LEDs und LED-Leuchten Eigenschaften von Halbleiter-Leuchtmitteln bestimmen

Mit der Verfügbarkeit von Hochleistungs-LEDs und LED-Modulen mit Lichtausbeuten von 100 lm/W und mehr bieten die neuen Halbleiter-Lichtquellen bereits in vielen Fällen eine Alternative zu Halogen-Glühlampen und Leuchtstoff-Lampen. Für die Bestimmung ihrer Eigenschaften steht mittlerweile ein umfassendes Spektrum von Mess- und Testgeräten zur Verfügung, mit denen sich die neuen Leuchtmittel umfassend charakterisieren lassen.

Für die Entwicklung von LED-Innenleuchten und LED- Außenleuchten sind drei Schlüs- seltechnologien bestimmend:

  • Lichttechnisch-optisches Design mit Linsen und Reflektoren
  • Thermisches Design zur Minimierung der LED-Junction-Temperatur
  • Elektronisches Design zur Optimierung des Systems LED - Konverter

Um diese Ziele zu erreichen, ist eine geeignete Messtechnik erforderlich. Die radiometrischen Größen quantifizieren die Eigenschaften von Strahlungsquelle, Empfänger und bestrahltem Material, die daraus abgeleiteten photometrischen Größen beziehen die spektrale Augen-Empfindlichkeitskurve des Betrachters mit ein. Durch die spektrometrischen Größen wird die Wellenlänge und damit die Farbe des abgestrahlten Lichts beschrieben.

Zur Charakterisierung der Strahlungsquelle LED müssen zudem die elektrischen Parameter ermittelt werden, dazu zählt etwa auch die Festigkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen. Schließlich geben die thermischen Größen Auskunft über die Maßnahmen, die für eine Integration der LED in ein System erforderlich sind.

Messung radiometrischer und spektrometrischer Größen

Alle radiometrischen, photometrischen und farbmetrischen Größen können mit präzisen Spektralradiometern über einen weiten Bereich von UV bis IR per Software aus den gemessenen Spektraldaten errechnet werden. Optische Spektrometer werden in zwei unterschiedlichen Bauweisen hergestellt:

Array-Spektrometer (Bild 1) bestehen aus einem feststehenden Beugungsgitter und einer Detektorzeile (beispielsweise einem CCD-Sensor). Da das gesamte Spektrum durch die Detektorzeile simultan erfasst wird, können sehr kurze Messzeiten im Millisekundenbereich erzielt werden. Array-Spektrometer sind sehr robust und eignen sich insbesondere für industrielle Anwendungen.

Scannende Spektrometer beruhen auf einem Einzel-Detektor und einem sich drehenden Beugungsgitter. Da das Spektrum während des Drehvorgangs des Beugungsgitters sequenziell abgetastet wird, benötigen scannende Spektrometer eine Messzeit von mehreren Sekunden bis Minuten. Sie bieten eine sehr hohe Signaldynamik und Spektralauflösung sowie einen breiten Spektralbereich, da mehrere Gitter und Detektoren in einem Gerät integriert werden können.

Messung photometrischer Größen

Spiegel-Goniophotometer und Leuchtenwender dienen zur Bestimmung von Lichtstärkeverteilungskurven (LVK), Lichtstrom, Lichtausbeute und Leuchtenwirkungsgrad. Die Lichtquelle wird in C-Ebenen von 0 bis 180 Grad positioniert, der Spiegel rotiert in der G-Ebene von -180  bis +180 Grad. Die Lichtquelle wird während der Messung nicht bewegt. Die Winkel-Messgenauigkeit beträgt ±0,01 Grad (Bild 2). 

Kleine Lichtquellen wie LEDs können mit geringer Distanz mit dem Detektor D 1 gemessen werden. Das Gerät arbeitet auch als Gonio-Spektroradiometer, wenn Detektor D 1 mit einem Spektrometer bestückt ist.

Ulbricht-Kugeln sind geeignet zur Bestimmung der LED-Strahlungsleistung bzw. des LED-Lichtstroms von Lichtquellen in 2π-Konfiguration - hierbei wird nur die in den vorderen Halbraum emittierende Strahlung erfasst - oder in 4π-Konfiguration, um die in alle Richtungen emittierte Strahlung zu erfassen.

Lichtwelligkeit W

Es wird unterschieden zwischen DC-Licht und (DC+AC)-Licht. Beim Dimmen der LEDs mit der üblichen Pulsbreitenmodulation (PWM) gilt:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»W«/mi»«mi»LED«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mfrac»«mfenced»«mrow»«msub»«mi»§#934;«/mi»«mi»max«/mi»«/msub»«mo»-«/mo»«msub»«mi»§#934;«/mi»«mi»min«/mi»«/msub»«/mrow»«/mfenced»«msub»«mi»§#934;«/mi»«mi»mittel«/mi»«/msub»«/mfrac»«/math»     mit (1 ≤ WLED < ∞) mit Φ = Lichtstrom

Hierbei entsteht eine erhebliche Lichtwelligkeit. Das Analog-Dimm-Verfahren vermeidet bei den LEDs die in aller Regel störende Lichtwelligkeit. Dieses Prinzip ist in der Lichtbranche noch weitgehend unbekannt! Beim Analog-Dimmen werden die LEDs mit kontinuierlich regelbarem Konstant-Gleichstrom gedimmt, d.h., es entsteht keine Lichtwelligkeit. Die Vorteile des Analog-Dimm-Verfahrens sind:

  • Kein Flimmern, kein Stroboskopeffekt, keine Interferenzen mit anderen Lichtquellen wie z.B. Video-Bildschirmen, Vermeidung evtl. Probleme bei TV-Aufnahmen und Fotos mit Digitalkameras usw.
  • Verminderte Augenermüdung durch angenehmes Gleichlicht (DC-Licht), das natürliche Tageslicht ist auch ein langsam veränderliches Gleichlicht (DC-Licht).
  • Geringere Strombelastung der LED-Sperrschicht, dadurch geringere Sperrschichttemperatur, höhere Lichtaus- beute, höhere Lebensdauer.
  • Günstige EMV, da keine steilen Strom- und Spannungsimpulse auftreten, PWM-Pulse erzeugen dagegen ein breitbandiges Störspektrum.
  • Keine Gefahr evtl. wahrnehmbarer akustischer Geräusche.