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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Superhelle LED – die Basis energiesparender Beleuchtung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Beleuchtung Erst kürzlich wurde der Autor dieses Artikels Zeuge eines Händlers, der in einem U-Bahn-Waggon für ein LED-Licht wirbt. „Die superhellen Glühbirnen dieser Laterne“, rief der Verkäufer bekanntlich über den Lärm eines fahrenden Zuges hinweg, „verbrauchen wenig Energie, sodass Sie die Batterien nicht oft wechseln müssen.“ In seinen Worten steckt wohl etwas Werbewahrheit: Jeder kennt Glühlampen, aber um eine grundlegend neue Lichtquelle zu erwähnen – vielleicht fragen sie sich, ob diese superhellen LEDs wirklich so gut sind und ob eine auf ihrer Basis hergestellte Taschenlampe ausreicht so zuverlässig ist unbekannt. Obwohl sich sehr, sehr viele Menschen einer so trivialen Aufgabe wie der Verwendung einer LED als Lichtsignalgerät bewusst sind. Man könnte sogar sagen, dass gewöhnliche LEDs hinsichtlich ihrer Verbreitung problemlos mit Glühlampen mithalten können und im täglichen Leben heutzutage weit verbreitet sind – denken Sie nur an Haushaltsschalter mit Leuchtanzeigen, die darauf ausgelegt sind, sie im Dunkeln zu finden. Moderne Signal-LEDs (Light Emitting Diode) werden in großen Mengen hergestellt, haben unterschiedliche Leuchtfarben, was für Signalgeräte sehr praktisch ist, und unterschiedliche Designs. Sie können zweifarbige Modelle erwerben, die ihre Farbe je nach Verhältnis der Eingangssignale stufenlos ändern, Sie können sie blinken lassen, wenn Spannung angelegt wird, Sie können sie mit einem Standardsockel zum Ersetzen von Glühlampen in Signalleuchten erhalten. Aber welche Standard-LED ist eine Lichtquelle in dem Sinne, wie wir eine Lichtquelle verstehen? Schließlich reicht es maximal aus, um das Flüssigkristalldisplay eines Mobiltelefons zu beleuchten. Ist es nicht schwer vorstellbar, dass ein Mensch im Licht von Halbleiterlichtquellen normal leben kann, dass er alltägliche Arbeiten erledigt, ein Buch liest, angenehme Gespräche in gemütlicher Atmosphäre führt ... Würden Sie Fantasie sagen? Nein, das ist nur die Realität der Gegenwart. Die Eigenschaft von pn-Übergängen, Lichtwellen auszusenden, ist eine grundlegende Eigenschaft aller Halbleiter. Sie sind jedoch in unterschiedlichem Maße mit dieser Fähigkeit ausgestattet. Beispielsweise sind Silizium-pn-Übergänge, die zur Herstellung von Transistoren und herkömmlichen Dioden verwendet werden, selbst für herkömmliche LEDs völlig ungeeignet: Sie emittieren nur sehr wenige Lichtwellen. Halbleiter auf Basis von Galliumverbindungen (Galliumphosphid und Galliumarsenid) emittieren eine wesentlich bessere Strahlung, weshalb auf ihrer Basis die bekannten roten, gelbgrünen und grünen LEDs hergestellt werden. Die Lichtausbeute dieser Geräte betrug in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts nur 1,5 lm/W. Etwas später gelang es durch Forschungsergebnisse, die Strahlungseffizienz von Halbleitern auf 10 lm/W zu steigern. Die Entwicklung von Technologien zur Herstellung von Galliumnitrid hat zur Entstehung blauer LEDs geführt. Und jetzt ist es an der Zeit, über LEDs nachzudenken, die weißes Licht ausstrahlen. Weiße LEDs kamen erstmals 1998 auf den Weltmarkt. Die bisher erreichten Effizienzindikatoren von Festkörperlichtquellen sind nicht beeindruckend: Die Lichtausbeute kommerzieller LED-Proben, die im rot-gelben Teil des Spektrums emittieren, beträgt 65...75 lm/W, im grünen Bereich - bis zu 85 lm/W und im weißen Bereich bis zu 100 lm/W. Kommerzielle Muster von weißem Licht mit einer Effizienz von etwa 150 lm/W sind auf dem Weg, und das ist nicht die Grenze. Das heißt, im Durchschnitt der 50 Jahre ihres Bestehens von Festkörperquellen ist ihre Effizienz um fast