Hochleistungs-LEDs in der Praxis
Werbung
24.08.2007 12:30 Uhr Seite 1 FRANZIS FRANZIS FRANZIS ELEKTRONIK ELEKTRONIK ELEKTRONIK Johannes Krückeberg Johannes Krückeberg LEDs in der Praxis Hochleistungs in der Praxis LEDs Immer leistungsfähigere LEDs dringen in neue Anwendungsbereiche vor und revolutionieren in vielen Einsatzbereichen die Beleuchtungstechnik. Dies geschieht ähnlich wie vor gut 100 Jahren, als das damals neuartige elektrische Glühlampenlicht die Beleuchtung mit Gas oder Petroleum ablöste und gänzlich neue Anwendungen erschlossen wurden. Der Einsatz von Leistungs-LEDs ist nicht so trivial wie es auf den ersten Blick scheint. Es bedeutet technologisch einen gewaltigen Schritt von der Elektrik zur Elektronik. Diese Entwicklung bringt viele Fragen mit sich, welche dieses Buch beantworten soll. Im Besonderen wird auf die Betriebsanforderungen und das Thermomanagement von LED–Beleuchtungen eingegangen. Hochleistungs Hochleistungs LEDs in der Praxis Aus dem Inhalt: 씰 씰 씰 씰 씰 LED-Grundlagen Ansteuerschaltungen LEDs in der allgemeinen Beleuchtungstechnik Grundlagen • Ansteuerung • Allgemeine Beleuchtung mit LEDs • LEDs im Automobil • Besuchen Sie uns im Internet: www.franzis.de ISBN 978-3-7723-5498-4 LEDs im Automobil Thermomanagement Euro 39,95 [D] Krückeberg Ko m Fa ple rb tt e in 5498-X U1+U4 Vorwort Hochleistungs-LEDs, gemeint sind LEDs ab einer Leistung von etwa 1 W, sind als Lichtquelle noch nicht lange auf dem Markt. Bei einer Seminarreihe zum praktischen Einsatz von Hochleistungs-LEDs, den die Firma Retronic in Zusammenarbeit mit OSRAM Opto Semiconductors und Supertex veranstaltete, stellten wir fest, dass es nur verstreute technische Informationen der LED-Hersteller und der Hersteller von Treiber-ICs gibt, aber keine zusammenfassende Quelle für Entwickler. Wer sich mit der Aufgabe konfrontiert sieht, eine Anwendung für Hochleistungs-LEDs zu entwickeln, muss sich das notwendige Wissen mühsam zusammensuchen. Dieses Buch wendet sich daher an interessierte Elektronikingenieure, die, je nach Vorkenntnissen, von den zu beachtenden Besonderheiten der LED, über die Vor- und Nachteile der möglichen Ansteuerungen, bis hin zu Beispielen aus der Praxis an das Thema herangeführt werden. Für diese sind besonders die Abschnitte 3, 4 und 5 interessant. Neben praxiserprobten Lösungen für die elektrischen Anforderungen werden auch Ansätze zur Lösung thermischer Probleme geboten. Die Optik ist ein anderer Fachbereich und wird daher im praktischen Einsatz nicht betrachtet. Ferner soll Entscheidungsträgern aus allen Industriezweigen, die sich mit LEDBeleuchtung beschäftigen, ein umfassender Einstieg in die LED-Technik und deren Anwendung geboten werden. Diesen Kreis dürften die Abschnitte 2, 3 und teilweise 4 interessieren. Bedanken möchte ich mich für die Unterstützung durch die Firmen OSRAM Opto Semiconductors GmbH und Supertex, Inc. Besonders erwähnen möchte ich hier Steffen Block, Applikationsingenieur bei OSRAM Opto Semiconductors, sowie Rudi Hauser, Applikationsingenieur bei Supertex. Ohne ihre technische (Nach-)Hilfe wäre dieses Buch nicht möglich gewesen. Für ihre Geduld mit mir in den Monaten des Schreibens bedanke ich mich bei meiner Frau Martina Humboldt, die auch meine Fehler im Manuskript suchte, soweit sie nicht technischer Natur waren, sowie meinen Kollegen bei Retronic, denen ich so manchen Nerv raubte. Auch dem Franzis Verlag gebührt mein Dank für die aufgebrachte Geduld. Ich hoffe, mit diesem Buch einen nützlichen Einstieg für alle Betroffenen und Interessierte zu bieten, obwohl es sicherlich nicht die letzen Fragen beantwortet und nicht alle Anwendungen anspricht, die auf Hochleistungs-LEDs zukünftig noch zukommen. 5498-4 LEDs Index.indd 5 21.08.2007 16:10:37 Inhalt 1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1 2.2 2.3 3 Funktion und Eigenschaften von Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4 37 41 44 52 54 57 73 Linearregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 PWM-Schaltregler zur Ansteuerung von LEDs . . . . . . . . . . . . . 82 Abwärtswandler – Buck Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Aufwärtswandler – Boost Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Ladungspumpe – Charge Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Invertierender Wandler – Buck-Boost Converter . . . . . . . . . . . 95 Ćuk-Wandler (Boost-Buck) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Sepic-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 PWM-Schaltregler als AC-DC-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Buck-Boost-Buck-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Sperrwandler (Flyback Converter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 LED-Treiber in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5498-4 LEDs Index.indd 7 LED-Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LED-Farben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eigenschaften von Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Binning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau von LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermo-Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datenblattangaben und praktischer Einsatz . . . . . . . . . . . . . . Ansteuerung von LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.3 4.3.1 4.3.2 5 Was ist Licht? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Einheiten und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Lichtquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Gesetzliche Anforderungen und Normen in der Allgemeinbeleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an Schaltungen für Automobilanwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl der Bauteile für PWM-Wandler als LED-Treiber . . . . Die Induktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 124 126 127 131 21.08.2007 16:10:40 8 5.3.3 5.3.4 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5 A Schalttransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltungsoptimierung und Filtermaßnahmen . . . . . . . . . . . Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abwärtswandler für 12 und 24 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abwärtswandler für Automotive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufwärtswandler für bis zu 20 1-W-LEDs an 24 V . . . . . . . . . Ćuk-Wandler für Automobilanwendungen . . . . . . . . . . . . . . . LED-Treiber für Netzbetrieb mit PFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 138 139 142 142 150 158 181 210 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 A.1 A.2 A.3 Bezugsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Fachzeitschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Herstellerlisten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 5498-4 LEDs Index.indd 8 21.08.2007 16:10:40 2 Grundlagen Auch wenn der Schwerpunkt dieses Buches der praktische Einsatz von HochleistungsLEDs ist, so kommen wir an der Theorie nicht vorbei. Sie ist die Grundlage zum Verständnis der Materie für diejenigen, die sich noch nicht oder vor gar zu langer Zeit damit beschäftigt haben. Außerdem ist für die versierteren Leser zumindest eine Bestimmung der verwendeten Begriffe notwendig, weil heute in der Technik die Begriffe aus dem Deutschen und Englischen munter gemischt werden. Also fragen wir uns erst einmal: 2.1 Was ist Licht? Zunächst können wir Licht als elektromagnetische Welle definieren, womit sich die meisten Phänomene des Lichts erklären lassen. Unser Empfinden für Farbe, Helligkeit etc. bezieht sich auf elektromagnetische Wellen, deren Frequenz im sichtbaren Bereich liegt. Wellen anderer Frequenzen können wir nicht mit Empfindungen beschreiben, da wir sie nicht sehen können. Sie haben deshalb primär Bezeichnungen, die angeben, wozu sie verwendet werden. Der gesamte Frequenzbereich der elektromagnetischen Wellen ist das elektromagnetische Spektrum. Es erstreckt sich lückenlos von den langen Wellen, die leicht mit elektrischen Schwingkreisen hergestellt und von Antennen abgestrahlt werden können (Radiowellen), bis zu den energiereichsten, ultraharten Röntgenstrahlen und den Gammastrahlen der Atomkerne. Das Spektrum des sichtbaren Lichtes umfasst nur einen kleinen Bereich, der bei Wellenlängen von etwa 370 nm (Violett) bis 750 nm (Rot) liegt, was einer Frequenz von 8x1014 Hz (800 THz) bis 4x1014 Hz (400 THz) entspricht. p (pico-) = 10-12 = 0,000.000.000.001 (Billionstel) n (nano-) = 10-9 = 0,000.000.001 (Milliardstel) µ (mikro-) = 10-6 = 0,000.001 (Millionstel) m (milli-) = 10-3 = 0,001 (Tausendstel) k (kilo-) = 103 = 1.000 (Tausend) M (mega-) = 106 = 1.000.000 (Million) G (giga-) = 109 = 1.000.000.000 (Milliarden) T (tera-) = 1012 = 1.000.000.000.000 (Billionen) 5498-4 LEDs Index.indd 15 21.08.2007 16:10:44 16 Kapitel 2: Grundlagen Der Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge c = λ • f oder λ = c/f ist relativ einfach zu verstehen. Elektromagnetische Wellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,3x109 m/s, der sogenannten Lichtgeschwindigkeit c (exakt 299.792.458 m/s im Vakuum), aus. Während sich eine elektromagnetische Welle mit der Frequenz f von 1 GHz in 1 Sekunde 0,3x109 m (300.000 km) weit ausbreitet, schwingt sie 109 mal – eine Schwingung hat also die Länge (Wellenlänge λ) von 0,3x109 m/109 Schwingungen = 0,3 m. Weil das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung einen sehr großen Frequenzbereich umfasst, werden die Frequenzen meist in Zehnerpotenzen angegeben. In einigen Bereichen, wie auch beim Licht, hat sich die Angabe der Wellenlänge eingebürgert. So bezeichnet z. B. 555 nm die Wellenlänge grünen Lichts. Abb. 2.1: Elektromagnetische Strahlung 5498-4 LEDs Index.indd 16 21.08.2007 16:10:44 2.1 Was ist Licht? 