Leuchtdioden LEDs für die Beleuchtung

LEDs gewinnen als Leuchtmittel für allgemeine Beleuchtung rasch an Bedeutung. Bis 2012 sollen LED-Beleuchtungen ein Marktvolumen von etwa 1,4 Mrd. Dollar erreichen, das sind 12 Prozent des gesamten LED-Marktvolumens. Entscheidend für ihren Durchbruch ist die erreichbare Lichtausbeute. Die Hersteller wünschen sich hier 100 Lumen pro Watt und mehr.

LEDs bieten gegenüber herkömmlichen Leuchtmitteln wie Glühlampen und Leuchtstofflampen sowie Halogenlampen deutliche Vorteile: lange Lebensdauer, geringe Abmessungen, niedrige Systemkomplexität, guter Wirkungsgrad, keine Schadstoffe und eine große Auswahl an Farbtemperaturen. Durch monochrome Farb- und RGB-Dreichip-LEDs lassen sich zudem gestalterische Lichteffekte erzielen, die mit herkömmlichen Leuchtmitteln so nicht erreichbar sind. LEDs sind derzeit die Leuchtmittel mit dem höchsten Wirkungsgrad. Im Spitzenfeld heutiger LEDs werden je nach Modul Lichtausbeuten bis zu 80 lm/W erreicht. Sie benötigen nur etwa 11 Prozent der Leistung, die bei Glühbirnen für die gleiche Lichtstärke aufgewendet werden muss. Selbst für Energiesparlampen ist die Leistungsaufnahme noch doppelt so hoch wie bei den LEDs.

Zudem sind die Halbleiter- Bauelemente frei von Quecksilber und anderen Schadstoffen, die etwa bei Energiesparlampen auftreten. LEDs sind auch unter extremen Einsatzbedingungen verlässliche und langlebige Leuchtmittel. So erreichen die LED-Module von Sharp bei einer Substrat-Temperatur von 80 °C mindestens 40 000 Betriebsstunden. Diese Langlebigkeit ist ein wichtiger Aspekt bei Anwendungen, die an schwer zugänglichen Stellen angebracht sind. Dazu gehören Außenleuchten, bei denen der Austausch der Leuchtmittel aufwendig und kostenintensiv ist. So rechnen sich trotz vergleichsweise hoher Beschaffungskosten LED-Leuchtmittel über die Gesamtlebensdauer in einigen Fällen bereits heute, vor allem, wenn man die Energieeinsparung mit in Betracht zieht. LED-Leuchten sind gegenüber Glühlampen bereits nach rund 1500 Betriebsstunden kostenmäßig im Vorteil. Selbst im Vergleich zu Leuchtstoffröhren liegt die „Break Even“-Schwelle bei rund 8000 Betriebsstunden, also bei einem Sechstel der Lebensdauer von LED-Leuchten.

Mehr Freiheiten beim Leuchtendesign

LEDs lassen sich als Leuchtmittel in Lampen universell nutzen: in Innenräumen etwa als Arbeitsplatz-, Leseund Schreibtischlampen, als Dekorationsleuchten, für die direkte und indirekte Beleuchtung von Küchenarbeitsplatten, als Scheinwerfer für Bühnen und Baustellen oder als Komponenten für LED-Großdisplays. Die verschiedenen Anwendungen stellen jedoch eigene Anforderungen an Lichtleistung, Farbtemperatur und Formfaktor. Dem breiten Spektrum von Beleuchtungen stellt Sharp ein entsprechend breites Portfolio von LEDs gegenüber. Es umfasst insgesamt 30 unterschiedliche Typen von Weißlicht-LEDs mit einem Lichtstrom von 3,5 lm bis hin zu den „High Brightness“-Modulen mit bis zu 540 lm.

Weißlicht-LEDs sind prinzipiell gleich aufgebaut: Sie bestehen aus einer blauen LED mit einer darüber liegenden Konversionsschicht, etwa einer Fluorophor- Verbindung. Sharp verwendet neben den gelb leuchtenden Fluorophor- Verbindungen auch solche, die rot und grün leuchten. Dadurch erreichen diese LEDs eine größere Abdeckung des Farbraums. Zudem lassen sich so LEDs mit den verschiedensten Farbtemperaturen realisieren. Bei den herkömmlichen Leuchtstoffröhren etwa bestimmen die Gasfüllung und die innere Beschichtung des Glasrohrs das Lichtspektrum. Hier ist nur wenig Spielraum für eine Anpassung der Lichteigenschaften. Bei Weißlicht-LEDs kann die Farbtemperatur durch eine Änderung der Anteile von rot und grün leuchtenden Fluorophor-Verbindungen eingestellt werden. Auf diese Weise lassen sich Weißlicht- LEDs mit individuellen Farbtemperaturen realisieren, die an die jeweilige Anwendung angepasst sind. Sharp bietet praxisgerechte Weißlicht-LEDModule in den Ausführungen „Normal Weißlicht“ und „Warm Weißlicht“ an, die den Farbtemperaturen von Glühlampen entsprechen.

