Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 1
Moderne LED-Technologie für die Beleuchtungstechnik
Thomas Jüstel
Münster, 02. November 2006
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Agenda
1. Entwicklung künstlicher Lichtquellen
2. Prinzipien der Lichterzeugung
3. Klassifizierung von Lichtquellen
4. Aufbau von LED Lichtquellen
5. Anwendung von LEDs in der Beleuchtung
6. Zusammenfassung und Ausblick
Edison-Glühlampe1879
LEDs bei der FH-G1999
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1. Entwicklung künstlicher LichtquellenWechselwirkung
Kulturgeschichte ↔ Entwicklung künstlicher Lichtquellen
Künstliches Licht
• spendet Wärme (Gesundheit) und Sicherheit
• ermöglicht Aktivität unabhängig vom natürlichen Tageslicht
• ist ein Designelement
• hat Signalwirkung und Kommunikationsfunktion
• ermöglicht neuartige technische Prozesse, wie z.B. Photochemie, Materialbearbeitung und Trennung komplexer Biomoleküle
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1. Entwicklung künstlicher Lichtquellen
Ur- und Frühgeschichte 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt.
Zeit bzw. Grad der Kontrolle
Chemische LichtquellenElektrische Lichtquellen
Anorganische + organische LEDs
offenesFeuer
KerzenÖllampen
Glüh- undHalogenlampen
Gasentladungs-lampen
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500 1000 1500 20000
0.5
1
1.2
I λ( )
V z( )
2000.200 λ z,380 780 Wellenlänge [nm] 2000
← Augenempfindlichkeitskurve
Thermische Strahler+ Sehr gute Lichtqualität+ Einfache Handhabung- geringe Lebensdauer- hoher Energieverbrauch- Farbvariationen benötigen Filter
Wendel- Licht- Energie-temp. ausbeute ausbeuteT [K] η [lm/W] η [%]2700 13 62800 16 93000 22 113200 29 153400 36 18
2. Prinzipien der Lichterzeugung
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2. Prinzipien der Lichterzeugung
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Inte
nsitä
t [W
/nm
]
Wellenlänge [nm]
e-
Kathode
Leuchtstoffschicht Gasentladungen+ Geringer Energieverbrauch+ Hohe Lebensdauer- Vorschaltgerät notwendig- Mäßige Lichtqualität- Enthalten Hg und Ba
Hg*
Lampen Licht- Energie-typ ausbeute ausbeute
η [lm/W] η [%]Energie- 40 – 70 15 - 20SparlampeLeuchtstoffröhre 70 – 80 20 - 25„Standard“Leuchtstoffröhre 90 – 100 27 - 30„Dreibanden“
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+ - Metallkathode
Lichtemittierende Schicht (Polymere, Metallorganische Verbindungen)
Indium-Zinn-Oxid-Anode
Glassubstrat
2. Prinzipien der LichterzeugungOrganische Festkörper(-LED)+ Geringer Energieverbrauch+ Hohe Flexibilität- Mäßige Lebensdauer- Geringe Leuchtdichte
Lebens- Licht- Maximaledauer ausbeute Leuchtdichtet [h] η [lm/W] L [cd/m2]___< 5000 10 - 25 1000
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+ -
2. Prinzipien der LichterzeugungAnorganische Festkörper(-LED)+ Geringer Energieverbrauch+ Sehr hohe Lebensdauer+ Einfache Ansteuerung- Mäßige bis gute Lichtqualität
Lebens- Licht- Maximaledauer ausbeute Leuchtdichtet [h] η [lm/W] L [cd/m2]___> 30000 30 - 50 10000000
Ni/Au p-Kathode
p-leitendes GaN
Lichtemittierende Schicht (Rekombinationszone)
n-leitendes GaN
Transparentes Substrat (Al2O3)
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3. Klassifizierung von Lichtquellen
Glüh- undHalogenglüh-
lampen
Nieder – und Hoch-druckgasent-
ladungslampen
Anorganische und organische Leuchtdioden
Chemolumineszenz
Biolumineszenz
ChemischeLichtquellen
nach der Art der Lichterzeugung
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3. Klassifizierung von Lichtquellen
Typische Ra Werte
Glühlampe 100Halogenlampe 100Energiesparlampe 80Hg-Hochdruck 50Na-Hochdruck 20Na-Niederdruck < 0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
WarmweißLED 1W
KaltweißLED 1W Fluoreszenzlampe Standard 36W
Fluoreszenzlampe Dreibanden 36W
Keramische Metallhalogenid 150WLEDs >2020?
