Hochleistungs-LEDs haben sich von reinen Komponenten hin zu „optischen Geräten“ gewandelt. Aktuelle Produktvorstellungen erreichen bis zu 240 Lumen Lichtstrom für Single-Chip-LEDs. Die Roadmaps der Anbieter lassen auch in Bezug auf Bestromung jenseits von einem Ampere erkennen, dass neue Prozesse verbesserte Effizienz versprechen. Genannt sei hier beispielsweise das „Low-Droop“-Verfahren beim Hersteller Philips Lumileds, das geringere Effizienzverluste bei höherem Strom verspricht. Damit werden LED-Anwendungen in klassischen Lichtapplikationen der Allgemeinbeleuchtung weiter zunehmen. Zu diesem Trend passt eine für 2008 geplante EU-Richtlinie, die nach einem Übergangszeitraum eine Gesamteffizienz von mindestens 50 Lumen/Watt für neue Leuchten fordert, und zwar nicht nur für das Leuchtmittel sondern für das gesamte Gerät.
Lichtsimulation bildet den auszu- leuchtenden Raum geometrisch nach
Vor der technischen Auslegung einer neuen Beleuchtungsanwendung gibt es die Möglichkeit, die zu erwartende Ausleuchtung im Endprodukt zu simulieren. Erst damit lässt sich absehen, welche Beleuchtungsstärke in der jeweiligen Situation benötigt wird und ob beispielsweise immer die höchsten Helligkeitswerte nötig sind. Über den exemplarisch ermittelten Lumenwert lässt sich dann die Anzahl der erforderlichen LEDs ermitteln. Simulationsprogramme wie „Lighttools“ bieten dabei unzählige Möglichkeiten, den auszuleuchtenden Raum geometrisch nachzubilden und auch unterschiedliche Reflexionsgrade der Oberflächen zu berücksichtigen. Damit lassen sich, noch bevor ein Geräteprototyp gebaut werden muss, unterschiedliche Parameter ausprobieren. Diese Simulationen helfen auch, entgegen eventuell bestehender Vorbehalte innerhalb eines Unternehmens (etwa aus Marketing- oder Vertriebssichtweise), schlagkräftige Argumentationen für ein LED-Produkt aufzuzeigen, ohne bereits nennenswerte Kosten verursacht zu haben. Bereits in der Findungsphase können damit LED-Anzahl und der Bedarf an Licht definiert werden, um eine fundierte Ausgangsbasis für die weitere technische Detailplanung zu legen.
Diese Ergebnisse helfen nun bei der Auswahl der entsprechenden LEDs. Dabei stellt sich schnell heraus, dass die oft fantastischen Effizienzangaben aus den Datenblättern der Hersteller nicht, oder nur in praxisfernen Einsatzbedingungen erreicht werden. Um in diesem Zusammenhang Lichtentwicklern die Arbeit leichter zu machen, bietet die Industrie Unterstützung: So stellt beispielsweise der LED-Experte Future Lighting Solutions sein Usable Light Tool zur Verfügung. Dem Online-Werkzeug liegt die Problematik zugrunde, dass bei der Bewertung von High-Power-LEDs aus den Datenblättern meist ausschließlich typische Lichtflusswerte (Flux) bei einer Grenzschichttemperatur von 25°C betrachtet werden. Diese Information ist aber irreführend, da die Grenzschichttemperatur in der Praxis weit höher liegt und auch die Umgebungstemperatur eine Rolle spielt. Die Lichtausbeute einer High-Power-LED (in Lumen pro Watt; lm/W) ist auch der erste Wert, den Interessenten im Datenblatt suchen und unter den Produkten der unterschiedlichen Hersteller vergleichen. Sie lässt sich aber in unrealistische Höhen treiben, wenn beispielsweise der Strom als Ausgangspunkt einer Extrapolierung niedrig genug gewählt wird. So ist es kaum verwunderlich, dass werbewirksame Pressemeldungen kursieren, die die angegebenen Lumen pro Watt bei nur 20mA Betriebsstrom erreichen, die Werte aber auf typisch 350 mA extrapoliert angegeben werden. Auch ein Blick auf die reine Lumenzahl kann in die Irre führen, wenn nur „typische“ Flux-Werte angegeben werden, Mindestwerte aber fehlen. Es empfiehlt sich also in jedem Fall, die Datenblätter im Detail zu prüfen.