17 Licht einer einzigen Wellenlänge bezeichnet man als monochromatisch (griechisch: mono-chromos, eine Farbe). In der Natur trifft man jedoch niemals perfekt monochromatisches Licht an, da es immer eine gewisse Bandbreite an Wellenlängen um einen Mittelwert herum gibt. Die Grafik (Abbildung 2.1) gibt einen Überblick über die elektromagnetische Strahlung. Der sichtbare Bereich ist herausgestellt. Kurze Wellen (370 nm) sehen violett aus (wenn auch das kurzwellige Ende des Spektrums oft als »Blau« bezeichnet wird). Mit größerer Wellenlänge verändert sich die Farbe zu Blau, dann zu Grün, Gelb, Orange und schließlich, am langwelligen Ende des sichtbaren Bereichs (750 nm), zu Rot. Der Farbeindruck, den das Licht im Auge hervorruft, wird ausschließlich von der Frequenz des Lichts bestimmt, das vom Auge wahrgenommen wird. Geschichte der Erklärung des Lichtes Unsere Umgebung nehmen wir mit vielen Sinnen wahr und die meisten Informationen nehmen wir über die Augen auf. Diese sind hochgenaue Sensoren für den sehr kleinen Bereich der elektromagnetischen Wellen, die wir Licht nennen. Seit der Antike bemühen sich Gelehrte und Wissenschaftler, eine allgemeingültige Theorie über die Natur des Lichts zu entwerfen. Dabei wurden viele grundlegende Erkenntnisse gewonnen, deren Theorien heute allgemein als moderne Physik bezeichnet werden. Ungefähr 300 v. Chr. hat Euklid sich in seiner Schrift über die Optik darum bemüht, seine Überlegungen in eine exakte mathematische Form zu bringen. Hierauf gründete sich die Theorie der geometrischen Optik, die besagt, dass Licht sich strahlenförmig auf geradlinigen Bahnen im Raum ausdehnt. Die Ausbreitung von Licht lässt sich also geometrisch beschreiben. Ende des 17. Jahrhunderts kamen mit der Emissions- oder Korpuskeltheorie und der Ondulations- oder Wellentheorie zwei einander widerstreitende Auffassungen über die Beschaffenheit des Lichts auf. Die geradlinige Ausbreitung des Lichtes führte Isaac Newton (1643-1727) dazu, 1675 die Emissionstheorie zu begründen. Danach besteht Licht aus winzigen Korpuskeln oder Partikeln, die von einer Lichtquelle aus geradlinig durch den Raum geschleudert werden. Die Lichtteilchen können von Hindernissen abprallen und die Richtung ihrer Flugbahn verändern. Weitgehend bleibt die Korpuskeltheorie der geometrischen Optik verhaftet. 1690 entwickelte Christian Huygens (1629-1695) in seiner Schrift Tractatus de lumini (Abhandlung über das Licht) eine erste Art Wellentheorie des Lichtes. Um 1800 konnte Thomas Young (1773-1829) die Wellennatur des Lichtes beweisen. Ebenso wie der Schall kann auch das Licht als ein Wellenphänomen verstanden und die Ausbreitung des Lichtes mit allgemeingültigen Gesetzen zur Ausbreitung von Wellen beschrieben 5498-4 LEDs Index.indd 17 21.08.2007 16:10:45 18 Kapitel 2: Grundlagen werden. Phänomene wie Beugung, Interferenz und Polarisation des Lichtes sind durch die Wellentheorie erklärbar. Die Wellentheorie wurde 1815 von Augustin Jean Fresnel (1788-1827) fortgeführt. Er deutete das Licht als Welle in einem schwingenden, elastischen Medium, dem Äther. Obwohl zwar mittlerweile erwiesen ist, dass es zur Fortpflanzung von Lichtwellen keines derartigen Stoffes bedarf, spricht man bisweilen auch heute noch davon, dass Wellen durch den Äther geschickt werden, wenn z. B. von Rundfunksendungen die Rede ist. Dennoch wurde die mechanische Äthertheorie bereits im Jahre 1864 von dem schottischen Mathematiker Clerk Maxwell (1831-1879) widerlegt, indem er das Licht als ein elektromagnetisches Phänomen darstellte. Seitdem wird das sichtbare Licht als ein relativ schmaler Bereich aus einem weiten Spektrum elektromagnetischer Schwingungen definiert. Zur Wellentheorie des Lichts ist mit der Quantentheorie gegen Anfang des 20. Jahrhunderts eine weitere Theorie gleichberechtigt hinzugekommen. Sie ist nötig, um das Entstehen des Lichtes, die Lumineszenz, zu erklären. Moderne Physik Um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert und in dessen ersten Jahrzehnten zwang eine ganze Reihe von Entdeckungen die Physiker dazu, eine neue Realität anzuerkennen. In der bisherigen Beschreibung der Natur, der klassischen Physik, war eine Idealisierung zu sehen – so wie die Strahlenoptik eine Idealisierung und Spezialisierung der Wellenoptik ist. Obwohl viele der neuen Theorien, die sich aus dieser Erkenntnis ergaben, nun schon über 80 Jahre alt sind, bezeichnen wir sie als moderne Physik. Einige der grundlegenden Entdeckungen der modernen Physik ergaben sich aus Untersuchungen der Wechselwirkung von Licht mit Materie. Der Fotoeffekt Elektronen sind als Bestandteil des Atoms in jeder Art von Materie. In manchen Metallen (den Leitern, weil sie elektrischen Strom leiten) können sie sich besonders frei bewegen. Aber es ist für Elektronen nicht leicht, sich vom Metall zu lösen, denn wenn sich ein Elektron mit seiner negativen Ladung von dem im Ladungsgleichgewicht zwischen positiver und negativer Ladung befindlichen Metall löst, überwiegt die positive Ladung im Metall und zieht das Elektron wieder an. Um ein Elektron zu befreien, muss ihm Energie zugeführt werden. Das lässt sich zum Beispiel durch Erhitzen erreichen; die Elektronen werden sozusagen abgedampft. Sie können auch durch das Licht bestimmter Frequenzen, die vom Material abhängen, aus dem Metall gelöst werden. Das ist der lichtelektrische oder Fotoeffekt, den Albert Einstein als Erster erklären konnte. Die so befreiten Elektronen heißen Fotoelektronen. Der Teil der modernen Physik, der dieses Verhalten erklärt, ist die Quantentheorie. 5498-4 LEDs Index.indd 18 21.08.2007 16:10:45 Kapitel 2: Grundlagen 19 Jede elektromagnetische Welle kann Energie nur in diskreten Einheiten (Quanten) übertragen. Die Größe des Energiequants ist proportional zur Frequenz der Welle. Beim Licht spricht man von Lichtquanten oder Photonen – kurzwelliges (hochfrequentes) Licht hat mehr Energie als langwelliges (niederfrequentes) Licht. Optik Ursprünglich bezeichnet die Optik die Lehre des sichtbaren Lichts. In der allgemeinen Physik sind jedoch alle dem sichtbaren Licht ähnlichen elektromagnetischen Strahlungen (Ultraviolett bis fernes Infrarot) mit einbezogen. Die geometrische Optik (Strahlenoptik) umfasst alle Erscheinungen, bei denen der Wellencharakter des Lichtes vernachlässigt werden kann. Es wird von der strahlenförmigen Ausbreitung des Lichts ausgegangen. Die Ausbreitungsrichtung kann durch Reflexion und Brechung beeinflusst, geometrisch dargestellt und berechnet werden. Es werden Erscheinungen erklärt, bei denen die mit dem Licht wechselwirkenden Objekte (Linsen, Spiegel, Blenden usw.) viel größer sind als die Wellenlänge des Lichts. Die Wellenoptik behandelt die durch die Wellennatur des Lichts bedingten Eigenschaften. Neben Beugung, Interferenz und Polarisation gehören dazu auch elektro-, magnet- und kristalloptische Erscheinungen. Mit den wellenoptischen Eigenschaften des Lichts lässt sich z. B. das Prinzip der Holografie oder der LCD-Anzeigen erklären. Effekte, wie z. B. der Fotoeffekt oder die Absorptions- und Emissionsspektren der Atome und Moleküle, können nur durch die Quantenoptik beschrieben werden. Lumineszenz (Wie entsteht Licht?) Im Bohrschen Atommodell bewegen sich Elektronen nicht in beliebigem Abstand um den Kern, sondern nur auf ganz bestimmten, durch eine Quantenbedingung ausgezeichneten Bahnen, den sogenannten stationären bzw. erlaubten Bahnen oder Quantenbahnen. Die Elektronen bewegen sich auf diesen stationären Bahnen strahlungsfrei, d. h., ohne Energieverlust. Je größer der Abstand der Bahnen vom Kern ist, umso größer ist das Energieniveau des Elektrons. Der Übergang von einer Quantenbahn auf eine andere, der sogenannte Elektronenoder Quantensprung, erfolgt dabei immer unter Aufnahme oder Abgabe der entsprechenden Energiedifferenz. Beim Übergang zu einer niedrigeren Energiestufe wird die Energiedifferenz in Form eines Photons abgegeben. Absorption oder Emission von Strahlung kann nur in den dem Energieabstand entsprechenden Frequenzen erfolgen. Die Energie wird dabei in Elektronenvolt (eV) angegeben. 