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

Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 1

Moderne LED-Technologie für die Beleuchtungstechnik

Thomas Jüstel

Münster, 02. November 2006


Agenda

1. Entwicklung künstlicher Lichtquellen

2. Prinzipien der Lichterzeugung

3. Klassifizierung von Lichtquellen

4. Aufbau von LED Lichtquellen

5. Anwendung von LEDs in der Beleuchtung

6. Zusammenfassung und Ausblick

Edison-Glühlampe1879

LEDs bei der FH-G1999


1. Entwicklung künstlicher LichtquellenWechselwirkung

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


1. Entwicklung künstlicher Lichtquellen

Ur- und Frühgeschichte 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt.

Zeit bzw. Grad der Kontrolle

Chemische LichtquellenElektrische Lichtquellen

Anorganische + organische LEDs

offenesFeuer

KerzenÖllampen

Glüh- undHalogenlampen

Gasentladungs-lampen


500 1000 1500 20000

0.5

1

1.2

I λ( )

V z( )

2000.200 λ z,380 780 Wellenlänge [nm] 2000

← Augenempfindlichkeitskurve

Thermische Strahler+ Sehr gute Lichtqualität+ Einfache Handhabung- geringe Lebensdauer- hoher Energieverbrauch- Farbvariationen benötigen Filter

Wendel- Licht- Energie-temp. ausbeute ausbeuteT [K] η [lm/W] η [%]2700 13 62800 16 93000 22 113200 29 153400 36 18




0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Inte

nsitä

t [W

/nm

]

Wellenlänge [nm]

e-

Kathode

Leuchtstoffschicht Gasentladungen+ Geringer Energieverbrauch+ Hohe Lebensdauer- Vorschaltgerät notwendig- Mäßige Lichtqualität- Enthalten Hg und Ba

Hg*

Lampen Licht- Energie-typ ausbeute ausbeute

η [lm/W] η [%]Energie- 40 – 70 15 - 20SparlampeLeuchtstoffröhre 70 – 80 20 - 25„Standard“Leuchtstoffröhre 90 – 100 27 - 30„Dreibanden“


+ - Metallkathode

Lichtemittierende Schicht (Polymere, Metallorganische Verbindungen)

Indium-Zinn-Oxid-Anode

Glassubstrat

2. Prinzipien der LichterzeugungOrganische Festkörper(-LED)+ Geringer Energieverbrauch+ Hohe Flexibilität- Mäßige Lebensdauer- Geringe Leuchtdichte

Lebens- Licht- Maximaledauer ausbeute Leuchtdichtet [h] η [lm/W] L [cd/m2]___< 5000 10 - 25 1000


+ -

2. Prinzipien der LichterzeugungAnorganische Festkörper(-LED)+ Geringer Energieverbrauch+ Sehr hohe Lebensdauer+ Einfache Ansteuerung- Mäßige bis gute Lichtqualität

Lebens- Licht- Maximaledauer ausbeute Leuchtdichtet [h] η [lm/W] L [cd/m2]___> 30000 30 - 50 10000000

Ni/Au p-Kathode

p-leitendes GaN

Lichtemittierende Schicht (Rekombinationszone)

n-leitendes GaN

Transparentes Substrat (Al2O3)



Glüh- undHalogenglüh-

lampen

Nieder – und Hoch-druckgasent-

ladungslampen

Anorganische und organische Leuchtdioden

Chemolumineszenz

Biolumineszenz

ChemischeLichtquellen

nach der Art der Lichterzeugung



Typische Ra Werte

Glühlampe 100Halogenlampe 100Energiesparlampe 80Hg-Hochdruck 50Na-Hochdruck 20Na-Niederdruck < 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

WarmweißLED 1W

KaltweißLED 1W Fluoreszenzlampe Standard 36W

Fluoreszenzlampe Dreibanden 36W

Keramische Metallhalogenid 150WLEDs >2020?

Hg-Hochdruck 125W

Na-Hochdruck150W

Na-Niederdruck131W

Halogenlampe 150W

Farb

wie

derg

abei

ndex

Ra

Lichtausbeute (lm/W)

Glühlampe 150W

LEDs >2010?

nach Farbwiedergabe und Lichtausbeute


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


4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 0Halbleitermaterialien Typische LED-Spektren

(Al,In,Ga)P580 nm – 630 nmGelb → Orange → Rot

(Al,In,Ga)N370 – 530 nmUV-A → Blau → Grün

Fast alle Farben direkt mit LEDs zugänglich!

Aber wie macht man weißes Licht mit LEDs?

400 450 500 550 600 650 700 7500,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

Emis

sion

sint

ensi

tät

Wellenlänge [nm]


4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 1

(Al,In,Ga)N Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) LichtfarbeBlau 420 – 480 nm Gelb Kaltweiß

Gelb + rot WarmweißGrün + rot Kalt- und warmweiß

Plastik-linse

< 1.0 lm 10 – 150 lm< 0.1 W 0.6 – 5 W< 120°C 120 – 200°C< 100 W/cm2 100 – 200 W/cm2

> 120 K/W 2 – 12 K/W

Kontakt

Golddraht

Kühlkörper (Cu)

InGaN-Halbleiter

Leucht-stoff


Kaltweiße „Standard“ LEDs • 1 – 5 W LEDs • 30 - 50 lm/W• bläulich-weißes Licht • schlechte Wiedergabe roter Farbtöne

