Optoelektronik, Displays & HMI High Power bringt die Erleuchtung

Gerade bei den technisch weniger anspruchsvollen Anwendungen, wie zum Beispiel einer simplen linearen Midpower-LED-Lichtleiste, sprechen wir immer mehr über einen Commodity-Markt, der sich maßgeblich über die Verkaufspreise definiert. Um dem weiteren Marktdruck Rechenschaft abzulegen, müssen die Kosten stetig sinken, damit die Adaption der LEDs noch weiter fortschreiten kann. Natürlich hilft es, die Produktionsmengen zu steigern, um weitere Einsparpotentiale auszuschöpfen – aber auch nur begrenzt. Zumeist werden solche Anwendungen auch immer vergleichbarer, sodass hier der Wettbewerb noch härter wird.

Weniger Material, mehr Licht

Folglich liegt der Wunsch nahe, sich wieder mehr über Innovation zu definieren und Plattformen zu schaffen, die noch weitere Optimierungen in der Zukunft eröffnen. Das wird umso wichtiger und interessanter, je höher der Lichtstrombedarf und die damit verbundene Anzahl an benötigten LEDs wird.

Die neuen Extreme-High-Power-LEDs sind eine sehr interessante Plattform, die es ermöglicht, mit deutlich weniger Materialeinsatz mehr Licht zu schaffen. Aufgrund der wesentlich höheren Leistungsbreite kann hier die Anzahl an benötigten LEDs und Komplementärprodukten die Kostenschraube positiv beeinflussen. Zudem werden neue Formfaktoren ermöglicht.

Betrachten wir als Beispiel eine typische LED-Straßenleuchte. Bei einem Einsatz der LED XP-G2 von Cree sind hier für 26.000 Lumen 144 LEDs nötig. Mit der auf dem gleichen Footprint basierten LED XP-L ergibt sich die Möglichkeit, mit der halben Anzahl an LEDs sogar 28.000 Lumen zu erzielen. Die 72 LEDs laufen zwar bei circa 30 °C höherer Temperatur, was unkritisch ist, da die neusten LED-Generationen hierauf optimiert sind. Mit 112 lm/W (statt vorher 111 lm/W) ergibt sich die gleiche Systemeffizienz.

Durch die halbe Anzahl an LEDs sind auch nur 50 Prozent der Sekundäroptiken und Platinenfläche nötig, die Kühlfläche und der Fertigungsaufwand reduzieren sich ebenfalls um circa 30 Prozent. Bei einer Außenleuchte bewirkt eine entsprechend geringere Bauform zudem weitere positive Nebeneffekte: Durch die geringere Windlast lässt sich die mechanische Befestigung vereinfachen, und die Monteure freuen sich über das geringe Gewicht.

Weitere mögliche Szenarien: Die im vorherigen Beispiel verwendete LED XP-L ist ein Brückenprodukt zu den aktuellen Extreme-High-Power-LEDs. Hier gibt es die 20-W-Variante XHP50 (5 mm x 5 mm Footprint) und die 30-W-Variante XHP70 (7 mm x 7 mm Footprint). Sie ermöglichen eine noch größere Reduzierbarkeit von Lichtpunkten, da hier bis zu 2.500 beziehungsweise 4.000 lm je LED erreicht werden können. Nimmt man eine Strahler-Anwendung mit circa 25.000 lm, so können hier 72 XP-G2-LEDs oder auch nur 16 XHP50-LEDs die Aufgabe mit vergleichbarer Effizienz erfüllen.

Die Leuchte lässt sich ganz unterschiedlich gestalten, wenn die geringere Lichtpunktanzahl kompaktere Masse erlaubt.Schraubt man also die LED-Anzahl herunter, wird der mechanische Aufbau kleiner, da auch diese neueren LEDs darauf optimiert sind, höhere Temperaturniveaus dauerhaft zu bestehen. Zudem kann man die Anzahl von zum Beispiel Sekundäroptiken deutlich reduzieren – beispielsweise von 72 auf
16 Stück.