5498-4 LEDs Index.indd 19 21.08.2007 16:10:45 20 Kapitel 2: Grundlagen Abb. 2.2: Quantensprung Abbildung 2.2 verbildlicht im Bohrschen Atommodel den Quantensprung unter Aufnahme (Absorption) bzw. Abgabe (Emission) von Energiequanten. Der Emissionsvorgang setzt voraus, dass das Atom zu Beginn auf einer angeregten Stufe ist, also Energie aufgenommen hat. Der Gesamtprozess, in dem ein Atom Energie aufnimmt und durch Photonenemission wieder zum Grundzustand zurückkehrt, heißt Lumineszenz. Licht emittierende Halbleiter (LED) müssen den der gewünschten Lichtfrequenz entsprechenden Energieabstand ihrer Elektronenbahnen haben, der bei der Rekombination überbrückt wird. Kurzwelliges Licht (Blau oder UV) emittierende LEDs müssen also eine größere Energielücke bieten. Nach entsprechenden Halbleitern wurde in der Geschichte der LED lange geforscht. Abgestrahlte Lichtwellenlänge und entsprechender Energieabstand 400 nm ^= 3,10 eV 500 nm ^= 2,48 eV 555 nm ^= 2,23 eV 600 nm ^= 2,07 eV 700 nm ^= 1,77 eV Elektrolumineszenz Lumineszenzdioden nutzen die Möglichkeit, bestimmte Stoffe mit elektrischem Strom anzuregen und Lumineszenzeffekte zu zeigen. Eine LED besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern, die miteinander verbunden sind. Bei dem in Durchlassrichtung gepolten pn-Übergang werden Elektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet und 5498-4 LEDs Index.indd 20 21.08.2007 16:10:45 2.2 Einheiten und Definitionen 21 Defektelektronen bzw. Löcher in umgekehrter Richtung injiziert, wodurch es zu einer Rekombination von Elektronen mit Defektelektronen kommt. Die bei diesem Vorgang frei werdende Energie wird als Strahlung abgegeben. In geeigneten Stoffen, in denen der Energieabstand groß genug ist, wird diese Strahlung als Licht sichtbar (s. 3.1 LEDFunktionsprinzip). Für viele Eigenschaften eines Atoms ist die Anzahl der Elektronen auf der äußeren Hauptenergiestufe (Schale) entscheidend. Diese Elektronen bestimmen die chemische Wertigkeit eines Stoffs. Man nennt sie deshalb mit dem lateinischen Begriff für Wertigkeit Valenzelektronen. Die Elemente sind im Periodensystem nach Wertigkeit in Gruppen sortiert. Elektrolumineszenz im sichtbaren Bereich entsteht durch Elektronenübergänge der Valenzelektronen. Für LED kommen hauptsächlich Elemente der Hauptgruppen III und V zum Einsatz. Fluoreszenz Von besonderem Interesse sind die Fälle, in denen das abgegebene Photon eine andere Frequenz hat als die Photonen des einfallenden Lichts. Dies kann auftreten, wenn das Atom über eine Zwischenstufe zum Grundzustand zurückkehrt. Da die ursprünglich gewonnene Energie dann in mehreren Teilen abgegeben wird, hat jedes abgegebene Photon weniger Energie, also eine niedrigere Frequenz, als das aufgenommene Photon. Wenn der Vorgang der Lumineszenz sehr schnell abläuft, also in einer Zeit, die im Vergleich zur Lebensdauer des angeregten Zustands kurz ist, heißt er Fluoreszenz (oder Fotolumineszenz). Von der Fluoreszenz wird z. B. bei der Leuchtstofflampe Gebrauch gemacht. Es wird aus UV-Licht sichtbares Licht gewonnen. Auf gleiche Weise kann ein Teil des Lichts einer blauen Leuchtdiode in z. B. gelbes Licht umgewandelt werden. Die Mischung dieser beiden Farben ergibt weißes Licht (weiße LED). 2.2 Einheiten und Definitionen Der Mensch sieht tagsüber (helladaptiert) am besten bei etwa 555 nm (gelbgrün). Nachts reagieren andere Rezeptoren des menschlichen Auges, sie sind am empfindlichsten im blauen Bereich (dunkeladaptiert). Sehr starke Lichtquellen, deren Wärme wir fühlen können, sehen wir auch im infraroten Bereich (IR) bis etwa 1.100 nm. Wir könnten auch ultraviolettes Licht wahrnehmen, wenn nicht die Augenlinse dieses Licht verschlucken würde. Menschen, deren Linse etwa wegen eines Grauen Stars operativ entfernt wurde, sehen bis zu etwa 300 nm. Insekten wiederum sind für ultraviolettes Licht besonders empfindlich. 5498-4 LEDs Index.indd 21 21.08.2007 16:10:46 22 Kapitel 2: Grundlagen Abb. 2.3: Spektrale Empfindlichkeit Die spektrale Empfindlichkeit des hell adaptierten menschlichen Auges V(1) ist in DIN 5031 für einen »Normalbetrachter« tabelliert (Abb. 2.3). Zusätzlich zu den strahlungsphysikalischen Größen, die sich auf Strahlung beliebiger Wellenlänge beziehen, verwendet man für das sichtbare Licht allgemein lichttechnische Größen, die die strahlungsphysikalischen Größen mit der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges bewerten, und gibt sie in fotometrischen Einheiten an. Der strahlungsphysikalischen Größe Strahlungsfluss Φe (in Watt) entspricht die lichttechnische Größe Lichtstrom Φv (in Lumen). So entspricht z. B. im Maximum der Augenempfindlichkeit bei 555 nm 1 W Strahlungsfluss Φe einem Lichtstrom Φv von 683 lm. Radiometrisch Fotometrisch Größe Symbol Einheit Größe Symbol Einheit Strahlungsfluss Φe W Lichtstrom Φv lm Strahlungsstärke Ie W/sr Lichtstärke Iv lm/sr = cd Bestrahlungsstärke Ee W/m2 Beleuchtungsstärke Ev lm/m2 = lx Strahlung W/m2sr Leuchtdichte Lv cd/m2 Le Lichtstrom Φv Der Lichtstrom stellt die von einer Lichtquelle abgestrahlte oder von einem Körper reflektierte Lichtleistung dar. Wie bereits ausgeführt, ist es der mit der V(l)-Kurve (spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges) bewertete elektromagnetische Strahlungsfluss (elektrische Strahlungsleistung). 5498-4 LEDs Index.indd 22 21.08.2007 16:10:46 2.2 Einheiten und Definitionen 23 Der Lampenlichtstrom ist die gesamte abgegebene Lichtleistung einer Lampe unabhängig von der Ausstrahlungsrichtung. Maßeinheit: lm (Lumen) Lichtstärke Iv Die Lichtstärke ist der in einer bestimmten Richtung in einen Raumwinkel ausgestrahlte Lichtstrom, bezogen auf diesen Raumwinkel (sr = Steradiant). Damit wird die Richtungsabhängigkeit des ausgestrahlten Lichtstroms charakterisiert. Maßeinheit: cd (Candela) 1 cd = 1 lm/sr • 100 W Glühlampe: 1.100 cd • 100 W Scheinwerfer: bis zu 106 cd in Strahlrichtung • LED für Signalzwecke (10 mA): 1-300 mcd • weiße LED (20 mA, 20° Abstrahlwinkel): 5,6 cd Beleuchtungsstärke Ev Die Beleuchtungsstärke ist das Maß des auf eine Fläche auffallenden Lichtstroms. Wenn ein Lichtstrom von 1 lm gleichmäßig auf eine Fläche von 1 m2 trifft, dann ist die Beleuchtungsstärke 1 Lux (lx). Maßeinheit: lx (Lux) 1 lx = 1 lm/m2 • Sonnenschein, mittags im Freien: max. 100.000 lx • Büroarbeitsplatz: 500 lx • klare Vollmondnacht: 0,2 lx Leuchtdichte Lv Die Leuchtdichte ist das Maß für die »gesehene Helligkeit«. Die Leuchtdichte ist der Lichtstrom je Fläche und Raumwinkel. Das menschliche Auge empfindet Leuchtdichte- als Helligkeitsunterschiede. Maßeinheit: cd/m2 (Candela/Quadratmeter) • Sonnenoberfläche: 1,5x109 cd/m2 • Glühdraht einer Glühlampe: 5x bis 35x106 cd/m2 • moderne Leuchtstofflampe: 0,3 bis 1,5x104 cd/m2 • Nachthimmel: etwa 1011 cd/m2 5498-4 LEDs Index.indd 23 21.08.2007 16:10:47 24 Kapitel 2: Grundlagen Lichtausbeute (Effizienz) Die Lichtausbeute ist ein Maß für die effektive Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie. Die Effizienz der LED liegt zurzeit bereits deutlich über der Effizienz von Halogenlampen und kann, je nach Farbe, bis zu 90 lm/W erreichen. Maßeinheit: lm/W (Lumen/Watt) • Natriumdampf-Niederdrucklampen (monochromatisch Gelb): ca. 200 lm/W • Halogenglühlampen: bis ca. 35 lm/W • Allgebrauchsglühlampen: 10 bis 20 lm/W • grüne LED: bis zu 86 lm/W • weiße LED: zzt. bis zu 40 lm/W Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis der abgestrahlten Lichtleistung im Verhältnis zur eingesetzten elektrischen Leistung an. Um Licht zu erzeugen, wird in der Glühlampe ein Glühfaden erhitzt, der eine hohe Temperatur erreichen muss, um sichtbares Licht abstrahlen zu können. Im Wesentlichen gibt der Glühfaden deshalb Wärme und IRStrahlung ab und nur etwa 3 % (Allgebrauchsglühlampe) bis 7 % (Halogenlampe) der elektrischen Leistung wird in sichtbares Licht umgesetzt. Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in einem sehr engen Farbband direkt in Licht um, wobei im Siliziumkristall auch Wärme entsteht. Diese wird aber nicht abgestrahlt, sondern muss durch geeignete Kühlmaßnahmen abgeführt werden. Dadurch, dass praktisch keine IR- und UV-Strahlung abgegeben wird, haben LEDs einen wesentlich besseren Wirkungsgrad (ca. 25 %) und eignen sich besonders auch für spezielle Beleuchtungszwecke, wie die Beleuchtung wärmeempfindlicher Gegenstände (keine IR-Strahlung) oder alte Bilder, deren Farben durch UV-Strahlung mit der Zeit verändert oder ausgebleicht würden. Lichtfarbe Die Lichtfarbe einer Lichtquelle bezeichnet den Farbeindruck, der beim direkten Einfall des Lichts dieser Lichtquelle ins Auge entsteht. Die von Helmholtz und Young entwickelte Dreifarbentheorie besagt, dass im menschlichen Auge drei verschiedene Farbrezeptoren vorhanden sind, die ihr Erregungsmaximum bei einer jeweils genau definierten Spektralfarbe haben. So kann jeder wahrnehmbare Farbeindruck mit den dem Maximum entsprechenden Spektralfarben dargestellt werden. Alle möglichen Farben können nach dieser Theorie in einem Farbraum dargestellt werden, bei dem die Koordinaten für jeden Punkt im Raum die Intensitäten der jeweiligen Farbkomponenten (z. B. Rot, Grün und Blau) widerspiegeln. 5498-4 LEDs Index.indd 24 21.08.2007 16:10:47 2.2 Einheiten und Definitionen 25 Ausgehend von den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau mit den Wellenlängen 700 nm, 546,1 nm und 435,8 nm wurden bereits 1930 in England durch W. D. Wright und J. Guild mit vielen Testpersonen die jeweils notwendigen Anteile der Wellenlängen ermittelt, die bei additiver Mischung in direktem Vergleich denselben Farbeindruck hervorriefen wie das zu bewertende monochromatische Licht. Die drei Farbwerte lassen sich in einem räumlichen Koordinatensystem darstellen. Da die Summe der drei Farbwerte »1« ergibt, können die Farbwerte auch vereinfacht in einem zweidimensionalen Koordinatensystem mit a (Rot) und b (Grün) dargestellt werden, da sich c (Blau) aus den Werten a und b ergibt. Abb. 2.4: CIE-Farbnormtafel Die von Wright und Guild gefundenen Werte wurden von der Commission Internationale de l'Eclairage (CIE, Internationale Beleuchtungskommission) übernommen und für die Schaffung der CIE-Farbnormtafel (Abbildung 2.4 CIE-Farbnormtafel) zugrunde gelegt. Da die Farborte nach Wright und Guild nur relative Werte für das Verhältnis der drei Grundfarben angeben, wurden sie mit einer standardisierten Funktion für das Farbintensitätsempfinden des menschlichen Auges auf absolute Energiewerte umgerechnet. Jedoch steht inzwischen fest, dass der damals angenommene lineare Zusammenhang zwischen Farbintensitätsempfinden und jeweiligem Strahlungsener- 5498-4 LEDs Index.indd 25 21.08.2007 16:10:48 26 Kapitel 2: Grundlagen giewert die Empfindlichkeit des menschlichen Auges bei Wellenlängen unter 460 nm unterschätzt. Dadurch ergibt sich eine hohe Ungenauigkeit der CIE-Farbnormtafel unter 460 nm. Die CIE-Farbnormtafel ist ein geräteunabhängiger und medienneutraler Farbraum, der eine Farbe nach ihrer Position in einem x/y-Koordinatensystem und deren Helligkeit (L) beschreibt und alle Farben umfasst, die das menschliche Auge empfinden kann. Sie ist heute Grundlage praktisch aller Farbmesssysteme. Alle monochromatischen Farben liegen auf der Spektralfarblinie genannten Hüllkurve der Spektralfläche, die zwischen Blau und Rot durch die Purpurlinie begrenzt wird. Alle durch ein Dreieck eingeschlossenen Farben dieser Spektralfläche, deren Ecken durch drei monochromatische Farben definiert sind, lassen sich mit diesen drei chromatischen Farben erzeugen. In Abbildung 2.4 ist ein solcher Farbraum, der etwa dem Adobe RGB-Farbraum entspricht, beispielsweise eingezeichnet. Zentraler Bezugspunkt ist der Weißpunkt E, der durch die Bedingung x=y=1/3=z definiert ist. Alle Farben auf einer Linie zwischen E und einer Farbe P werden farbtongleich empfunden. Die über den verwendeten Farbraum hinaus verlängerte Linie schneidet die Spektrallinie in P'. Die Wellenlänge auf der Spektrallinie an P' entspricht der dominanten Wellenlänge der Farbe P. Je geringer der Abstand einer Farbe zur dominanten Wellenlänge auf der Spektralfarblinie ist, desto reiner ist die Farbe. Auf der über E hinaus verlängerten Linie E-Q können die Komplementärfarben abgelesen werden, wobei der Punkt Q' außerhalb des Farbraumes, hier auf der Purpurlinie, die reinste Komplementärfarbe darstellt. Farbtemperatur Die Farbe von (konventionellen) Lichtquellen kann in der Regel nicht durch eine Lichtwellenlänge ausgedrückt werden, da ein ganzes Spektrum ausgestrahlt wird. Daher werden Quellen mit breitem Spektrum oft nach ihrer Farbtemperatur klassifiziert, das ist die Temperatur eines schwarzen Körpers (glühendes Titan), der in derselben Farbe leuchtet wie die Quelle. Je heißer der schwarze Körper ist, umso größer ist die relative Intensität bei den kürzeren Wellenlängen. Ein kalter Körper strahlt fast ausschließlich im Infraroten. Wenn er erhitzt wird, beginnt er rot zu glühen. Weiteres Erhitzen kann ihn gelb, weiß und sogar blau erscheinen lassen. Fast alle glühenden Quellen (Temperaturstrahler) mit derselben Farbtemperatur haben dieselbe Intensitätsverteilung und lassen sich deshalb gut normieren. Bezugsgröße ist der ideale schwarze Körper, dessen Ausstrahlung genau bekannt ist (Plancksche Strahlungsformel). Die Temperatur wird in Grad Kelvin angegeben, wobei K = ° C + 273 ist. Gebräuchliche Lampen haben Farbtemperaturen in den Gruppen unter 3300 K (Warmweiß), 3300 K bis 5300 K (Neutralweiß) und über 5300 K (Tageslichtweiß). 5498-4 LEDs Index.indd 26 21.08.2007 16:10:49 2.2 Einheiten und Definitionen 27 Abb. 2.5: Farbintensitätsverteilung verschiedener Farbtemperaturen Abb. 2.6: Planckkurve 5498-4 LEDs Index.indd 27 21.08.2007 16:10:49 28 Kapitel 2: Grundlagen In der CIE-Normfarbtafel (Abbildung 2.6) liegen die Farben des Lichtes glühender Quellen auf einer Kurve, der sogenannten Planckkurve, die aus dem Infraroten kommend bei einer unendlichen Temperatur in einem blau-weiß endet. CIE-Normbeleuchtung x-Wert y-Wert Bemerkung A 0,4476 0,4047 Lichtspektrum ähnlich einer Glühlampe B 0,3484 0,3516 – C 0,3101 0,3162 Weißpunkt der NTSC-TV-Norm E 1/3 1/3 Weißpunkt des CIE-RGB-Farbraumes; X, Y und Z zu exakt gleichen Anteilen D5000 bzw. D50 0,3457 0,3585 Weißpunkt für Wide-Gamut-RGB und Color-Match-RGB D5500 bzw. D55 0,3324 0,3474 Lichtspektrum ähnlich dem von durchschnittlichem Tageslicht, Spektrum ähnlich einem Schwarzkörper bei 5.500 Kelvin D6500 bzw. D65 0,312713 0,329016 Weißpunkt für sRGB, Adobe-RGB und die PAL/SECAM-TV-Norm, Spektrum ähnlich einem Schwarzkörper bei 6.500 Kelvin D7500 bzw. D75 0,2990 0,3149 Spektrum ähnlich einem Schwarzkörper bei 7.500 Kelvin D9300 0,2848 0,2932 Spektrum ähnlich einem Schwarzkörper bei 9.300 Kelvin Farbwiedergabe Die Farbe des an einem Gegenstand reflektierten Lichts hängt von der Farbe der Beleuchtung ab. Ein extremes Beispiel dafür lässt sich an den weiß-gelben Natriumlampen beobachten, wie sie oft an Kreuzungen stehen. Manche Gegenstände verlieren in diesem Licht ihre Farbe, weil diese Quelle sehr wenig grünes und rotes Licht abstrahlt. Selbst wenn zwei Beleuchtungen gleich scheinen (metamer sind), kann ein Objekt bei diesen Beleuchtungen jeweils ganz verschieden aussehen. Dies erklärt sich durch den Umstand, dass das Objekt nur in den Farben oder Mischungen der Farben erscheinen kann, die auch in dem Licht enthalten sind. 5498-4 LEDs Index.indd 28 21.08.2007 16:10:51 2.3 Lichtquellen 29 Die Farbwiedergabe bezeichnet die Beziehung zwischen Farbreiz und Farbeindruck, d. h. die Wiedergabe der Farben von Gegenständen bei Beleuchtung mit verschiedenen Lichtquellen für einen Beobachter im Vergleich zu einer Vergleichslichtquelle. Die Farbwiedergabeeigenschaften von Lampen werden in verschiedene Stufen der Farbwiedergabeeigenschaften eingeteilt, die durch den allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra gekennzeichnet sind. Der Farbwiedergabeindex ist von acht häufig vorkommenden Testfarben abgeleitet. Der höchste Indexwert 100 bezeichnet eine Lichtquelle, die alle Umgebungsfarben natürlich erscheinen lässt. Je niedriger der Indexwert ist, desto schlechter sind die Farbwiedergabeeigenschaften. Der Indexwert sollte den Wert 80 nicht unterschreiten. Lampe Eine Lampe ist die technische Ausführungsform künstlicher Lichtquellen (Leuchtmittel). Lampen dienen der Umwandlung elektrischer Energie in sichtbare Strahlung. Am häufigsten angewendet werden Temperaturstrahler (Glühlampen, Halogenglühlampen) und Gasentladungsstrahler (z. B. Leuchtstoffröhren). Leuchte Die Leuchte ist ein Bauelement zur Aufnahme der Lampe mit dem Zweck der Lichtstromlenkung, der Blendungsbegrenzung sowie des mechanischen und elektrischen Schutzes. Außerdem ist sie der zur Befestigung und Energieversorgung notwendige Bestandteil. Bei LED-Leuchten können LEDs (aufgrund ihrer langer Lebensdauer) und Leuchte zu einer unlösbaren Einheit verbunden werden. Werden LED mit linsenförmigem Körper eingesetzt, so kann auf zusätzliche blendungsbegrenzende und lichtlenkende Maßnahmen weitgehend verzichtet werden. 