0

10

20

30

40

50

60

70

400 500 600 700 800

Emis

sion

sint

ensi

tät Tc = 5270 K: CRI = 82

Tc = 4490 K: CRI = 79Tc = 4110 K: CRI = 76Tc = 3860 K: CRI = 73Tc = 3540 K: CRI = 70

Wellenlänge [nm]

4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 1(Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce LeuchtstoffTypische LED Leuchtstoffe


Warm weiße LEDs für die Innenbeleuchtung• 1 – 5 W LEDs • 20 - 30 lm/W• gelblich-weißes “warmes“ Licht • gute Wiedergabe von allen Farbtönen

vergleichbar mit Halogenlampen

4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 1LUXEON - Warmweiß - Die Komponenten

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

400 450 500 550 600 650 700 750 800nm

(Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce CaS:Eu

400 450 500 550 600 650 700 750 800nm

black body 3600 K

fluorescent, CCT=3600 K

0

5

4

4

4

4

4

4

4

4

400 450 500 550 600 650 700 750nm

JAZZ 3300K

BB 3300K


4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 2LED Module Montage

Die einzelnen LED Lampen werdenz.B. auf einer Leiterplatte aufgelötet

Durch die Steigerung der Effizienzgeht die Zahl der LED-Lampen proModul kontinuierlich zurück


4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 2PrimäreffektDer 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)

Temperaturproblematik


4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 3LED-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 Hellig-keit proportional zum Stromfluss I ist.Problem: Der Stromfluss steigt ober-halb der minimalen Flussspannung exponentiell mit der Spannung an.

LED-Kennlinie

Regulierung des Stromflusses durch einea) Konstantstromquelle mit strombegrenzendem Vorwiderstand

und Umpolungs-/Transientenschutz (⇒ Hochvoltdiode)b) sehr gut spannungsstabilisierte Stromquelle


4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 3Netzteil

• Liefert meist einen konstanten Strom • Eignet sich zum Betrieb einer oder

mehrerer LED-Module

Sekundäroptik

• Garantiert eine homogene Lichtab-strahlung

• Besteht meistens aus strukturierten PMMA(Plexiglas)-Elementen

Aufbau eines betriebs-bereiten LED-Systems


4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 3Kommerzielle LED-Systeme

Chip-Streifen hohe Flexibilität

leichte Dimmbarkeit

LED-Strings viele Lichtfarbenkalt- und warmweiß

1 - 5 W pro LED-LampeLED-Module mit Sekundäroptik ausreichender Feuchtig-

keitsschutz erforderlich


Innenraumbeleuchtung

Standard weiß farbdynamisch

Home


LED Array zur dynamischenfarbigen Beleuchtung


Hotel Anna, MünchenLuxeon Rot, Grün und Blau

“Ambience Creation” in der Innenraumbeleuchtung


Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 23Home

5. Anwendung von LEDs in der BeleuchtungDekorative Beleuchtung

mit farbigen LEDs dynamische Farbgebung mit RGB-LED-Modulen

Lichtwand, Light & Building, Frankfurt 2004


Lighting Systems by Color Kinetics Inc.,Takarazuka University of Art and Design, Satellite Building

Architektonische Beleuchtung Außenbeleuchtung



6. Zusammenfassung und AusblickAnorganische LED - Status Quo 2006

Vorteile anorganischer LEDs gegenüberGlüh- und Halogenlampen FluoreszenzlampenHöhere Lebensdauer Einfachere Ansteuerung/DimmbarkeitHöhere Effizienz Bessere FarbwiedergabeGrößere Robustheit Größere Robustheit

1832500Warmweiß2141500Kaltweiß Golden DragonOsram2432350Warmweiß3242350Kaltweiß JupiterNichia1720350Warmweiß5060350Kaltweiß Luxeon K2Lumileds

Lichtausbeute[lm/W]

Lichtstrom[lm]

Teststrom[mA]

LichtfarbeProduktHersteller


Kosten [€/1000 lm]

1995 2010 2015

Effizienz [lm/W]

120

100

50

30

2010

2000 2005 2020

150

10

2

5

100

7 W LED~1000 lmfür ~ 2 €”

6. Zusammenfassung und Ausblick


Anw

ende

rnut

zen

Licht

Ambiente

6. Zusammenfassung und AusblickTrends im Lichtquellenmarkt

Nick Holonyak, jr. (2000)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.

Umweltverträglichkeit

Gesundheit

Zeit

Lifestyle

EnergieeffizienzLebensdauer

Recycling

Geometrische und spektrale

Flexibilität


Lieferanten und LiteraturhinweiseGELcore http://www.gelcore.com/Global Light Industries http://www.globallight.de/index.htmlLumileds/Philips http://www.luxeon.com/Nichia http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.htmlOsram http://www.osram.de/Sylvania http://www.sli-sylvania.com/content/view/65/77/

Insta http://www.insta.de/newsite/index.php?page=695LEDtronics http://www.ledtronics.com/Leuchtmittel online http://www.leuchtmittel-online.com/Lumitronix http://www.leds.de/index.phpTridonicAtco http://www.tridonicatco.com/kms/static_nav/index.phpVossloh-Schwabe Opto. http://www.vs-optoelectronic.com/ger/Taunuslicht http://www.taunuslicht.de/index.php

• 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: www.fh-muenster.de/fb1/personal/Juestel. php

LED-Lampen

LED-Moduleund -Systeme

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