LED-Technik verändert den Beleuchtungsmarkt

Rasant verlief in den letzten Jahren die Entwicklung bei LEDs für Beleuchtungsanwendungen. Gleiches gilt für die Gehäuseeigenschaften, die Ansteuerelektronik und die Modul-Integration. Mittlerweile ist die Beleuchtung mittels LEDs in zahlreichen Bereichen eine...

Rasant verlief in den letzten Jahren die Entwicklung bei LEDs für Beleuchtungsanwendungen. Gleiches gilt für die Gehäuseeigenschaften, die Ansteuerelektronik und die Modul-Integration. Mittlerweile ist die Beleuchtung mittels LEDs in zahlreichen Bereichen eine spannende und vorteilhafte Alternative zu herkömmlichen Lösungsansätzen. Doch jede neue Technik bringt neue Herausforderungen mit sich.

Leistungs-LEDs stellen im Bereich der allgemeinen Beleuchtung eine neuartige Technik dar. Lichtgestalter müssen sich, wenn sie diese einsetzen wollen, das Fachwissen von Elektronikentwicklern aneignen, jedoch sind mittlerweile auch Elektronikunternehmen in der Lage, in den Bereich der allgemeinen Beleuchtung vorzustoßen. Zahlreiche neue Ideen und Formen sind zu erwarten, doch gibt es jetzt schon Einsatzmöglichkeiten für schlüsselfertige LED-Beleuchtungskörper mit Sockeln, die sich für Standard-Lampenfassungen wie das »MR16«-Spotlight [1] eignen. Die Designer müssen mit großer Sorgfalt die unzähligen unterschiedlichen Produkte und Lösungsansätze bewerten können, die unablässig vorgeschlagen werden.

Auch wenn die Beleuchtung mithilfe von Halbleitern gegenüber herkömmlichen Techniken eine ganze Reihe von Vorteilen bieten kann, ist wahrscheinlich der geringere Energieverbrauch das wichtigste Argument. Während eine 60-W-Glühlampe ungefähr 900 lm (Lumen) erzeugt, kann eine einzige weiße 1-W-Leistungs-LED bis zu 100 lm abstrahlen. Dies bedeutet, dass sich bei einem Beleuchtungskörper mit gleichwertiger Lichtausbeute mehr als 80 Prozent Energie insgesamt einsparen lässt. Ein anderer ökologischer Vorteil liegt in den im Vergleich zu Leuchtstoffröhren geringeren Kosten für die Entsorgung am Ende ihres Lebens. Zu den weiteren Vorzügen von LEDs zählen Lebensdauererwartungen bis zu 50.000 Stunden, abhängig von den Betriebsbedingungen. Ihre geringen Abmessungen machen viele neue Formen möglich, und sie erleichtern darüber hinaus die Installation in Anwendungen mit eingeschränktem Platzangebot wie an Bord von Bussen und Zügen oder in elektronischen Hinweisschildern. Als Bauteil, das mit Gleichstrom und geringer Spannung arbeitet, erhöhen LEDs außerdem die Sicherheit, indem sie die Anwender von direktem Kontakt mit dem Wechselstromnetz fernhalten.

Für den Einsatz in allgemeinen Beleuchtungen wie am Fahrrad, im Garten, am Arbeitsplatz oder in der Sicherheitstechnik kommen mehrere LEDs zum Einsatz, um die gewünschte Gesamtausleuchtung zu erreichen. Denn die Lichtleistung einer einzelnen LED ist nicht nur geringer als die einer herkömmlichen Glühlampe, sondern das Licht ist tendenziell auch noch gerichtet. Um eine breit gestreute Beleuchtung wie bei einer herkömmlichen Glühbirne zu erzielen, müssen die Lichtdesigner sowohl auf die Ausrichtung der einzelnen LEDs im Beleuchtungskörper achten als auch auf die Zahl der Einheiten, die sie verwenden, wollen sie die gewünschte Lichtleistung erzielen.

Nachdem die Einsatzgebiete für LED-Beleuchtungen breiter geworden sind, hat das Angebot an verfügbaren Lichtquellen und Treibern rasch zugenommen. Entwickler können einige dieser Wahlmöglichkeiten mithilfe von Online-Tools durchforsten, beispielsweise mit dem »Webbench LED Designer« [2] von National Semiconductor (Bild 1).

Mittlerweile steht eine breite Vielfalt an LEDs von zahlreichen Anbietern für den Einsatz in Beleuchtungen zur Verfügung. Da die menschliche Wahrnehmung einer Beleuchtung in gewissem Maße subjektiv ist, spielt die persönliche Vorliebe bei der LED-Auswahl für einen gegebenen Anwendungsfall eine beträchtliche Rolle. Zum Beispiel können sich die Designer für den Einsatz einiger weniger Lichtquellen mit hoher Lichtabgabe entscheiden oder für eine größere Anzahl von LEDs, die jeweils weniger Lichtstrom erzeugen.