2.3 Lichtquellen In der Optik unterscheidet man eine Vielzahl von Strahlungsquellen, die in die beiden Gruppen thermische Strahlungsquellen und Lumineszenzstrahler unterteilt werden können. Bei den thermischen Strahlungsquellen lassen sich natürliche Strahlungsquellen (z. B. die Sonne) und künstliche Strahlungsquellen (Temperaturstrahler, z. B. Kohle, Glühlampe) unterscheiden. In gleicher Weise kennt man bei den Lumineszenzstrahlern natürliche Strahler (z. B. kalte Oxidation in der Tierwelt) und künstliche Strahler (z. B. Gasentladungslampen, Leuchtstofflampen oder Halbleiterlumineszenzdioden). 5498-4 LEDs Index.indd 29 21.08.2007 16:10:52 4 Ansteuerung von LEDs Wie im vorigen Abschnitt bereits beschrieben, muss der Strom für LEDs begrenzt werden, weil sich der LED-Chip durch die Verlustleistung erwärmt. Mit steigender Kristalltemperatur verringert sich der dynamische Widerstand der LED und bei konstanter Versorgungsspannung würde ohne Strombegrenzung der Strom und damit auch die Verlustleistung ansteigen, bis die LED durch Überhitzung oder zu große Stromdichte zerstört wird. Eine einfache Strombegrenzung mit einem Widerstand ist für Leistungs-LEDs jedoch problematisch. Steigt die Spannung nur ein wenig, wird durch die starke Stromänderung und die damit verbundene Erhöhung der Kristalltemperatur der dynamische Widerstand sinken, wodurch der Strom zusätzlich weiter ansteigt. Eine Spannungsänderung von nur 0,1 V an der Leistungs-LED bewirkt, je nach Typ, eine Stromänderung im Bereich von 100 bis 300 mA oder mehr. Dies ist mit einem Vorwiderstand nicht zu beherrschen. Neben der Stromabhängigkeit aller wichtigen LED-Parameter ist dies ein weiterer Grund dafür, Leistungs-LEDs mit Konstantstrom zu betreiben. Abb. 4.1: Serien- und Serien-Parallel-Schaltung von LEDs Müssen mehrere Leistungs-LEDs parallel geschaltet werden, weil die zur Verfügung stehende Spannung nicht zum Betrieb einer LED-Kette ausreicht, kann der Konstantstrom durch eine Stromspiegelschaltung auf zwei oder mehr Zweige aufgeteilt 5498-4 LEDs Index.indd 77 21.08.2007 16:11:17 78 Kapitel 4: Ansteuerung von LEDs werden oder es muss für jeden Zweig eine Konstantstromquelle vorgesehen werden (Abbildung 4.1). Abb. 4.2: Flussspannungskurven der weißen Golden-Dragon-LEDs 5498-4 LEDs Index.indd 78 21.08.2007 16:11:17 Kapitel 4: Ansteuerung von LEDs 79 Eine direkte Parallelschaltung mehrerer Leistungs-LEDs an einer Stromquelle hätte den Nachteil, dass die gemeinsame Spannung aller LEDs bzw. LED-Ketten durch die LED oder LED-Kette mit der niedrigsten Flussspannung festgelegt (geklemmt) würde. Dadurch hätten andere LEDs mit höherer Flussspannung, unter Umständen nicht genügend Stromfluss, um überhaupt zu leuchten. So hat z. B. bei den weißen GoldenDragon-LEDs bei maximal zulässigem Strom von 500 mA die LED mit minimaler Flussspannung eine Flussspannung von 2,8 V und lt. Datenblatt einen Lichtstrom von 130 % des Nennwertes. Bei dieser Spannung hat die typische LED gerade einen Strom von 125 mA und nur einen Lichtstrom von 40 % des Nennwertes. Die LED mit maximaler Flussspannung leuchtet bei 2,8 V gar nicht. Die Flussspannungskurven der weißen Golden-Dragon-LEDs für minimale, typische und maximale Flussspannung werden in Abbildung 4.2 gezeigt. Zu beachten ist auch, dass in LED-Ketten an einer Stromquelle nur LEDs des gleichen Typs und der gleichen Farbe verwendet werden. LEDs unterschiedlicher Typen oder Farben weichen in ihren Parametern, vor allem dem Strom, zu stark voneinander ab, als dass sie in derselben Kette eingesetzt werden können. Abb. 4.3: Einfache Konstantstromquelle Die einfachste Stromquelle ist ein selbstleitender FET mit einem Widerstand, der die Gate-Spannung in Abhängigkeit vom Strom einstellt. Steigender Strom erhöht die Gate-Spannung und sperrt den FET soweit, dass sich der Strom auf einen konstanten Wert einstellt (Abbildung 4.3). Der Strom ist jedoch einer großen Exemplarstreuung unterworfen, die in der Systemfertigung eine Justierung des Stroms erforderlich machen würde. 5498-4 LEDs Index.indd 79 21.08.2007 16:11:17 80 Kapitel 4: Ansteuerung von LEDs Abb. 4.4: Stromquelle mit Bipolartransistor Etwas besser ist eine Stromquellenschaltung mit Bipolartransistor (Abbildung 4.4), dessen Basis-Emitter-Spannung UBE mit einer Zenerdiode (Zenerspannung UZ) theoretisch über weite Eingangsspannungsbereiche konstant gehalten wird. Der Strom Ia wird über den Emitterwiderstand RE eingestellt: Ia = U Z − U BE RE In der Praxis werden Schwankungen der Versorgung oder der Last nicht gut genug ausgeregelt. Z. B. ändert sich die Zenerspannung in spezifizierten Grenzen mit der Eingangsspannung und der Temperatur oder die Basis-Emitterspannung mit der Sperrschichttemperatur des Transistors, die sich durch Lastwechsel ändert. Der Einfluss der Eingangsspannung auf den Strom ist bei hohem Innenwiderstand der Schaltung geringer. Je größer die Zenerspannung und der Emitterwiderstand sind, desto größer ist der Innenwiderstand. Jedoch ist die Zenerspannung durch die maximal zur Verfügung stehende Spannungsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung begrenzt. Mit entsprechendem Schaltungsaufwand lassen sich diese Nachteile verringern, doch ist dann der Einsatz von Standard-ICs als Stromregler sinnvoller. 4.1 Linearregler Linearregler sind analoge integrierte Schaltkreise, die die Spannung (Spannungsregler) oder den Strom (Stromregler) konstant halten. Am bekanntesten sind wohl die 5498-4 LEDs Index.indd 80 21.08.2007 16:11:18 4.1 Linearregler 81 Festspannungsregler der 78xx-Familie für positive und der 79xx-Familie für negative Spannungen. Mit einstellbaren Spannungsreglern wie z. B. dem LM317 kann ein Stromregler einfach realisiert werden. Abb. 4.5: Stromregelung mit Standard-Spannungsregler Der Regler ist so aufgebaut, dass im Betrieb zwischen VOUT und Adj eine Referenzspannung von 1,25 V entsteht, die im Widerstand R1 einen konstanten Strom fließen lässt, der auch in R2 eine Spannung erzeugt. Die Ausgangsspannung des Spannungsreglers ist die Summe der Spannungen an R1 und R2 (Abbildung 4.5. linke Schaltung). Nachdem der Regler schon mit Konstantstrom arbeitet, kann er sehr einfach als Stromregler eingesetzt werden, wenn R2 durch die Last ersetzt wird. Der Strom I ist dann: I = U Re f R1 Inzwischen werden auch schon spezielle Stromregler für LED-Anwendungen angeboten. Die Palette reicht von einfachen fest eingestellten Stromreglern mit nur zwei Anschlüssen (Supertex) bis zu einstellbaren Stromreglern mit PWM-Eingang zum Dimmen der LEDs (Infineon, Maxim, Supertex, Sipex). Tab. 4.1: Lineare Stromregler für LEDs Hersteller Typ Strom max. [mA] Strom PWM VIN einstell- Dimmen max. bar [V] Infineon TLE4241GM 83 ja ja 45 Infineon TLE4242 500 ja ja 42 Maxim MAX16800 350 ja ja 40 Sipex SP761x ja ja 6 5498-4 LEDs Index.indd 81 40/80 2, 3 oder 4 LEDs parallel 21.08.2007 16:11:18 82 Kapitel 4: Ansteuerung von LEDs Hersteller Typ Strom max. [mA] Strom PWM VIN einstell- Dimmen max. bar [V] Supertex CL2/CL25 20/25 nein nein 90 Max. Spannungsdifferenz UEin-ULED Supertex CL6 100 nein nein 90 Max. Spannungsdifferenz UEin-ULED Supert3ex CL7 100 nein ja 90 Max. Spannungsdifferenz UEin-ULED Lineare Stromregelung ist nur bei geringem Spannungsabfall am Regler und relativ geringen Strömen sinnvoll einsetzbar, da sonst die Verluste zu groß werden. So sind die typischen Verluste in der Stromquelle für eine einzelne gelbe 1-W-LED mit typ. 2,2 V bei 400 mA und einer Eingangsspannung von 12 V bereits 3,92 W. Im Automobil kann die Spannung bis auf 16 V ansteigen. Bei dieser Spannung entstehen im linearen Stromregler bereits Verluste von 5,5 W, um nur eine 1-W-LED anzusteuern. Sinnvollerweise sollte man deshalb lineare Stromregler zum Betreiben von LEDs nur einsetzen, wenn die Verlustleistung ca. 1 bis 2 W nicht übersteigt. 