Online-Werkzeug unterstützt bei der korrekten Bewertung von LEDs
Das Usable Light Tool betrachtet die Wechselbeziehungen zwischen den Einzelfaktoren Wärme, Verlustleistung, elektrische Spannung, Stromstärke und Lichtausbeute sowie die jeweilige Zu- bzw. Abnahme. Der Nutzer muss nur die entsprechenden Eckdaten (Anzahl der LEDs, Umgebungstemperatur und thermischen Widerstandswert des Kühlkörpers) eingeben und kann spezifizieren, ob die LED bei optimierter Stromstärke, bei minimaler Stromstärke oder gar bei maximaler Last betrieben werden soll. So lässt sich statt eines teilweise aufwändigen Trial-and-Error-Systems blitzschnell eine Applikation auslegen. Verhindert wird damit auch, dass beispielsweise nur Erfahrungswerte verwendet werden, um ein Design auszulegen. Nur dann lässt sich die verfügbare Technik auch richtig einsetzen. Sind Lichtsimulation und LED-Auswahl abgeschlossen, bietet sich eine thermische Betrachtung an, denn auch LEDs erzeugen Wärme. Da diese jedoch nicht nach vorne mit dem Lichtstrahl gerichtet abgeführt wird, ist es notwendig, mit Kühlkörpern zu arbeiten und gegebenenfalls das Produktgehäuse entsprechend zu nutzen. Form und Funktion von Standard-Kühlkörpern passen jedoch oft nicht zum eigenen Produkt. Mit geeigneter Berechnungssoftware lässt sich ein eigener Kühlkörper entwerfen bzw. die Nutzbarkeit des eigenen Gehäuses als Kühlkörper überprüfen. Über die User-Schnittstelle des Programms Qled des Anbieters Qfinsoft lassen sich intuitiv unterschiedlichste geometrische Formen darstellen und nach Auswahl der LED die einzelnen Parameter solange variieren, bis das optimale Ergebnis erreicht ist.
Je nach Ergebnis der vorangegangenen Simulationen stellt der Einsatz der Hochleistungs-LEDs ganz besondere Anforderungen an die Stromversorgung. Vor allem wenn mehrere LEDs versorgt werden müssen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten diese in Reihe oder parallel zu betreiben. Entsprechend knifflig ist eine konstante Bestromung. Ebenso wie im optischen und thermischen Bereich gibt es auch im analogen Umfeld Simulatoren, die seit dem Erscheinen von SPICE die Arbeit des Analogentwicklers erleichtert haben. Mit PSPICE und dessen Derivaten kann jeder Entwickler sogar auf dem PC Schaltungen simulieren. Die Firma Zetex bietet einen Mixed-Signal-Schaltungssimluator an. Die Schwerpunkte liegen auf einfacher Bedienung, hoher Simulationsgeschwindigkeit und einer Vielzahl an Möglichkeiten bei der Analyse und Auswertung der Simulationsergebnisse. Über einen Produktkatalog lassen sich Standardkomponenten auswählen und in einem entsprechenden Schaltkreis anordnen. Die Kombination von Usable Light Tool mit dem Analogsimulator erlaubt es, die ausgewählte LED unter Berücksichtigung der verfügbaren Ansteuerung auf die benötigte Effizienz einzustellen bzw. die LED-Anzahl, die vorab in der optischen Simulation ermittelt wurde, optimal anzusteuern und Leistungsverluste gering zu halten.
