Displays & HMI-Komponenten Für jeden das passende Licht

Tomaten, Gurken und Co. gedeihen am besten, wenn sie mit natürlichem Sonnenlicht versorgt werden. Das lässt sich aber nicht immer und überall realisieren; zum Beispiel nicht in Ballungsräumen, wo der Platz begrenzt ist. Um dem zu begegnen, hat man hier sogenannte „vertikale Gärten“ geschaffen, in denen mehrere Lagen Pflanzen übereinander angelegt sind. Diese Anordnung sowie der Wunsch nach einer besseren Kontrolle der Wachstumsbedingungen haben das Interesse an der Zucht von Pflanzen unter Kunstlicht geweckt. Seit sich herausgestellt hat, dass Pflanzen aufgrund des ihnen angebotenen Lichtspektrums zum Beispiel ihr Blüten- oder Fruchtwachstum verändern können, ist das Interesse aus der Agrarindustrie noch um ein Vielfaches gestiegen. Man stelle sich nur vor, wie viele Blumen beispielsweise am Valentinstag gezielt zum Blühen gebracht werden müssen. Oder unter welchem Druck Lieferanten stehen, die zu fest vereinbarten Zeitpunkten ihr frisches Gemüse an Supermärkte liefern müssen. Gemeinsam mit der Agrarindustrie und Universitäten untersuchen Osram Opto Semiconductors und andere große Beleuchtungshersteller deshalb, wie Licht auf Pflanzen einwirkt.

Inzwischen weiß man, dass Grünpflanzen im Wesentlichen blaues (etwa 430 bis 490 nm) und rotes Licht (etwa 640 bis 780 nm) für die Photosynthese und damit zur Energieerzeugung nutzen, jedoch weitere Absorptionsbanden zum Beispiel bei 730 nm im Infrarotbereich aufweisen. Dieser Bereich steuert unter anderem das Wachstum der Pflanzen. Die richtige Mischung daraus oder auch das kurzzeitige Dazuschalten bestimmter Wellenlängen – speziell an die individuellen Bedürfnisse der Pflanze angepasst – kann dann den gewünschten
Effekt anstoßen. Aufgrund ihres definierten Farbspektrums und der flexiblen Ansteuerbarkeit sind LED für diese Anwendung besonders gut geeignet. Für optimales Pflanzenwachstum muss das Licht die erwähnten Wellenlängenbereiche aufweisen und nicht wie für Allgemeinbeleuchtungszwecke in Summe weiß erscheinen. Werden diese Parameter richtig umgesetzt, kann man Pflanzen unabhängig von Wind und Wetter in geschlossenen Räumen unter Kunstlicht anbauen. Gleichzeitig wenden sie aufgrund der optimalen Rundum-Beleuchtung weniger Energie für das Längenwachstum auf, welche sie eigentlich benötigen, um der Sonne entgegen zu wachsen. Stattdessen wachsen die Pflanzen in die Breite und erzielen mehr Ertrag.

Ein gutes Klima für die Pflanzen kann dabei eine Herausforderung für die Leuchten und die Leuchtdioden darstellen. Die LED sollte daher sehr robust gegenüber Umwelteinflüssen sein oder davor geschützt werden, da die Beregnungsanlagen in den Gewächshäusern Feuchtigkeit erzeugen. Zudem können gegebenenfalls auch Schmutz und Chemikalien aus eingesetztem Dünger oder Pflanzenschutzmitteln in die LED-Leuchten gelangen.