zwei Größenordnungen gestiegen. Generell liegt die Lichtausbeute einer „sehr durchschnittlichen“ LED mit „weißem“ Emissionsspektrum heute auf dem Niveau der Lichtausbeute einer guten Leuchtstofflampe, Tendenz steigend. Und die hohen Kosten für die Herstellung von Festkörperquellen werden durch eine fantastische Lebensdauer ausgeglichen – mehr als 100000 Stunden störungsfreier Dauerbetrieb sowie höchste mechanische und klimatische Zuverlässigkeit, unterbrechungsfreier Betrieb bei sehr niedrigen Temperaturen, das Fehlen von Schadstoffe wie Quecksilber, Möglichkeit zur Grundhelligkeitsanpassung, teilweise Erfüllung der Brandschutzanforderungen, geringe Wärmestrahlung, geringe Wartungskosten. Es gibt zwar einen Umstand, der diesem „Siegeslied“ über die fantastischen Ressourcen superheller LEDs eine gewisse Dissonanz verleiht. Tatsache ist, dass Leuchtdioden im Betrieb dazu neigen, zu „altern“, was sich im Verlust ihres Emissionsvermögens und damit der Strahlungseffizienz äußert. Namhafte globale Hersteller ultraheller LEDs garantieren jedoch, dass sie über die Hälfte ihrer Lebensdauer hinweg 80 % ihres ursprünglichen Emissionsvermögens beibehalten. In Internetforen stieß der Autor des Artikels auf kategorische Aussagen über die tatsächliche Lebensdauer von LED-Quellen innerhalb von 2...3 Stunden. Dies kann nur in zwei Fällen zutreffen: Bei der Verwendung von Produkten zweifelhafter Herstellung können diese innerhalb dieser 40 Betriebsstunden tatsächlich bis zu 3000 % der Strahlungseffizienz verlieren, oder wenn die LEDs bei deutlich höheren Betriebsbedingungen betrieben werden nominelle. Machen wir uns nun mit den Technologien zur Erzeugung von weißem „Festkörperlicht“ aus den „mehrfarbigen“ Emissionen von Standard-LEDs vertraut. Derzeit gibt es vier Methoden zur Erzeugung von weißem Licht, die alle in der „Festkörper“-Industrie aktiv eingesetzt werden. In Abb. Abbildung 1 zeigt eine Methode zum Mischen verschiedener Farben, nämlich der klassischen RGB-Triade, also Rot, Grün und Blau. Auf einem Chip der LED-Quelle sind mehrfarbige Leuchtkristalle dicht in einem Mosaikmuster angeordnet, deren Licht durch eine Linse so gebündelt wird, dass das Gesamtemissionsspektrum dem der Sonne nahe kommt. Durch die separate Steuerung der Kanäle R, G und B können Sie jede Farbe (oder jeden Farbton) des LED-Leuchtens erzielen. Der Nachteil dieser Methode liegt ebenfalls auf der Hand: Es handelt sich um einen erheblichen Arbeitsaufwand (und damit hohe Kosten) bei der Herstellung und die Notwendigkeit eines Farbabgleichs der R-, G-, B-Kanäle, da LEDs unterschiedlicher Farbe unterschiedliche Strahlungseffizienzen haben. Allerdings wird diese Methode zunehmend zur Herstellung farbiger Außenwerbedisplays eingesetzt.
Die Grundprinzipien der zweiten Methode zur Erzeugung von weißem Licht sind den Funktionsprinzipien einer Leuchtstofflampe entlehnt. In diesem Fall (siehe Abb. 2) wird auf der Innenfläche des LED-Gehäuses ein spezieller dreifarbiger Leuchtstoff aufgebracht, der Wellen im UV-Bereich aussendet und unter Strahlungseinfluss mit weißem Licht zu leuchten beginnt. Zu den Nachteilen des Verfahrens gehört die nicht sehr hohe Lichtausbeute. Aus diesem Grund erwiesen sich die dritte und vierte Methode als die technologisch fortschrittlichste und kommerziell profitabelste Methode. Das Interessanteste ist jedoch, dass diese Methoden eine logische Weiterentwicklung der zweiten Methode sind, also auch den Lumineszenzeffekt nutzen.
Die Technologie der dritten Methode basiert auf der Verwendung einer blauen LED, allerdings ist der lichtemittierende Kristall hier von einem konstruktiven Reflektor umgeben, auf den ein gelber Leuchtstoff aufgebracht ist. So entsteht beim Mischen von Farben Licht, dessen spektrale Zusammensetzung sehr nahe an Weiß liegt, wie in Abb. 3.
