Licht in Sicht

Die Vorteile von LEDs in Beleuchtungsanwendungen sind gut bekannt: Flexibilität beim Design, geringer Leistungsbedarf, ein hoher Wirkungsgrad sowie eine wesentlich höhere Lebenserwartung als herkömmliche Beleuchtungen. Allerdings müssen High-Brightness-LEDs klassifiziert werden. Dieses so genannte »Binning« und dessen Folgeeffekte sind einer der wenigen Nachteile.

Die Vorteile von LEDs in Beleuchtungsanwendungen sind gut bekannt: Flexibilität beim Design, geringer Leistungsbedarf, ein hoher Wirkungsgrad sowie eine wesentlich höhere Lebenserwartung als herkömmliche Beleuchtungen. Allerdings müssen High-Brightness-LEDs klassifiziert werden. Dieses so genannte »Binning« und dessen Folgeeffekte sind einer der wenigen Nachteile.

Derzeit wächst der Einsatz von LED-Modulen bei Beleuchtungsanwendungen stark, beispielsweise im Auto, in batteriebetriebenen tragbaren Geräten sowie in häuslichen, kommerziellen und industriellen Beleuchtungen. Durch das breite Spektrum an Vorteilen im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungslösungen, verbunden mit der Entwicklung von High-Brightness-LEDs (HB-LEDs) mit bemerkenswerter Lichtstärke, wird die Technik mehr und mehr von den Entwicklern angenommen.

Wesentliche Vorteile von Beleuchtungen mit LEDs sind die Flexibilität beim Design, ein geringer Leistungsbedarf (ungefähr 25 Prozent von dem von Glühlampen), ein hoher Wirkungsgrad sowie eine 50- bis 100-mal höhere Lebensdauererwartung als herkömmliche Beleuchtungen. Doch kein Vorteil ohne Nachteil: HB-LEDs müssen klassifiziert werden.

Dieses sogenannte Binning und die damit verbundenen Folgeeffekte stellt für die Hersteller derzeit eine Tatsache dar, mit der sie leben müssen. Schwer zu kontrollierende Variablen im Produktionsprozess bedeuten, dass die Bauelemente auf der Grundlage einer Reihe von Schlüsselkennwerten zu klassifizieren und zu kennzeichnen sind. Zwar können manche Endanwendungen mit den Unterschieden leben, für die meisten freilich trifft das nicht zu.

Binning oder auch »Ranking «, wie es manchmal genannt wird, findet nach der LED-Waferverarbeitung und normalerweise vor dem Dicing, dem Auftrennen des Wafers in Chips, statt. Während der Herstellung können Optik, Phosphorbeschichtungen sowie andere Prozesse und Komponenten, um die der ursprüngliche LED-Chip ergänzt wird, die Ausgangscharakteristika jedes einzelnen Bausteins verändern.

Binning lässt sich normalerweise auf Fertigungslose von 1000 Stück bis zu über einer Million anwenden. Dabei werden die LEDs entsprechend der Kennwerte wie Leuchtdichte (in Übereinstimmung mit der CIE 127-1997), Strahlungsdichte, dominante Wellenlänge, Schwerpunktwellenlänge, Farbkoordinaten und Durchlassspannung in Gruppen aufgeteilt. Als Beispiel betrachte man eine LED, deren Klasse niederer Intensität bei 20 lm (Lumen) beginnt, während eine Klasse hoher Intensität bei 50 lm endet. In diesem Beispiel könnte ein Kunde, der LEDs ohne die Spezifizierung eines Bin-Codes erwirbt, ein Produkt mit einer Intensität irgendwo zwischen 20 lm und 50 lm erhalten. Je nach der Art und Konfiguration der Endanwendung sowie dem Detail der Produktentwicklung des Kunden kann diese Schwankungsbreite zu einem inakzeptablen Grad von wahrnehmbaren Lichtunterschieden führen.