Die von farbigen LEDs erzeugte Lichtwellenlänge kann zwischen den Herstellern schwanken. Was weiße LEDs betrifft, gibt es viele Ansichten bezüglich der optimalen Farbtemperatur. Kaltweiße LEDs im Bereich von 4000 K bis 10.000 K werden eher für Arbeitsbeleuchtungen bevorzugt, während für die allgemeine Innenbeleuchtung warmweiße LEDs mit einer Farbtemperatur zwischen 2600 K und 4000 K der Vorzug gegeben wird. Zu anderen wichtigen Auswahlkriterien zählen die Kosten, die Abmessungen und die Gehäusecharakteristik.

Die Firma Weldon Technologies hat beim Gehäusedesign ihrer »V-LED«-Familie die Probleme rund um Wärmemanagement und Montage gleichzeitig in Angriff genommen [4]. Das kreisförmige Gehäuse zeichnet sich durch einen Gewindebolzen aus, der direkt in eine M-2,5-Gewindebohrung im Kühlkörper geschraubt wird. Der resultierende direkte Kontakt von Metall zu Metall verbessert die Wärmeübertragung. Das runde Gehäuse mit einem Durchmesser von 12,7 mm enthält ringförmige elektrische Kontakte, weshalb das Gehäuse nicht exakt ausgerichtet werden muss. Der zentrale Bolzen wirkt als Anodenverbindung, wohingegen ein Satz konzentrischer Federn rund um den Bolzen eine einfache Verbindung mit der Kathode ermöglicht. Mit einem großen LED-Chip und einem Wärmewiderstand des Gehäuses von 10 K/W kann die V-LED mit 350 mA angesteuert werden. Sie ist in den Farben Rot, Gelb, Grün, Blau und Weiß erhältlich.

Module und mehr

Im Zuge der Weiterentwicklung im Bereich der Anwendungen von LED-Beleuchtungen entstehen Module, die mehrere LEDs enthalten, und Beleuchtungsprozessoren. Sie kommen in Anwendungen mit hoher Lichtstromabgabe zum Einsatz. Die Firma Enfis hat ein neutral weißes LED-Array im Angebot, das 1100 lm erzeugen kann und dabei weniger als 40 W Leistung aufnimmt. Das Array misst 11 mm x 9 mm bei einer Bauhöhe von 1,5 mm, und besitzt zur einfachen Montage eine einfache Leiterrahmenverbindung.

Avago Technologies bietet ebenfalls eine Reihe von Multi-LED-Modulen an, einschließlich »Moonstone«-Modulen mit rundem, ring- und streifenförmigem Umfang in den Farben Warm- oder Kaltweiß (Bild 5). Das Array, das drei bis zwölf LEDs umfassen kann, erzeugt eine Lichtleistung bis zu 720 lm. Darüber hinaus bietet Avago 24-W-Module, die Reihen mit roten, grünen und blauen LED-Chips vereinen und einen Gesamtlichtstrom von 480 lm abgeben.

Andere Einheiten enthalten mehrere Leistungs-Chips in einem einzigen Gehäuse. Ein Beispiel ist die »Z-Power«-Serie von Seoul Semiconductor, die rote, grüne und blaue Leistungs-LED-Chips kombiniert und so Farbmischungen sowie Farbänderungseffekte ermöglicht. Z-Power-LEDs sind in einem oberflächenmontierbaren 6-Pin-Gehäuse untergebracht. Sie zeichnen sich durch einen zentralen, an der Unterseite angebrachten Wärmestutzen aus, der mit der Anode des roten Chips verbunden ist. Zu den Anwendungen zählen Architekturbeleuchtung, Heim- und Kfz-Innenbeleuchtung, Verkehrszeichen, Projektorlampen sowie Hintergrundbeleuchtungen.

Mithilfe von RGB-LEDs können Entwickler durch Einstellung der relativen Intensität jedes LED-Chips einfallsreiche Effekte erzielen. Ein Evaluation-Kit für einen Dreifarben-LED-Treiber von Texas Instruments (TPS62260LED-338 Evaluation Module, [6]) verkürzt die Entwicklungszeit einer geeigneten Farbsteuerungsstruktur, wobei der Mikrocontroller »MSP430« zur Generierung von Dimm-Signalen für jeden Kanal zum Einsatz kommt. (Ralf Higgelke)