Weißlicht-LED-Light-Engines von Mentor: Geregeltes Licht nach Maß

Heutige LED-Beleuchtungssysteme sollen flexibel einstellbar und stabil sein
Weißlicht-LED-Engines mit facettiertem Reflektor und Mischoptik für eine homogene Ausleuchtung.

Der Farbort und die Helligkeit heutiger LED-Beleuchtungssysteme sollen flexibel einstellbar und stabil sein. Ein Leuchtenhersteller kann dafür auf zahlreiche fertige Bausteine zurückgreifen, muss bei der Optik- und Elektronikauslegung aber drei Schwachpunkte heutiger LEDs berücksichtigen.

Eine LED-Lichtquelle mit veränderlichem Weißton kann durch die Kombination verschiedenfarbiger Einzel-LEDs realisiert werden. Durch Mischung der einzelnen Emissionsspektren entsteht der Weißlicht-Farbeindruck. Mit der gewählten Optik muss die Mischung der Einzelfarben im Nah- und Fernfeld sowie eine homogene Farbausleuchtung erreicht werden. Für die Optikauslegung ist der Einsatz von Software-Paketen unerlässlich, mit denen die erzielte Farbausleuchtung auf Grundlage spezieller mathematischer Methoden (Monte-Carlo-Raytracing bzw. Path Tracing) simuliert werden kann.

Die Stabilität des Farbortes erfordert die Kompensation der Auswirkungen verschiedener Einflussgrößen, wie der Temperatur, des Binning, der Alterung usw. Dies geschieht durch eine dynamische Anpassung des Lichtstroms der Einzelfarben. Die notwendigen Parameteränderungen werden anhand geeigneter mathematischer Modelle in einem Mikrocontroller errechnet und an den LED-Treiber weitergeleitet.

LEDs bieten große Vorteile und einige Schwächen

Die geringe Größe, die hohe Effizienz und die lange Lebensdauer sind einige Aspekte, aufgrund derer sich die LED als Lichtquelle in den letzten Jahren in den Bereich Automobil- und Allgemeinbeleuchtung immer weiter etabliert hat. Diese Vorteile der LED werden durch die nachfolgenden drei Schwächen begleitet, die bei farbveränderlichen Applikationen mit hohem Anspruch an die Farbstabilität kompensiert werden müssen. In der Praxis wird dazu eine entsprechend ausgelegte Elektronik verwendet.

Schwäche 1: LED-Binning

Die Herstellungsbedingungen bei der LED-Produktion sind gewissen Schwankungen unterworfen, sodass die Leistungswerte der LED innerhalb einer Produktionsserie statistisch um einen Mittelwert variieren. Dies ist insbesondere beim Emissionsspektrum der Fall, das sich in der Wellenlänge verschiebt, und bei der Anzahl der emittierten Photonen des Halbleiters. Ein LED-Typ wird daher in verschiedene Helligkeits- und Farbortklassen eingeteilt, das sogenannte Binning.

Bei einer farbstabilen Applikation muss dem Binning dahingehend Rechnung getragen werden, dass jede LED integral spektral vermessen und die sich aus den radiometrischen Leistungsspektren ergebenden kolorimetrischen und photometrischen Größen in einem passenden Baustein, z.B. ein Mikrocontroller mit EEPROM, on-board gespeichert werden. Diese Messdatenerfassung geschieht am sinnvollsten inklusive der in der Leuchte eingesetzten Optik, damit potenzielle spektrale Veränderungen aufgrund der Optik im Vorfeld bereits mit kalibriert werden können.

Schwäche 2: LED-Temperaturverhalten

Durch Erwärmung des Halbleiters verändern sich seine physikalischen Eigenschaften, sodass sich Veränderungen des emittierten Lichts im Spektrum und in der Leistung ergeben. Für einen stabilen Farbort gilt es, dies in der Applikation zu kompensieren.

Ein wirkungsvoller Ansatz ist es, einen Farbsensor in die Leuchte zu integrieren, der kontinuierlich die Farbwerte (Tristimuluswerte) des emittierten Lichts misst. Diese Messwerte gelangen zu einem Mikrocontroller mit Regelalgorithmus, der auf Basis einer analytischen Berechnung mittels der Soll- und Ist-Tristimuluswerte die nötigen Werte für die Pulsweitenmodulation (PWM) ermittelt. Über die Pulsweite wird der Lichtstrom der einzelnen Farbkanäle im zeitlichen Mittel so gesteuert, dass der Farbort und der Lichtstrom des gemischten Lichts konstant bleiben.

Schwäche 3: LED-Alterung

Die LED erfährt aufgrund ihres Betriebes eine Alterung. Abhängig von einer Vielzahl von Umwelteinflüssen verändern sich die physikalischen Gegebenheiten im Halbleitermaterial, aber auch das Gehäuse um den Chip einschließlich des Vergusses verändert seine Eigenschaft. Wie schon das Binning und Temperaturverhalten, beeinflusst auch die Alterung die Effizienz der LED und das Spek­trum des von ihr emittierten Lichtes.

Mit oben genannter Regelstrecke inklusive Farb- bzw. Tristimulussensor kann diesen Effekten ebenfalls Rechnung getragen werden. Der Farbsensor muss im Vergleich zur LED dazu möglichst alterungsunempfindlich sein. Großen Einfluss auf die Alterung hat die mittlere Betriebstemperatur, der die LED während der Laufzeit ausgesetzt ist. Entsprechend ist eine gute Wärmeableitung essenziell für eine LED-Leuchte.