4.2 PWM-Schaltregler zur Ansteuerung von LEDs Neben den hohen Verlusten im Betrieb haben lineare Stromregler auch den Nachteil, dass nur Ausgangsspannungen realisiert werden können, die jeweils kleiner als die Eingangsspannungen sind. Im Gegensatz zu Linearreglern haben getaktete Stromregler, also Schaltnetzteile (Switchmode Power Supply, SMPS), wesentlich geringere Verlustleistungen und können auch Spannungen erzeugen, die der Eingangsspannung entsprechen oder höher als diese sind. Im Prinzip sind das Schalter, die den Strom in rascher Folge ein- und ausschalten. Damit entnehmen sie Energieportionen mit hoher Taktfrequenz aus der Eingangsspannungsquelle und legen sie in einem Speicher ab, der sie an den Verbraucher angepasst wieder abgibt. Übliche Taktfrequenzen liegen, je nach Leistung, zwischen 20 und 500 kHz oder, in Spezialfällen, auch noch deutlich darüber. Die Regelung ist auch hier eine Pulsweitenmodulation (PWM), bei der das Verhältnis zwischen Ein- und Auszeit des Schaltgliedes den mittleren Energiefluss bestimmt. Die Pulsweitenmodulation wird in der Regel mit Standard-ICs realisiert, die einen externen Schalttransistor ansteuern oder diesen in den unteren Leistungsklassen integriert haben. 5498-4 LEDs Index.indd 82 21.08.2007 16:11:18 4.2 PWM-Schaltregler als DC-DC-Wandler 83 Als Energiespeicher wird in der Regel eine Induktivität genommen, die im Prinzip ein Stromspeicher ist – im Gegensatz zum Kondensator, der Ladung und somit prinzipiell Spannungen speichert. Theoretisch arbeiten Schaltglied und Tiefpass verlustlos. Ein Schalter hat im eingeschalteten Zustand keinen Widerstand, an dem Verluste entstehen können, und bei geöffnetem Schalter fließt kein Strom, sodass im Idealfall keine Verluste auftreten. Auch bei elektronischen Schaltern (Bipolar-Transistor, MOSFET), die keine idealen Schalter sind, sind die Widerstände im eingeschalteten Zustand so gering, dass die Verluste sehr klein bleiben. Im ausgeschalteten Zustand sind die Widerstände so groß, dass der verbleibende Reststrom zu klein ist, um nennenswerte Verluste zu erzeugen. Die meisten Verluste entstehen hier beim Schalten der Ströme, weil dies eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, in der die Schaltung nicht im Zustand minimaler Verlustleistung ist. Praktisch werden Wirkungsgrade von 70 bis 95 % erreicht. Dies führt zu nur geringer Erwärmung und verbunden damit zu hoher Zuverlässigkeit. Zum anderen führt die hohe Taktfrequenz zu kleiner Bauteilgröße und geringem Gewicht. Daraus resultiert eine hohe Wirtschaftlichkeit in der Herstellung und im Betrieb. In der Praxis muss ein guter Kompromiss zwischen geringer Bauteilgröße, die mit steigender Frequenz abnimmt, und hoher Effizienz, die durch die Schaltverluste mit steigender Frequenz abnimmt, gefunden werden. Die meisten Standardnetzteile halten die Ausgangsspannung konstant, d. h., die abgegebene Leistung wird so geregelt, dass an der Last eine konstante Spannung entsteht. Ändert sich der Leistungsbedarf, ändert sich der Strom, weil die Spannung konstant gehalten wird. Hierzu wird die Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler mit einer Referenzspannung verglichen. Abb. 4.6: Spannungs- und Stromregelung Für LEDs brauchen wir aber einen konstanten Strom. Die abgegebene Leistung muss also über die Spannung geregelt werden. Der Strom durch die Last wird über einen Messwiderstand (Sense Resistor) geleitet, an dem eine vom Strom abhängige Spannung entsteht, die mit einer internen Referenzspannung verglichen wird (Abbildung 4.6). 5498-4 LEDs Index.indd 83 21.08.2007 16:11:18 84 Kapitel 4: Ansteuerung von LEDs Als Regelverfahren unterscheidet man, unabhängig davon, ob der Ausgang eine konstante Ausgangsspannung oder ein konstanter Ausgangsstrom ist, zwischen der »traditionellen« Voltage-Mode-Regelung und der heute üblichen Current-Mode-Regelung. Bei der Voltage-Mode-Regelung steuert das Differenzsignal zwischen Ist- und Sollwert, je nach Vorzeichen, das Tastverhältnis der Schalteransteuerung. Bei zu geringem Istwert wird das Tastverhältnis t1/T größer und bei zu großem Istwert kleiner. Die Regelung über das Tastverhältnis regelt die Spannung über der Induktivität. Diese ändert den Drosselstrom und dann die Ausgangsspannung. Die Regelstrecke hat PT2-Verhalten und die Ausgleichsvorgänge lassen den Ausgang sinusförmig dem stationären Wert zustreben. Bei der Current-Mode-Regelung wird über das Differenzsignal der Wert des maximalen Drosselstroms eingestellt und der Schalter geöffnet, wenn der Drosselstrom diesen Wert erreicht. Bei zu kleinem Istwert bleibt der Schalter länger geschlossen, bei zu großem Istwert wird er früher geöffnet. Dadurch werden der Drosselstrom und damit näherungsweise auch der Ausgangsstrom praktisch verzögerungslos geregelt. Die Regelstrecke besteht nur aus dem Ausgangskondensator und dem Lastwiderstand. Sie hat PT1-Verhalten und die Ausgleichsvorgänge beschreiben eine e-Funktion, mit der der Ausgang dem stationären Wert zustrebt. Der Current-Mode-Regler zeigt damit ein deutlich besseres Regelverhalten, weshalb heute fast ausschließlich diese Regler eingesetzt werden. Die Referenzspannung wird bei Stromreglern möglichst niedrig (z. B. 100 mV) gewählt, um die Verluste im Messwiderstand gering zu halten. Bei 700 mA LED-Strom entsteht so nur eine Verlustleistung von 70 mW im Messwiderstand. Standard-PWMRegler für konstante Ausgangsspannung haben eine Referenzspannung um 1,2 V. Als Stromregler eingesetzt würden sie bei 700 mA bereits eine Verlustleistung von 840 mW im Messwiderstand aufweisen. Sind die Verluste der als Stromregler ausgelegten Standard-ICs bei 1-W-LEDs noch tragbar (ca. 400 mW), so werden für höhere LEDBetriebsströme immer mehr spezielle PWM-Treiber für LEDs eingesetzt. Es gibt verschiedene Schaltreglerarten, die den unterschiedlichen Anwendungsfällen Rechnung tragen. Im Folgenden werden wir uns zuerst die Prinzipschaltungen der wichtigsten Topologien für Sekundär- oder DC-DC-Wandler anschauen und auf ihre Eignung als LED-Treiber untersuchen. Zur Vereinfachung nehmen wir ideale Bauteile ohne Verluste an. 4.2.1 Abwärtswandler – Buck Converter Wie der Name »Abwärtsregler«, englisch Buck Converter, schon ausdrückt, wird mit diesem Regler eine Ausgangsspannung erzeugt, die unter der Eingangsspannung liegt. Diese Schaltung wird etwas sperrig auch Tiefsetzsteller genannt. 5498-4 LEDs Index.indd 84 21.08.2007 16:11:18 4.2 PWM-Schaltregler als DC-DC-Wandler 85 Abb. 4.7: Abwärtsregler Abb. 4.8: Ströme und Spannungen im Abwärtsregler 5498-4 LEDs Index.indd 85 21.08.2007 16:11:18 86 Kapitel 4: Ansteuerung von LEDs Abbildung 4.7 zeigt die vereinfachte schematische Schaltung zur Erklärung der Funktion. Bei geschlossenem Schalter liegt die Eingangsspannung an der Freilaufdiode (UD) und es fließt ein Strom durch Drossel und Last – in unserem Fall die LEDs. Der Stromfluss lädt die Drossel mit Energie auf (IS). Wenn der Schalter öffnet, gibt die Drossel die gespeicherte Energie als Strom durch die Last ab und die Freilaufdiode (IDF) schließt den Stromkreis. Aus den Diagrammen (Abbildung 4.8) ist ersichtlich, dass sich der Ausgangsstrom (Ia) aus dem Strom bei geschlossenem Schalter und dem Erhaltungsstrom bei geöffnetem Schalter ergibt. Wenn der Strom nie Null wird, nennt man das kontinuierlichen Betrieb (continuous mode) bzw. nicht lückender Betrieb. Bei geeigneter Wahl der Drosselinduktivität ist die Welligkeit des Ausgangstroms (ΔI) oder der Ripple gering. Allerdings ist der Eingangsstrom durch das Schalten pulsierend und weist deshalb einen hohen Oberwellengehalt auf. In der praktischen Schaltung sind am Eingang Filtermaßnahmen notwendig, um keine Rückwirkungen auf die Stromquelle zu haben und elektromagnetische Störungen zu vermeiden. Berechnung von L und C Für die Berechnung von L gilt: L= U 1 1 (U e − U a ) • a • ∆I a Ue f mit der Taktfrequenz f = 1 T Zunächst wird ein sinnvoller Wert für ΔIa gewählt. Sehr kleine Werte für ΔIa erfordern unverhältnismäßig große Induktivitätswerte. Wählt man ΔIa sehr groß, so wird der zum Zeitpunkt t1 vom Transistor abzuschaltende Strom sehr groß, was ihn hoch belastet. Übliche Werte liegen zwischen 10 und 30 % des Ausgangsstroms. Ue und Ua sind durch die vorhandene Spannungsquelle und die Flussspannung der zu betreibenden LEDs gegeben. Der Ausgangskondensator Ca kann bei kurzen Verbindungsleitungen zur LED in der Regel entfallen. Sonst wählt man den Ausgangskondensator Ca so, dass die Grenzfrequenz des LC-Tiefpasses um den Faktor 100 bis 1.000 unter der Taktfrequenz liegt. 