Mehrere Bins reduzieren Kosten

Weiße LEDs nach Farbklassen einzuteilen (Colour Binning) stellt die größte Herausforderung dar. Die geringfügigen Unterschiede zwischen verschiedenen Varianten von Weiß – beispielsweise kaltes Weiß, neutrales Weiß und warmes Weiß – lassen sich zwar sämtlich durch Binning erfassen, doch ist dieser Vorgang technisch überaus schwierig.

Von allen Farben ist der Markt für weiße LEDs jedoch bei weitem der größte, da es sich um die einzige Farbe handelt, die sich für den Einsatz in Kraftfahrzeugscheinwerfern eignet und die mit höchster Wahrscheinlichkeit für Gebäude, Architekturbeleuchtung und zahlreiche andere Anwendungen Verwendung finden kann. Ist die Entwicklung eines Kunden in der Lage, LEDs aus vielen verschiedenen Fertigungslosen unterzubringen, lassen sich bei den Bauelementen bis zu 15 Prozent Kosten sparen, da sich die Produktauslieferung für den Hersteller vereinfacht.

Andererseits ruft das »Festnageln « einer Entwicklung auf LEDs einer bestimmten Klassifizierung normalerweise Zusatzkosten hervor. Mögliche Schwierigkeiten sowohl für Lieferanten als auch für Kunden können außerdem dann entstehen, wenn die ununterbrochene Versorgung beeinträchtigt wird, weil eine bestimmte Klasse nicht mehr lieferbar ist oder die Produktionsausbeute sinkt. Um die Angelegenheit für den Entwicklungsingenieur noch weiter zu verkomplizieren, kommen zusätzlich andere Variablen ins Spiel, zum Beispiel die Farbveränderung mit der Temperatur bei Bauteilen aus unterschiedlichen Fertigungslosen.

Wenn ein Kunde vor seinem Einkauf nicht eine oder mehrere bestimmte Klassen spezifizieren kann oder spezifiziert, dann steht es dem LED-Hersteller frei, Produkte aus irgendeinem beliebigen Los zu versenden – einschließlich der Klasse mit der geringsten Lichtstärke. Es ist für Kunden überaus ratsam, noch vor der Fertigstellung ihrer Entwicklung die Ausbeute des Herstellers über das volle Spektrum von verfügbaren Bins zu überprüfen. Dies ist darüber hinaus von entscheidender Bedeutung, um die optimale Streubreite der Bins festzulegen, aus denen Produkte bestellt werden sollten, um die gewünschte Produktleistung, Versorgungssicherheit und Preiskombination zu erzielen.

Das Nettoergebnis dieser Probleme lautet, dass sich sowohl der Einkäufer, der LEDs erwirbt, als auch der Entwickler, der sie in sein Design einbauen will, mit einem einzigartigen Bündel von Herausforderungen konfrontiert sehen. Diese erstrecken sich vom Einkauf bis hin zur Produktentwicklung und müssen mit der Hilfe des HB-LED-Herstellers oder eines technisch kompetenten Distributors für das Produkt sorgfältig angegangen werden.

Auch die LED-Hersteller setzen Binning beim Einkauf von LED-Wafern oder -Chips ein, damit sie ihre eigenen strengen Leistungsstandards hinsichtlich elektrischer und thermischer Kenngrößen sowie Wirkungsgrad und optischer Charakteristika einhalten können. Dadurch engt sich die Verteilung der Kennwerte ein, wenn die Rohmaterialien später in einsatzbereite LEDs umgewandelt werden.

Unterschiede ausgleichen

Manche LED-Hersteller suchen nach neuen Methoden, um die Klasseneinteilung zu bewältigen. Ein gutes Beispiel dafür kommt von Philips Lumileds mit ihrem Ansatz der »luminarischen Phosphortechnologie« zur Farbumwandlung. In diesem Produktionsprozess wird die Phosphorkomponente vor der LED-Montage gemessen und zusammengestellt. Danach wird die Halbleiter-Phosphorkomponente mit charakterisierten LEDs verglichen. Auf diese Weise wird es möglich, spezifische Farbpunkte anzupeilen.