Von weit oben: Beleuchtung für Industriehallen

Vollkommen andere Eigenschaften verlangen sogenannte High-Bay-Leuchten von ihren Lichtquellen. So werden Leuchten genannt, die man in Höhen von fünf bis 15 Metern, beispielsweise zur Beleuchtung von Industriehallen, aufhängt. Aufgrund des großen Abstands zwischen Leuchte und Boden sind Lichtströme von 10.000 bis 20.000 Lumen (lm) üblich, um entsprechend große Bereiche am Boden auszuleuchten. Diesen Leistungsbereich können LED erst seit Kurzem erreichen. Je nach Hersteller gibt es verschiedene Lösungen: Man kann hierfür Leuchten mit Chip-on-Board-LEDs (CoBs) einsetzen, die aber aufgrund der hohen Leistungsdichten aufwändige Kühlsysteme benötigen. Oder man greift auf Designs mit vielen einzelnen oberflächenmontierbaren Komponenten zurück. Je nach der für die Anwendung benötigten Lebensdauer werden High- und Mid-Power-LEDs oder sogenannte CAS (Chip Arrays in SMD Package) eingesetzt. Die CAS-Cluster sind Module, bei denen kostengünstige Multichip-LEDs der Duris-S-Familie auf Metallkernplatinen gelötet werden. Die Außenmaße der Platinen sowie die elektrischen Kontaktflächen lassen sich dabei derart gestalten, dass das fertige Modul wie eine herkömmliche CoB-LED mit den im Markt verfügbaren passenden Haltern und dem CoB-typischen Zubehör wie Linsen und Reflektoren kompatibel und verwendbar ist. In den meisten Anwendungen ist die Struktur des Clusters dabei keineswegs sichtbar. Denn die Beleuchtung wirkt in der Entfernung äußerst gleichmäßig und nicht etwa punktförmig wie die Anordnung der einzelnen LED im Cluster vermuten ließe.

Stabilität und Leistung sind wichtige Parameter

Ausgehend von diesen Anwendungsbereichen lassen sich bereits viele Details zur zielgerichteten Produktentwicklung im Hinblick auf Lichtpakete, -qualität oder Packagegrößen ableiten. LED-Packages unterscheiden sich im Wesentlichen in zwei Parametern: der Leistungsklasse und der Stabilität. Die Stabilität einer LED-Komponente bezeichnet nicht nur eine erhöhte Zuverlässigkeit, sondern auch die in der jeweiligen Anwendung geforderten Betriebstemperaturen und Umgebungsparameter. Die Wahl einer LED-Komponente wird daher meist zugunsten einer für die Anwendung ausreichenden Stabilität getroffen.

Die Leistungsklasse beziehungsweise die pro Package abgegebene Lichtmenge ist ein weiteres Unterscheidungsmerkmal. Low-Power-Produkte von maximal 0,45 W wie die LEDs der Duris-E-Reihe bestehen aus kostengünstigen PCT-Materialien und erfüllen mit unterschiedlich großen Chips jeweils anwendungsspezifische Anforderungen bei Effizienz und Kosten. Im Mid-Power-Bereich (oberhalb von 0,5 W) sorgen Produkte mit hoher Stabilität dafür, dass die Anforderungen, beispielsweise in puncto Lebensdauer, für die meisten Anwendungen erfüllt werden können. Nutzt man hier LEDs in der Standardgröße, lässt sich durch hohe Stückzahlen eine günstige Kostenposition erreichen. Klassische High-Power-LEDs bestehen aus einem oberflächenemittierenden Chip auf Keramiksubstrat. Osram Opto Semiconductors veränderte diese etablierte Technologie und konnte damit die Kosten für Material und Herstellungsprozess signifikant senken sowie die Effizienz steigern. Dazu nutzte das Unternehmen sein Know-how aus dem Automobilbereich und setzte statt der Keramiken spezielle Kunststoffmaterialien ein. Im Bereich oberhalb von 4 W dominieren CoB-LEDs sowie die neue Klasse der CAS. Diese vereinen die Vorteile von CoB-LEDs wie große Lichtpakete aus einer kompakten Quelle mit der automatischen Montage von SMD-LEDs. Da man weitgehend gleiche Herstellungsprozesse nutzen kann, erreichen sie ähnlich niedrige Kosten wie Mid-Power-LEDs.

Für jede Anwendung die passende LED

Es hat sich gezeigt, dass viele LED, die für eine Anwendung optimiert sind, ohne oder mit nur geringfügigen Modifikationen auch in anderen Bereichen sehr erfolgreich eingesetzt werden können. Um in allen Bereichen der Allgemeinbeleuchtung das geeignete LED-Package zu definieren, bietet sich eine Segmentierung im Hinblick auf Leistungsklasse und Package-Stabilität an. Doch bei allen bereits etablierten Technologien kommen Innovationen und Verbesserungen im LED-Markt nicht zu kurz. Gerade neue Anwendungsbereiche wie Horticulture Lighting stellen die Produktentwickler vor neue Herausforderungen, denen sie begegnen müssen.