5498-4 LEDs Index.indd 86 21.08.2007 16:11:19 4.2 PWM-Schaltregler als DC-DC-Wandler Abwärtswandler Beschreibung: Uaus < 0,8 • Uein Ideale Transferfunktion U a t1 = = D (D=Taktverhältnis) Ue T Max. Drainstrom I S(max) = I D(max) = I a + Max. Drainspannung U DS = U e Mittlerer Diodenstrom I DF = I a ( 1 − D ) Diodenspannung ∆I L 2 87 Zum Betrieb von Leistungs-LEDs gut geeignet. Vorteile: • Hohe Effizienz (>90 %) • Geringe Ausgangswelligkeit • Einfache Schaltung geringer Größe • Inhärent kurzschlussfest Nachteile: • Starke Rückwirkung auf Eingangsspannungsquelle durch gepulsten Eingangsstrom • High-side-Treiber notwendig oder High-side-Stromsensor • Mögliche Schädigung der LEDs durch Überspannung bei Ausfall des MOSFET U D = Ue Die leichte Realisierbarkeit von Effizienzen über 90 % macht den Buck-Konverter zur idealen Treiberlösung für Hochleistungs-LEDs oder LED-Ketten, deren Flussspannung geringer als die Eingangsspannung ist. Er liefert mit hoher Effizienz bei niedrigen Kosten über einen weiten Bereich von Eingangs- und LED-Spannungen einen Konstantstrom, der in brauchbaren Grenzen variierbar ist. In der Praxis werden Current-Mode-Regler (peak current controlled buck converter) eingesetzt. Bei konstanter Frequenz wird auf die Stromspitze bei geschlossenem Schalter geregelt: Sobald der maximale Strom erreicht wird, wird der Schalter geöffnet, bis die eingestellte Periodendauer abgelaufen ist. Dadurch ist eine gute Regelung des Stroms über weite Ein- und Ausgangsspannungsbereiche bei gleichzeitiger Kurzschlussfestigkeit möglich. Die Schaltung ist relativ einfach, weil keine Stabilisierung des Regelkreises notwendig ist. Die schnelle Reaktion dieser Regelung lässt auch PWM-Dimmen zu. 5498-4 LEDs Index.indd 87 21.08.2007 16:11:19 88 Kapitel 4: Ansteuerung von LEDs Abb. 4.9: Strommessfehler durch externe Schaltung Allerdings neigt diese Regelung zum Schwingen in einem Frequenzbereich unterhalb der Schaltfrequenz, wenn das Tastverhältnis größer als 50 % wird. Dadurch sinkt der Mittelwert des Stroms, während die Welligkeit steigt. Dies lässt sich mit einer Schaltung, die die Steigung des Stromanstiegs im Strommesswiderstand beeinflusst, verhindern. Der Wandler kann dann dadurch stabilisiert werden, dass die Schaltung bei Schwingungsneigung die Steilheit der Stromflanke erhöht. Dies bewirkt jedoch einen Fehler in der Strommessung, weil das Strommaximum erkannt wird, ehe es wirklich auftritt (Abbildung 4.9). Natürlich könnte man den Strommesswiderstand entsprechend anpassen, würde dadurch aber die guten Regeleigenschaften bei Ein- und Ausgangsspannungsänderungen verschlechtern. Diese Regelung ist also ungeeignet, wenn die Eingangsspannung weniger als doppelt so groß wie die Ausgangsspannung ist. Dieses Problem kann man umgehen, wenn die Schaltung nicht auf eine konstante Frequenz, sondern auf eine konstante Auszeit eingestellt wird. Hierbei ist die Auszeit durch das Schaltungsdesign festgelegt. Die Einzeit ist vom Spannungsabfall am Strommesswiderstand, die Periodendauer 1/f von der festen Auszeit plus der variablen Einzeit abhängig. Diese Änderung erlaubt es, den Wandler mit Tastverhältnissen über 50 % zu betreiben – unter Beibehaltung aller Vorteile der Regelung auf die Stromspitze. 5498-4 LEDs Index.indd 88 21.08.2007 16:11:19 Stichwortverzeichnis A Abwärtswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 AC-DC-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Aktive Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Anode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 ANSI C82.77 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Aufwärtswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Ausgangskapazität . . . . . . . . . . . . . . . . 136 B Bändermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Beleuchtungsstärke Eυ . . . . . . . . . . . . . 23 Betriebsgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18, 19 Binning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Binningstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Boost Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Buck-Boost-Buck-Converter . . . . . . . 110 Buck-Boost Converter. . . . . . . . . . . . . . 95 Buck Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 C CCFL – Cold Cathode Flouroscent Lamp 10 Charge Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Chiplevel Conversion . . . . . . . . . . . . . . 56 CIE-Farbnormtafel . . . . . . . . . . . . . . . . 25 CISPR 25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Cold Crank. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Color on Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Commission Internationale de l'Eclairage 25 5498-4 LEDs Index.indd 239 continuous mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Ćuk-Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 D Deutsches Institut für Normung . . . . 121 DIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 DIN EN 60968 »Lampen mit eingebautem Vorschaltgerät für Allgemeinbeleuchtung – Sicherheitsanforderungen« . . . . . . . 122 DIN EN 61347-2-13 »Geräte für Lampen – Teil 2-13: Besondere Anforderungen an gleichoder wechselstromversorgte elektronische Betriebsgeräte für LED-Module« . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 DIN EN 62384 »Gleich- oder wechselstromversorgte Betriebsgeräte für LED-Module – Anforderungen an die Arbeitsweise« . . . . . . . . . . . . . . . 122 DIN IEC 62031 »LED-Module für Allgemeinbeleuchtung – Sicherheitsanforderungen« . . . . . . . 121 Dominante Wellenlänge . . . . . . . . . . . . 26 Dotieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Drain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Drain-Source-Kapazitäten . . . . . . . . . 135 Drosseln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 dunkeladaptiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Durchlassspannung . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Dynamischer Widerstand . . . . . . . . . . . 47 21.08.2007 16:12:03 240 Stichwortverzeichnis E Eingangskapazität . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Elektrolumineszenz . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Elektrolytkondensatoren. . . . . . . . . . . 138 Elektromagnetische Interferenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Elektromagnetische Störungen . . . . . 139 Elektromagnetische Verträglichkeit . . . . . . . . . . . . . 120, 139 Elektromagnetische Wellen . . . . . . 15, 16 Elektronenvolt (eV). . . . . . . . . . . . . . . . 19 Emissionstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 EMV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120, 139 EN61000-3-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Energieniveau des Elektrons . . . . . . . . . 19 Energiequant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Entladungslampen . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Externer Wärmewiderstand . . . . . . . . . 60 F Farbtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Farbwiedergabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Farbwiedergabeindex Ra. . . . . . . . . . . . 29 FIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 FIT-Wert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Fluoreszenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Flyback Converter . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Folienkondensatoren. . . . . . . . . . . . . . 138 Fotoeffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Fotoelektronen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Fotometrische Einheiten . . . . . . . . . . . . 22 FPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 FR4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Funkstörstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . 139 G Gate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Gate-Drain-Kapazitäten . . . . . . . . . . . 135 Gate-Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Gate-Source-Kapazitäten . . . . . . . . . . 135 Gegentakt-Störströme. . . . . . . . . . . . . 139 geometrischen Optik. . . . . . . . . . . . . . . 17 5498-4 LEDs Index.indd 240 Geometrische Optik . . . . . . . . . . . . . . . 19 Geräte- und Produktsicherheitsgesetz (GPSG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Gleichtakt-Störströme . . . . . . . . . . . . 139 H Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Halogenglühlampe . . . . . . . . . . . . . . . . 32 HB-LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Heatpipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 helladaptiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 High-Side-Schalter . . . . . . . . . . . . . . . 134 Hochsetzstellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 I IEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 IEC 60598-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Induktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Interferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18, 19 International Electrotechnical Commission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Interner Wärmewiderstand . . . . . . . . . 60 Invertierender Wandler . . . . . . . . . . . . . 95 J Jumpstart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Junction-Temperatur TJ . . . . . . . . . . . . 46 K Kathode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Keramikkondensatoren . . . . . . . . . . . . 