Hg-Hochdruck 125W
Na-Hochdruck150W
Na-Niederdruck131W
Halogenlampe 150W
Farb
wie
derg
abei
ndex
Ra
Lichtausbeute (lm/W)
Glühlampe 150W
LEDs >2010?
nach Farbwiedergabe und Lichtausbeute
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4. Aufbau von LED Lichtquellen
Level 0 Level 1 Level 2 Level 3 Level 4
Halbleiter + Primäroptik + Leiterplatte + Sekundäroptik + Rahmen+ Kontakte + Netzteil + Halterung+ Kühlkörper + „Design“
LED-Chip LED-Lampe LED-Modul LED-System LED-Leuchte
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4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 0Halbleitermaterialien Typische LED-Spektren
(Al,In,Ga)P580 nm – 630 nmGelb → Orange → Rot
(Al,In,Ga)N370 – 530 nmUV-A → Blau → Grün
Fast alle Farben direkt mit LEDs zugänglich!
Aber wie macht man weißes Licht mit LEDs?
400 450 500 550 600 650 700 7500,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
Emis
sion
sint
ensi
tät
Wellenlänge [nm]
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4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 1
(Al,In,Ga)N Halbleiter + Leuchtstoff (Konverter) LichtfarbeBlau 420 – 480 nm Gelb Kaltweiß
Gelb + rot WarmweißGrün + rot Kalt- und warmweiß
Plastik-linse
< 1.0 lm 10 – 150 lm< 0.1 W 0.6 – 5 W< 120°C 120 – 200°C< 100 W/cm2 100 – 200 W/cm2
> 120 K/W 2 – 12 K/W
Kontakt
Golddraht
Kühlkörper (Cu)
InGaN-Halbleiter
Leucht-stoff
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Kaltweiße „Standard“ LEDs • 1 – 5 W LEDs • 30 - 50 lm/W• bläulich-weißes Licht • schlechte Wiedergabe roter Farbtöne
0
10
20
30
40
50
60
70
400 500 600 700 800
Emis
sion
sint
ensi
tät Tc = 5270 K: CRI = 82
Tc = 4490 K: CRI = 79Tc = 4110 K: CRI = 76Tc = 3860 K: CRI = 73Tc = 3540 K: CRI = 70
Wellenlänge [nm]
4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 1(Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce LeuchtstoffTypische LED Leuchtstoffe
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Warm weiße LEDs für die Innenbeleuchtung• 1 – 5 W LEDs • 20 - 30 lm/W• gelblich-weißes “warmes“ Licht • gute Wiedergabe von allen Farbtönen
vergleichbar mit Halogenlampen
4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 1LUXEON - Warmweiß - Die Komponenten
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
400 450 500 550 600 650 700 750 800nm
(Al,In,Ga)N Chip YAG:Ce CaS:Eu
400 450 500 550 600 650 700 750 800nm
black body 3600 K
fluorescent, CCT=3600 K
0
5
4
4
4
4
4
4
4
4
400 450 500 550 600 650 700 750nm
JAZZ 3300K
BB 3300K
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4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 2LED Module Montage
Die einzelnen LED Lampen werdenz.B. auf einer Leiterplatte aufgelötet
Durch die Steigerung der Effizienzgeht die Zahl der LED-Lampen proModul kontinuierlich zurück
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4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 2PrimäreffektDer Lichtstrom fällt mit der Umgebungstemperatur⇒ (Al,In,Ga)P ~ 0.7% pro °C⇒ (Al,In,Ga)N ~ 0.1% pro °C
Sekundäreffekt• Farbverschiebung• Die Lebensdauer der LED-Lampen
bzw. des LED-Moduls verkürzt sich⇒ Gute thermische Leitfähigkeit
(direkte Kühlung des p/n-Übergangs)⇒ Effektive äußere Kühlung
(Kühlrippen, Luftkonvektion)
Temperaturproblematik
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4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 3LED-Ansteuerung – Grundregeln
1. LED nie umpolen, d.h. die maximale Sperrspannung von ca. 5 V darf nicht überschritten werden.
2. Der Stromfluss durch die LED muss konstant gehalten werden, da die Hellig-keit proportional zum Stromfluss I ist.Problem: Der Stromfluss steigt ober-halb der minimalen Flussspannung exponentiell mit der Spannung an.