Ein anderes Szenario kann sein, dass ein Leuchtenhersteller das Gehäuse einer etablierten Leuchte nutzt und durch den Tausch der LEDs und den Einsatz eines leistungsstärkeren Vorschaltgeräts bei gleicher Effizienz den Lichtstrom verdreifacht. Damit lässt sich eine Leuchten-Produktfamilie ohne große Änderungen und Investitionen in neue Werkzeuge oder Gehäuse weiter ergänzen. Ebenso mag es in manchen Anwendungen interessant sein, einen 1:1-Austausch bei gleichen Betriebsparametern vorzunehmen und hierbei mit den XHP-LEDs höhere Effizienz, niedrigere Temperaturen und dadurch höhere Lebensdauerwerte zu erzielen.

Vorteile für Leuchtenhersteller

In der Praxis wird es zumeist so aussehen, dass man sich der verschiedenen Szenarien bedient und damit für die jeweilige Anwendung die optimale Aufstellung erzielt. Mittels Simulationstools lassen sich hier schnell und präzise die möglichen Konfigurationen betrachten und vergleichen. Der Hersteller Cree bietet hier zum Beispiel online das Product Characterization Tool (PCT) kostenfrei an, das stets die neusten Derivate beinhaltet. Auch die Optik- und Treiberhersteller stellen mittlerweile mehr und mehr Lösungen für die Extreme-High-Power-Sparte zur Verfügung. Ein weiterer Innovationslieferant sind die High-Intensity-LEDs. Hier fehlt der klassische LED Dome – das LED-Gehäuse wird somit flach.

Der Dome, der neben seiner Schutzfunktion die Lichtauskopplung aus dem LED-Gehäuse optimiert, fungiert auch als eine Art Vergrößerungslinse. Dadurch wird die Licht emittierende Fläche des LED-Chips vergrößert dargestellt. Je enger das LED-Licht nun mittels Sekundäroptiken gebündelt werden soll, desto kleiner wünscht man sich diese Fläche. Folglich ergeben sich hier nun auch große Steigerungspotentiale bei Anwendungen, bei denen das Lichts besonders auf der Mittelachse konzentriert werden soll. Hierzu lassen sich in der Innenbeleuchtung Spots oder Track-Lights zählen.

Im Außenbereich lässt sich der Vorteil sehr gut für Taschenlampen und Fahrradleuchten oder Hindernisfeuern auf Windkraftanlagen nutzen. Auch die Anwender möglicher Lichtleiteranwendungen profitieren, da sie mit diesen LED-Varianten noch effizienter in die Fasern einkoppeln können und damit höhere Leistungsklassen realisieren können.

Breitere Abstrahlung

Neben den HI-Varianten war es ein innovativer Schritt, größere LED-Chips in etablierte LED-Gehäuse zu integrieren. Nimmt man eine vorhandene Optik, dann wird durch den Vergrößerungseffekt der Dome-Linse, auch Primäroptik genannt, die Abstrahlung breiter. Am praktischen Beispiel mit verschiedenen XP-LEDs und einer Medium-Collimator-Optik mit
20 mm Standard-Durchmesser (zum Beispiel Carclo 10003) ergibt sich bei der LED XP-E2 ein Abstrahlwinkel von 8°, bei der LED XP-G2 von 11° und bei der LED XP-L von 17°. Je nach Anwendung mögen die Unterschiede akzeptabel sein, aber gerade für einen Spot eher nicht. Setzt man auf die HI-Option der LED XP-L, so ergibt sich eine vergleichbare Lichtaustrittsfläche wie bei der LED XP-G2 – die den kleineren Chip hat, aber den Unterschied durch die Vergrößerung mittels der Dome-Linse ausgleicht – und folglich auch ein ebenso kleinerer Abstrahlwinkel. Der maßgebliche Unterschied liegt in der gesteigerten Leistungsbandbreite.

Positiver Nebeneffekt der HI-Optionen im Vergleich zu den Varianten mit Dome: Das so genannte Delta CCT ist noch weiter optimiert. Hinter diesem Wert verbirgt sich die Toleranz der resultierenden Farbtemperatur des weißen LED-Lichts über den Öffnungswinkel. Da das weiße Licht mittels eines blauen Chips und eines gelben Konverters gemischt wird, sind die Übergänge zum Beispiel im Randbereich leicht unterschiedlich, und bei schlechten Derivaten kann es zu bunten Lichtkreisen kommen, wenn das Licht enggebündelt abgebildet wird. Bei den modernen Qualitäts-LEDs sind die Qualitäten aber schon sehr weit optimiert.