Hinzu kommen Abstufungen im Bereich „High Colour Rendering Weiß“, hier liegen die Farbtemperaturen zwischen 2200 K und 11 500 K. Leuchtmittel mit warmem Weißlicht mit etwa 3000 K eignen sich vor allem zur Wohnraumbeleuchtung, Leuchtmittel im mittleren Temperaturbereich von 3000 bis 5000 K sind für allgemeine kommerzielle Beleuchtungen – Büros, öffentliche Gebäude und Fabriken – geeignet. „Kühlere“ Farbtöne von 5000 K und mehr sind besonders für Anwendungen geeignet, bei denen es auf hohe Kontraste ankommt, etwa im medizinischen Bereich (Bild 1). Mit den unterschiedlichen Fluorophor- Verbindungen erreichen auch die „High Colour Rendering“-LEDs einen CRI-Wert (Color Rendering Index) von 90 und bieten damit hohe Farbechtheit. Dies ist von Bedeutung, wenn Kunstlicht die Darstellung der beleuchteten Objekte nicht verfälschen darf.

„High Colour Rendering“-LEDModule sind daher in der Fotografie, bei der Schaufensterdekoration und Warenpräsentation sowie in der Medizintechnik z.B. für OP-Leuchten gefragt. Die kompakte Bauform der LEDs verschafft Designern neue Freiheiten bei der Gestaltung von Leuchtkörpern. LEDs bestimmen wegen der geringen Baugrößen nicht mehr die Form der Leuchten. Auch eine Integration in Möbel, Raumdecken oder Fahrzeughimmel (als Leselampen) wird wesentlich einfacher. Die LED-Module vom Typ 3228 haben Abmessungen von 3,2 mm x 2,8 mm x 0,9 mm. Als kleinste Bauteile unter den Weißlicht-LEDs gelten die „Ultra Small Package“- LEDs mit 1,6 mm x 0,8 mm x 0,2 mm. Selbst die High-Brightness-Module aus der Zenigata-Serie sind mit 18 mm x18 mm x 2 mm im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln noch kompakt. Hinzu kommt die geringere Systemkomplexität der mit LEDs ausgestatteten Lampen: Starter, wie sie für Leuchtstoff- und Energiespar-Lampennotwendig sind, entfallen. 

Modularer Aufbau für hohe Produktflexibilität Das Portfolio der Sharp-LEDLighting- Module umfasst, wie bereits erwähnt, etwa 30 unterschiedliche Typen (Bild 2). Den höchsten Lichtstrom bietet die 540-Lumen-Serie aus der Zenigata-Reihe mit 540 lm bei einer Stromaufnahme von 6,7 W. Damit erreichen die Module eine Helligkeit, die äquivalent ist den herkömmlichen 60-W-Glühlampen. Die kleineren Module aus der 280-Lumen-Serie sind vom Aufbau ähnlich mit einer Helligkeit von 35-WGlühbirnen bei einer Leistungsaufnahme von 3,6 W.

Wer kompaktere Leuchtmittel mit ebenfalls hohem Lichtstrom benötigt, kann auf die Flash-Brick-Module zurückgreifen, die bei einer Leistungsaufnahme von 1 W einen Lichtstrom von 39 lm liefern. Die kleinsten Komponenten in der Baureihe sind die LED-Chips vom Typ 3228, die durch einen Lichtstrom ab 3,5 lm und einen Abstrahlwinkel von 120°charakterisiert sind. Durch den modularen Aufbau der LED-Komponenten wird eine hohe Flexibilität für das Design der Leuchtmittel erreicht.

Die Grundbausteine sind einzelne blaue, mit Fluorophor beschichtete LED-Dies, die in einer Matrix zusammengeschaltet und auf eine Trägerplatte aufgebracht werden (Bild 3). Neben dem umfassenden Portfolio an Weißlicht-LEDs für allgemeine Beleuchtungszwecke bietet Sharp ein Sortiment an RGB-LEDs und monochromen LEDs für Dekorationsbeleuchtung und Lichtdesign: Bei den monochromen LEDs die Baureihe 3228 in den Standardfarben Gelb, Rot, Grün und Blau sowie in Sonderfarben, etwa Pastelltönen. Damit lassen sich Design-Akzente in Architektur undRaumgestaltung setzen.

Für ein Lichtdesign über das gesamte Farbspektrum sind RGB-Dreichip- LEDs verfügbar, bei denen die drei Farben separat angesteuert werden können. Dadurch lässt sich ein fließender Farbverlauf über das gesamte Farbspektrum erzeugen. Mit speziellen RGB-Dreichip-LEDs in sehr kompakter Bauform mit Kantenlängen von 1,6 mm × 1,6 mm × 0,55 mm lassen sich solche Farbeffekte auch in sehr kleinen Gehäusen unterbringen.