Webbasierte Lösung hilft, die passende Ansteuerung zu finden
Es gibt auch webbasierte Lösungen, die keine Anmeldung erfordern und dennoch einen schnellen Lösungsansatz bieten. National Semiconductor geht diesen Weg mit Webench, bei dem derzeit 284 unterschiedliche High-Power-LED-Typen von sieben Herstellern in der Produktdatenbank ausgewählt werden können. Nach der LED-Auswahl wird neben der Eingangsspannung die Beschaltung und Anzahl der LEDs bestimmt. Im Unterschied zur Simulation von Zetex schlägt Webench selbst eine Ansteuerlösung vor. Auch hier lassen sich die Werte der vorgeschlagenen Beikomponenten manuell abändern, um die Simulation entsprechend zu variieren. Erfüllt die Simulation die Erwartungen, kann mit einem abschließenden Schritt ein Bausatz mit Platine und den kompletten Komponenten direkt aus Webench bestellt werden. Die für ein effektives LED-Design benötigten speziellen Induktivitäten, Kondensatoren und Thermistoren lassen sich beispielsweise beim Hersteller NIC Components online zusammenstellen. Ausgehend von der optischen und thermischen Simulation lässt sich in Kombination von Usable Light Tool und Analogsimulatoren eine Anwendung mit Hochleistungs-LEDs in vier einfachen Schritten aufbauen – noch bevor die erste LED verlötet wird. Der Designer kann hier quasi aus dem Baukasten auf praktische Hilfsmittel zugreifen und sich ganz mit der Technik der LED beschäftigen.
Schließlich ist noch das Thema „Lebensdauer“ anzusprechen. Da es noch keine Standards gibt, ist die Vergleichbarkeit der Angaben nicht einfach. Betrachtet werden muss zunächst, worauf sich diese Angaben beziehen. Die nicht genormte Industrieeinstufung für LEDs gibt lediglich die durchschnittliche Zeit an, in der der Lichtstrom auf 50 Prozent (bei einigen Herstellern 70 Prozent) seines Spitzenwerts zurückgeht. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass LEDs im Gegensatz zu konventionellen Lichtquellen nur sehr selten einen Totalausfall zeigen und ein Helligkeitswert definiert werden muss, bei dem das menschliche Auge in der Lichtleistung einen Unterschied zur ursprünglichen Lichtleistung feststellen kann. Das Modell der Reliability & Lumen Maintenance von Philips Lumileds zeigt die Relation von diesem Ausfall (B) zum Lichtstromerhalt (L). Eine Einstufung B50/L70 gibt die Zeit an, nach der 50 Prozent der LEDs noch einen Lichtstromerhalt über 70 Prozent der Ausgangslichtleistung aufweisen. Dieses Modell stellt dann unterschiedliche B/L-Kombinationen in zweiachsigen Grafiken dar, wobei die Lebensdauer über der Sperrschichttemperatur aufgetragen wird – mit dem Diodenstrom als Parameter. Damit kann der Beleuchtungsentwickler die optimale Kombination von Ansteuerungsstrom und Temperatur in Abhängigkeit von der effektiven Lebensdauer für seine Anwendung ermitteln bzw. die zu erwartende Lebensdauer bei gegebenem Strom bestimmen. Eine Online-Simulation dazu steht mit dem LED Reliability Tool (LRT) ebenfalls zur Verfügung.
Literatur
[1] Lichtsimulation von Lighttools: www.opticalres.com/lt/ltprodds_f.html [2] Usable Light Tool: www.futureelectronics.com/ult/ [3] Wärmemanagement von Qfin: www.qfin.net [4] Zetex Circuit Simulator: www.zetex.com/3.0/design_ simulator.asp [5] National Semicponductor Webench: www.national.com [6] Sample-Kit von NIC Components: www.niccomp.com/QK-Future [7] LED Reliability Tool: www.futurelightingsolutions.com/lrt/Dieser Beitrag als PDF und weiterführende Informationen (ähnliche Beiträge, technische Daten, Direktlinks zum Hersteller etc.) sind online verfügbar auf www.EuE24.net
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