24 5. Anwendung von LEDs in der Beleuchtung Architektonische Beleuchtung Außenbeleuchtung Lighting Systems by Color Kinetics Inc., Takarazuka University of Art and Design, Satellite Building Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 24

25 6. Zusammenfassung und Ausblick Anorganische LED - Status Quo 2006 Hersteller Produkt Lichtfarbe Teststrom [ma] Lichtstrom [lm] Lichtausbeute [lm/w] Lumileds Luxeon K2 Kaltweiß Warmweiß Nichia Jupiter Kaltweiß Warmweiß Osram Golden Dragon Kaltweiß Warmweiß Vorteile anorganischer LEDs gegenüber Glüh- und Halogenlampen Fluoreszenzlampen Höhere Lebensdauer Einfachere Ansteuerung/Dimmbarkeit Höhere Effizienz Bessere Farbwiedergabe Größere Robustheit Größere Robustheit Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 25

26 6. Zusammenfassung und Ausblick Kosten [ /1000 lm] Effizienz [lm/w] W LED ~1000 lm für ~ Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 26

27 Anwendernutzen 6. Zusammenfassung und Ausblick Trends im Lichtquellenmarkt Licht Nick Holonyak, jr. (2000) Umweltverträglichkeit Energieeffizienz Lebensdauer Recycling Zeit Ambiente Gesundheit Geometrische und spektrale Flexibilität Lifestyle Es ist überlebenswichtig zu realisieren, dass die anorganische LED die ultimative Lichtquelle im Hinblick auf das Prinzip der Lichterzeugung und den Möglichkeiten der Anwendung ist und ihre Entwicklung solange fortschreiten wird bis ihre Effizienz und Lichtausbeute die aller anderen Lichtquellen übertreffen wird. Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 27

28 Lieferanten und Literaturhinweise GELcore Global Light Industries Lumileds/Philips Nichia Osram Sylvania LED-Lampen Insta LEDtronics Leuchtmittel online Lumitronix TridonicAtco Vossloh-Schwabe Opto. Taunuslicht LED-Module und -Systeme R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight-Verlag, 2004 M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294 Homepage T. Jüstel: php Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 28

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