Die vierte Methode unterscheidet sich kaum von der dritten und ist tatsächlich eine logische Weiterentwicklung mit dem Ziel, die spektrale Zusammensetzung des emittierten Lichts zu verbessern. Diese Methode basiert auf der gleichen blauen LED, es wird der gleiche Designreflektor bereitgestellt, aber es sind bereits zwei Arten von Leuchtstoffen darauf aufgebracht – mit grünen und roten Leuchtfarben (siehe Abb. 4).
Die überwiegende Mehrheit der kommerziellen LEDs mit einem Emissionsspektrum nahe an weißem Licht wird auf Basis der Single- und Dual-Phosphor-Lumineszenztechnologie hergestellt. Aus diesem Grund hat das Licht solcher LEDs einen leichten blauvioletten „kühlen“ Farbton. Was lässt sich über die Kosten von „Solid-State Light“ und die wirtschaftliche Machbarkeit seiner Umsetzung sagen? Derzeit ist „Festkörperlicht“ die teuerste Lichtenergiequelle, wenn man natürlich nur die Kosten für die „Herstellung“ einer Einheit Lichtenergie berücksichtigt. Der Preis für 1 Lumen „Festkörperlicht“ ist immer noch 30 bis 50 Mal höher als der Preis für 1 Lumen einer klassischen Glühlampe. Dem Autor ist es beispielsweise gelungen, eine LED-Lampe mit einer Leistungsaufnahme von 5 W für 15 US-Dollar zu erwerben, während eine normale Glühlampe mit der gleichen Lichtleistung und einer Leistungsaufnahme von 60 W etwas weniger als 1 US-Dollar kostet. Eine andere Berechnung zeigt, dass eine Matrix aus 20 ultrahellen LEDs mit Gesamtkosten von 20 US-Dollar in der Lichtleistung nahe an der einer 20-W-Halogenlampe liegt, die 1 US-Dollar kostet. Aber ziehen Sie keine voreiligen Schlüsse. Vergleicht man die Lebensdauer von LED- und klassischen Glühlampen sowie deren Lichtausbeute, kann man sagen, dass die Einsparungen offensichtlich sind. Es ist nur so, dass diese Einsparungen nicht vorübergehend, sondern langfristig sind. Laut Experten wird die Dynamik der Kostensenkung bei Festkörperlichtquellen nicht so schnell sein wie die Steigerung ihrer Lichtleistung: Bei einer Verdoppelung der Nutzungseffizienz wird mit einem Kostenrückgang von lediglich 20 % gerechnet. Die Vermarktung von LED-Quellen erfolgt nach folgendem Szenario: Zunächst wurden sie als sekundäre (dekorative) Beleuchtung eingesetzt, heute wird bereits aktiv an der Abschaffung von Glüh- und Halogenlampen gearbeitet. Automobilhersteller entwickeln bereits aktiv Fern- und Abblendlichtscheinwerfer auf Basis weißer LEDs. Die Entwicklungsleistungen sind beeindruckend: Es wurde ein Lichtstrom von rund 1000 lm erzielt, was dem einer Standard-Xenonlampe entspricht. Bei Fahrtrichtungsanzeigern im Ausland ist alles viel einfacher – die Technologien sind entwickelt und werden zügig umgesetzt. In Abb. Abbildung 5 zeigt einen industriellen LED-Abblendscheinwerfer für Kraftfahrzeuge mit einem Durchmesser von 106 mm, bestehend aus 4 superhellen LEDs.
Jetzt werden wir über die optischen Eigenschaften ultraheller LEDs sprechen und insbesondere darüber, wie diese Daten in der technischen Dokumentation dargestellt werden. Jede LED strahlt einen Lichtstrom gerichtet ab, also ungleichmäßig, abhängig von ihrer Position relativ zum Betrachter. Manche LEDs haben eine ausgeprägte Richtcharakteristik: Sie strahlen wie kleine Scheinwerfer. Andere ähneln einer Glühlampe mit Reflektor – Lichtwellen breiten sich hier über einen ziemlich weiten Raumsektor aus. Wenn eine gleichmäßige räumliche Abstrahlung gewährleistet werden muss, hilft eine strukturelle Anordnung von in verschiedene Richtungen gerichteten LEDs. Das wichtigste räumliche optische Merkmal einer LED ist ihre Richtwirkung. Hersteller beschreiben die Art der Richtwirkung zum einen durch den Abstrahlwinkel und zum anderen durch das Abstrahlmuster. Wenn das erste Merkmal nur eine bloße „Zahl“ ist, ist das zweite ein viel aussagekräftigeres Diagramm. Für den Konstrukteur des Beleuchtungssystems ist es äußerst wichtig, die Art des Strahlungsmusters zu kennen. In Abb. Abbildung 6 zeigt das aussagekräftigste Strahlungsmuster einer weißen LED NSPW515BS, die von einem der Weltmarktführer in der LED-Industrie – NICHIA – hergestellt wird. Die rechte Seite des Diagramms ist in Polarkoordinaten dargestellt, die linke Seite in kartesischen Koordinaten. In solchen Diagrammen ist das Argument der Drehwinkel relativ zur Hauptachse (der Linie der maximalen Strahlung) und die Funktion ist eine dimensionslose Größe. Der Graph entlang der Funktionslinie ist auf den maximalen Strahlungswert normiert, als Normierungswert fungiert die Lichtstärke, angegeben in mcd bei einem bestimmten Wert des Vorwärtsstroms der LED. Im Strahlungsmuster entspricht dieser Parameter einer dimensionslosen „Einheit“.