138 Komplementärfarben . . . . . . . . . . . . . . 26 Konstantstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Kontinuierlicher Betrieb . . . . . . . . . . . . 86 Konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Korpuskeltheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 L Ladungspumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 21.08.2007 16:12:03 Stichwortverzeichnis Lampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 LED-Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57, 121 Leistungs-MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . 133 Leistungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Leistungsfaktor-Vorregler . . . . . . . . . . 105 Leitungsgebundene Störungen. . . . . . 139 Leuchtdichte Lv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Leuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Leuchtstofflampen. . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Lichtausbeute (Effizienz) . . . . . . . . . . . 24 Lichtfarbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Lichtgeschwindigkeit c . . . . . . . . . . . . . 16 Lichtquant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Lichtstärke Iv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Lichtstrom Φv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Linearregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Load Dump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Logic-Level-MOSFET . . . . . . . . . . . . . 134 Low-Side-Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Lumineszenz . . . . . . . . . . . . . . . 18, 19, 20 Lumineszenzstrahler . . . . . . . . . . . . 29, 32 M Magnetische Verluste. . . . . . . . . . . . . . 128 MCPCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Metal Core Printed Circuit Board . . . . 64 metamer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Miller Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . 136 Moderne Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 monochromatisch . . . . . . . . . . . . . . 17, 26 Mooresches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . 10 MTBF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 N n-dotiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 n-Gebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Natriumdampflampen . . . . . . . . . . . . . 33 Neutralweiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Nicht lückender Betrieb . . . . . . . . . . . . 86 Niederspannungs-Richtlinie 73/23/EWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5498-4 LEDs Index.indd 241 241 O Oberflächenemitter . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Oberflächenkonversion . . . . . . . . . . . . . 56 Ondulationstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Optik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 P p-dotiert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 p-Gebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 p-n-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Passive Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Pastellfarben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 peak current controlled buck converter . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Photonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 PI-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Piezoeffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Planckkurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18, 19 Power Factor Correction. . . . . . . . . . . 105 ProduktsicherheitsRichtlinie 2001/95/EG . . . . . . . . . . . 120 Pulsweitenmodulation (PWM) . . . . . . 52 Purpurlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 PWM-Dimmen . . . . . . . . . . . . . . . 52, 144 Q Quanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Quantenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Quantenoptik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Quantensprung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Quantentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 R Rekombination . . . . . . . . . . . . . . . . 20, 21 Reverse Recovery Time . . . . . . . . . . . . 131 Richtlinie 89/336/EWG . . . . . . . . . . . . 120 Ripple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Rückwärtserholstrom . . . . . . . . . . . . . 131 Rückwirkungskapazität . . . . . . . . . . . 136 21.08.2007 16:12:03 242 Stichwortverzeichnis S U SAE J1113 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Sättigungsstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 saturation current . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Schaltfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Schaltverluste . . . . . . . . . . . . . . . . 133, 136 Schottky-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 SELV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Sepic-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Skin-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Störströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Spannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Spannungstransienten . . . . . . . . . . . . 135 Spektralfarblinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Sperrwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Strahlungsfluss @e. . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Streukapazität . . . . . . . . . . . . . . . 128, 129 Strom-Spannungskennlinien . . . . . . . . 45 Stromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Stromregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 UHB-LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9, 10 V Valenzelektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Verarmungszone . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Verpolschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Verpolschutzdiode . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Volumenemitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Volumenkonversion (Volume Conversion) . . . . . . . . . . . . 56 W Wärmewiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Warmweiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Weißes Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Weißpunkt E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Wellenlänge λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Wellenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Wellentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Welligkeit des Ausgangstroms . . . . . . . 86 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 T Tageslichtweiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Tastverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Temperaturanstiegsstrom . . . . . . . . . . 128 temperature rise current . . . . . . . . . . . 128 Temperaturstrahler . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Thermische Strahler . . . . . . . . . . . . . . . 31 Thermische Strahlungsquellen. . . . . . . 29 Thermische Vias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Thermo-Management. . . . . . . . . . . . . . 57 Tiefsetzsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5498-4 LEDs Index.indd 242 X X7R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Xenon-Hochdrucklampen . . . . . . . . . . 34 Y Y5V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 21.08.2007 16:12:03 24.08.2007 12:30 Uhr Seite 1 FRANZIS FRANZIS FRANZIS ELEKTRONIK ELEKTRONIK ELEKTRONIK Johannes Krückeberg Johannes Krückeberg LEDs in der Praxis Hochleistungs in der Praxis LEDs Immer leistungsfähigere LEDs dringen in neue Anwendungsbereiche vor und revolutionieren in vielen Einsatzbereichen die Beleuchtungstechnik. Dies geschieht ähnlich wie vor gut 100 Jahren, als das damals neuartige elektrische Glühlampenlicht die Beleuchtung mit Gas oder Petroleum ablöste und gänzlich neue Anwendungen erschlossen wurden. Der Einsatz von Leistungs-LEDs ist nicht so trivial wie es auf den ersten Blick scheint. Es bedeutet technologisch einen gewaltigen Schritt von der Elektrik zur Elektronik. Diese Entwicklung bringt viele Fragen mit sich, welche dieses Buch beantworten soll. Im Besonderen wird auf die Betriebsanforderungen und das Thermomanagement von LED–Beleuchtungen eingegangen. Hochleistungs Hochleistungs LEDs in der Praxis Aus dem Inhalt: 씰 씰 씰 씰 씰 LED-Grundlagen Ansteuerschaltungen LEDs in der allgemeinen Beleuchtungstechnik Grundlagen • Ansteuerung • Allgemeine Beleuchtung mit LEDs • LEDs im Automobil • Besuchen Sie uns im Internet: www.franzis.de ISBN 978-3-7723-5498-4 LEDs im Automobil Thermomanagement Euro 39,95 [D] Krückeberg Ko m Fa ple rb tt e in 5498-X U1+U4
