Gerichtetes Licht Optik für Leuchtdioden

Eine noch bessere Wärmeabfuhr bietet die Chip-on-Board-Technik (COB), die sich deshalb besonders für Hochleistungs-LEDs und LED-Displays, etwa für Public-Viewing, eignet. Dabei lässt sich ein Teil der Optik sogar in den Chip integrieren. Das Beispiel zeigt das LED-Chip-Array » White Hi-CRI Vari-CCT« von Enfis (Vertrieb: AMS Technologies).

Leuchtdioden sind in, das ist nicht zu leugnen. Als Signalisierungslämpchen sind sie bereits seit mehreren Jahrzehnten im Einsatz, heute trägt eine allgemeine Unzufriedenheit mit den »Energiesparlampen« dazu bei, dass LEDs schneller als gedacht die Allgemeinbeleuchtung durchdringen. Bei Display-Hinterleuchtungen hat die Kaltkathodenröhre ausgedient – zu überzeugend ist die Bildqualität moderner LCD-Bildschirme mit LED-Backlight. All diese Anwendungen erfordern jedoch eine ausgefeilte Optik mit Linsen, Reflektoren und Blenden.

Von ihrem Aufbau her ist eine Leuchtdiode zunächst einmal ein Flächenstrahler (Bild 1). Der (planare) Halbleiterchip emittiert das Licht flächig, aufgrund seiner Abmessungen im μm- oder mm-Bereich wirkt er schon in relativ geringem Abstand wie ein Punktstrahler. Das ist selbstverständlich eine komplett andere Abstrahlcharakteristik, als sie etwa die Glühlampe aufweist, die je nach Form der Glühwendel sogar annähernd kugelförmig Licht emittiert, also praktisch den kompletten Raumwinkel überdeckt. Die so genannte »Energiesparlampe« hingegen erzeugt Licht mittels einer Leuchtstoffröhre, die zumeist gebogen ist, um sich der Abstrahlcharakteristik einer Glühlampe anzunähern.

Bei Leuchtdioden ist die Form und Ausführung der Optik auch von der Bauform abhängig. Am einfachsten sind die altbekannten Zweidraht-Bauelemente, bei denen der Hersteller große Freiheit bei der Optik hat. Allerdings ist hier die Wärmeabfuhr ein stetes Problem. Oberflächenmontierbare LEDs bringen Hitze leichter auf die Leiterplatte, auch ist die automatische Bestückung deutlich einfacher. Noch bessere Wärmeabfuhr bietet die Chip-on-Board-Technik (COB), die sich deshalb besonders für Hochleistungs-LEDs und LED-Displays, etwa für Public-Viewing, eignet. Tatsächlich lässt sich ein Teil der Optik sogar in den Chip integrieren. Mit Dünnfilm-Chips ist es möglich, Metallreflektoren oder Mikroprismen direkt an der Diodenstruktur unterzubringen.

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Die Eigenschaften der verschiedenen Leuchtmittel im Überblick

Glühlampe, Energeisparlampe und LED.

Reflexion und Wirkungsgrad

In den primär zu Signalisierungszwecken eingesetzten bedrahteten Leuchtdioden befindet sich der Diodenchip zumeist in einem reflektierenden »Napf«, der im Allgemeinen mit der Kathode verbunden ist und auch der Wärmeableitung dient. Als Gehäuse dienen meist Kappen aus Plastik beziehungsweise Kunstharz. Bei lichtstarken LEDs kommen auch Glas- oder Metallgehäuse zum Einsatz. Aluminiumgehäuse dienen hauptsächlich der Wärmeableitung. Naheliegenderweise ist der Kunststoffkörper oft wie eine Linse geformt und liegt über dem Chip. Diese Linse bündelt die austretende Strahlung auf einen kleineren Raumwinkel. Verwendet man Materialien höherer Brechzahl, etwa Glas, so lässt sich die Abstrahlung noch stärker bündeln. Nicht entspiegeltes Glas besitzt jedoch höhere Reflexionsverluste von etwa 10% – der Abstand zwischen Chip und Glas tut sein übriges dazu.

Tatsächlich hat die Art der Ankopplung große Auswirkungen auf den Wirkungsgrad. Zunächst spielt der Übergang des Lichtes vom Chip, häufig mit dem Brechungsindex n = 3,5, zum Medium Luft (n = 1,5) eine Rolle. Der Einsatz von Kunststoffen wie Epoxydharz mit dem Brechungsindex von n=1,5 setzt den Grenzwinkel der Totalreflexion an der Chipoberfläche herab. Der Kunststoffkörper einer COB-LED wird beispielsweise auch für einen Abstrahlwinkel von etwa 110° ausgelegt. Um einen engen Abstrahlwinkel zu erreichen, kommen optische Lichtführungsplastiken (Kollimator) aus Acryl vor dem Leuchtkörper zum Einsatz. Wie bei einem Spiegel werden schräg auftreffende Lichtstrahlen mit einer Totalreflexion an der Grenzfläche des Acrylkörpers in diegewünschte Lichtaustrittsrichtung geführt. So lassen sich Austrittswinkel von bis zu 10° erreichen.

Wie oben bereits angedeutet, bestrahlt eine LED durch den begrenzten Öffnungswinkel nur einen Teilraum (bezogen auf die Oberfläche einer Kugel mit der Strahlungsquelle im Zentrum). Für 360°-Beleuchtungen sind daher mehrere Leuchtdioden notwendig.