LED-Kennlinie
Regulierung des Stromflusses durch einea) Konstantstromquelle mit strombegrenzendem Vorwiderstand
und Umpolungs-/Transientenschutz (⇒ Hochvoltdiode)b) sehr gut spannungsstabilisierte Stromquelle
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4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 3Netzteil
• Liefert meist einen konstanten Strom • Eignet sich zum Betrieb einer oder
mehrerer LED-Module
Sekundäroptik
• Garantiert eine homogene Lichtab-strahlung
• Besteht meistens aus strukturierten PMMA(Plexiglas)-Elementen
Aufbau eines betriebs-bereiten LED-Systems
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4. Aufbau von LED Lichtquellen – Level 3Kommerzielle LED-Systeme
Chip-Streifen hohe Flexibilität
leichte Dimmbarkeit
LED-Strings viele Lichtfarbenkalt- und warmweiß
1 - 5 W pro LED-LampeLED-Module mit Sekundäroptik ausreichender Feuchtig-
keitsschutz erforderlich
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Innenraumbeleuchtung
Standard weiß farbdynamisch
Home
5. Anwendung von LEDs in der Beleuchtung
LED Array zur dynamischenfarbigen Beleuchtung
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Hotel Anna, MünchenLuxeon Rot, Grün und Blau
“Ambience Creation” in der Innenraumbeleuchtung
5. Anwendung von LEDs in der Beleuchtung
Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 23Home
5. Anwendung von LEDs in der BeleuchtungDekorative Beleuchtung
mit farbigen LEDs dynamische Farbgebung mit RGB-LED-Modulen
Lichtwand, Light & Building, Frankfurt 2004
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Lighting Systems by Color Kinetics Inc.,Takarazuka University of Art and Design, Satellite Building
Architektonische Beleuchtung Außenbeleuchtung
5. Anwendung von LEDs in der Beleuchtung
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6. Zusammenfassung und AusblickAnorganische LED - Status Quo 2006
Vorteile anorganischer LEDs gegenüberGlüh- und Halogenlampen FluoreszenzlampenHöhere Lebensdauer Einfachere Ansteuerung/DimmbarkeitHöhere Effizienz Bessere FarbwiedergabeGrößere Robustheit Größere Robustheit
1832500Warmweiß2141500Kaltweiß Golden DragonOsram2432350Warmweiß3242350Kaltweiß JupiterNichia1720350Warmweiß5060350Kaltweiß Luxeon K2Lumileds
Lichtausbeute[lm/W]
Lichtstrom[lm]
Teststrom[mA]
LichtfarbeProduktHersteller
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Kosten [€/1000 lm]
1995 2010 2015
Effizienz [lm/W]
120
100
50
30
2010
2000 2005 2020
150
10
2
5
100
7 W LED~1000 lmfür ~ 2 €”
6. Zusammenfassung und Ausblick
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Anw
ende
rnut
zen
Licht
Ambiente
6. Zusammenfassung und AusblickTrends im Lichtquellenmarkt
Nick Holonyak, jr. (2000)Es ist überlebenswichtig zu realisieren, dass die anorganische LED die ultimative Lichtquelle im Hinblick auf das Prinzip der Lichterzeugung und den Möglichkeiten der Anwendung ist und ihre Entwicklung solange fortschreiten wird bis ihre Effizienz und Lichtausbeute die aller anderen Lichtquellen übertreffen wird.
Umweltverträglichkeit
Gesundheit
Zeit
Lifestyle
EnergieeffizienzLebensdauer
Recycling
Geometrische und spektrale
Flexibilität
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Lieferanten und LiteraturhinweiseGELcore http://www.gelcore.com/Global Light Industries http://www.globallight.de/index.htmlLumileds/Philips http://www.luxeon.com/Nichia http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.htmlOsram http://www.osram.de/Sylvania http://www.sli-sylvania.com/content/view/65/77/
Insta http://www.insta.de/newsite/index.php?page=695LEDtronics http://www.ledtronics.com/Leuchtmittel online http://www.leuchtmittel-online.com/Lumitronix http://www.leds.de/index.phpTridonicAtco http://www.tridonicatco.com/kms/static_nav/index.phpVossloh-Schwabe Opto. http://www.vs-optoelectronic.com/ger/Taunuslicht http://www.taunuslicht.de/index.php
• R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung – von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight-Verlag, 2004
• M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294• Homepage T. Jüstel: www.fh-muenster.de/fb1/personal/Juestel. php
LED-Lampen
LED-Moduleund -Systeme