HB-LEDs senden ihr Licht sehr gerichtet aus, denn das gesamte ausgestrahlte Licht fällt in nur eine Hemisphäre. Dagegen ist die Arbeitsweise traditionellerer Leuchtmittel wie Leuchtstoffröhren und Glühlampen diesbezüglich sehr schlecht. Daher muss man bei diesen Filter, Diffusoren und Linsen einsetzen, um bei einer gegebenen Anwendung das verfügbare Licht in die gewünschte Richtung zu projizieren.

Daher können Entwickler theoretisch bei Entwicklung und Produktion beträchtliche Kosten einsparen, weil sie für HB-LED-basierte Designs keine Filter, Diffusoren und Linsen vorsehen müssen. Jedoch können Schwankungen in der Lichtstärke der LEDs, die verschiedenen verwendeten Fertigungslosen entstammen, es erforderlich machen, derartige Komponenten doch wieder einzuführen, um die schwankenden Helligkeitspegel von einzelnen LEDs in einem Modul »auszubalancieren« und zu vermischen.

Einstellung per Software

Einige Hersteller von LEDTreibern haben Produkte eingeführt, die in der Lage sind, die Unterschiede zwischen HB-LEDs, die verschiedenen Fertigungslosen entstammen, zu kompensieren. So lässt sich in bestimmten Anwendungen der Einsatz von Filtern, Diffusoren und Linsen vermeiden, obwohl LEDs aus unterschiedlichen Fertigungslosen verwendet werden. Der »MAX16816« von Maxim beispielsweise ist ein programmierbarer Hochvolt-HB-LED-Treiber (Bild 1).

Er eignet sich für eine breite Palette von Anwendung einschließlich Frontscheinwerfer und RCL (Rear Combination Lamp, der Kombination aus Rücklicht, Blinker und Bremslicht) im Automobil, als Ersatz für Neonröhren sowie für Notbeleuchtungen. Er zeichnet sich durch nichtflüchtige EEPROM- Register auf dem Chip aus, die sich entweder bereits ab Werk oder durch den Anwender im Feld programmieren lassen. Neben anderen Parametern erlaubt das, den LED-Strom zur Kompensation der Helligkeitsunterschiede zwischen LEDs aus verschiedenen Fertigungslosen einzustellen. Einen etwas anderen Lösungsansatz wendet die »EZColor«-Familie von Cypress Semiconductor an und besteht aus der Kombination eines HB-LED-Controllers mit Embedded-Software (Bild 2).

Der Entwickler kann die HB-LED-Bestellnummer und die Bin-Codes unterstützter Anbieter eingeben, und die Embedded-Software wendet dann die Losspezifikationen und die Algorithmen zur Temperaturrückkopplung zur Programmierung des Controllers an. Dadurch kann der Baustein nicht nur die Klasseneinteilungskennwerte, sondern auch das Profil ihres Temperaturverhaltens kompensieren. Controller wie die oben beschriebenen sind normalerweise zur Ansteuerung von einem Kanal, vier, acht oder 16 HB-LED-Kanälen lieferbar.

In dem Maße, in dem LEDs in immer mehr und immer unterschiedlichere Einsatzbereiche vordringen, wird Binning für LED-Hersteller und Produktentwickler zu einem noch drängenderen Problem, mit dem sie sich auseinandersetzen müssen. Daher gibt es für Hersteller wie Anwender nur einen Weg: Die Auswirkungen des Binnings müssen abgeschwächt werden. Dafür eignen sich beispielsweise programmierbare Treiber, die schwankende Lichtpegel ausgleichen können. Um den Einsatz von LEDs in allgemeinen Massenanwendungen noch attraktiver zu machen, wird es jedoch unumgänglich sein, auf effiziente Weise durchgängig gleiche Produkte herzustellen, die in letztlich kein Binning mehr benötigen. Ralf Higgelke, Design&Elektronik

Der Autor Dietmar Veith ist International Senior Product Lead - SEPO bei Farnell, www.farnell.de