In einigen Fällen, wenn das Strahlungsmuster breit genug ist (solche LEDs sind normalerweise nur für ungerichtete Beleuchtungszwecke gedacht), wird der Lichtstromwert in lm angegeben, was für die Berechnung der Beleuchtung mit Standardmethoden sehr praktisch ist. Außerdem geben Unternehmen in der technischen Dokumentation die Art der spektralen Eigenschaften der LED-Strahlung an. Wofür? Tatsache ist, dass die Farbtemperatur des Lichts großen Einfluss auf den emotionalen Zustand eines Menschen hat. Bisher galt LED-Beleuchtung als „kalt“, „düster“ und „unbequem“. Allerdings sind seit Kurzem auch warmweiße LEDs auf dem Markt, die das Licht einer Glühlampe imitieren. Insbesondere solche LEDs befinden sich auch im NICHIA-Produktsortiment. Der Unterschied zwischen der Strahlung warmweißer LEDs und der Strahlung weißer LEDs wird am deutlichsten in Abb. 7, die die Spektren der genannten LEDs zeigt.
Lassen Sie uns die präsentierten Spektren analysieren. Die Strahlung einer weißen LED erhält „Blässe“ durch einen Peak mit hoher Amplitude im „blauen“ Bereich des Spektrums, und bei einer warmweißen LED wird der blaue Anteil durch die intensivere Strahlung des gelben Leuchtstoffs „unterdrückt“. Färbt die Strahlung in einem „warmen“ Farbton. Andererseits ist es notwendig, die elektrischen Parameter von LEDs zu bewerten. Dies lässt sich am deutlichsten durch die Strom-Spannungs-Kennlinie (VC) beschreiben, also die Abhängigkeit des durch die Diode fließenden Stroms von der an ihr anliegenden Spannung (Abb. 8). Wenn eine Sperrspannung angelegt wird, leitet jede Diode, einschließlich einer LED, keinen Strom. Im Gegensatz zu Gleichrichterdioden lassen LEDs jedoch keine großen Sperrspannungen zu. Die standardmäßige maximale LED-Sperrspannung überschreitet 5 V nicht, daher wird empfohlen, bei „Polaritätsumkehrungen“ vorsichtig zu sein.
Der direkte Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinien von LEDs unterscheidet sich von den Strom-Spannungs-Kennlinien herkömmlicher Dioden nur durch den Wert der Öffnungsspannung und den Spannungsabfall im geöffneten Zustand. Öffnen Germaniumdioden bei einer Spannung von 0,1...0,2 V, Siliziumdioden bei 0,6...0,7 V, dann liegt die Öffnungsspannung der LEDs im Bereich von 1,2...2,9 V. Nach dem Öffnen steigt die Spannung an den LEDs steigt mit steigendem Strom leicht an und stabilisiert sich bereits bei einem Strom von etwa 1 mA auf einem bestimmten Niveau. Aus Abb. 8 zeigt auch deutlich, dass der Unterschied zwischen der LED-Zündspannung und dem unkontrollierten Stromanstieg durch sie nur 0,3 V beträgt. Eine LED kann wie jeder Halbleiter keine unendlich großen Ströme leiten – sie schmilzt einfach durch Erhitzen. Daher ist es notwendig, ein Vorschaltgerät zu verwenden, das die Überspannung „löscht“ und den Stromfluss begrenzt. Da LEDs mit konstanter (oder gepulster) Spannung betrieben werden, ist das einfachste Vorschaltgerät überwiegend ein herkömmlicher aktiver Widerstand. Es gibt auch komplexere und kostengünstigere Vorschaltgerätetypen, die auf elektronischen Stromquellen basieren. Autor: B. Semenov
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