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Ersatz konventioneller Lichtquellen durch LED
- Jun 08, 2013 -


Die neueste LED-Technologie erschließt weite Bereiche für neue Anwendungen, neue technische Möglichkeiten und reduzierte Kosten. Die Hauptvorteile der modernen LED-Lichtquellen sind:

  • Die Lebensdauer einer LED erreicht oder überschreitet häufig die Lebensdauer der Anwendung und es sind oft keine speziellen Änderungen notwendig. Wenn man das Ausfallkriterium als Lebensende definiert, wenn die Lichtintensität einer LED 50% der anfänglichen Lichtintensität erreicht hat, kann man je nach Modell numerische Lebensdauern über 100.000 Stunden für LED-Chips auf GaAs-Basis berechnen. Bei GaN - basierten Chips (blau, echt grün, weiß) hängt die Lebensdauer stark von der Verpackungstechnologie ab und kann im Bereich zwischen 7000 Stunden und 100000 Stunden liegen.

  • Bei farbigem Licht liegt der Stromverbrauch unter dem Stromverbrauch von Weißlichtquellen mit Filterglas (siehe Tabelle unten). Weiße LEDs können jetzt das Niveau fluoreszierender Triphosphorröhren erreichen und Standard-weiße LEDs zeigen eine bessere Effizienz als Glühlampen oder Halogenlampen.

  • Die Strahlungsintensität einer LED ist im gesamten Bereich steuerbar, ohne dass sich die Lichteigenschaften (z. B. Dimmen von Glühlampen führt zu einer Verschiebung der Farbtemperatur) und jeglicher Zeitverlust (Schaltzeit von LEDs für allgemeine Beleuchtung <1 μs)=""> Die PWM (Pulsweitenmodulation) ist die empfohlene Methode zum Dimmen von LEDs. Dimmen durch reduzierten Gleichstrom kann zu einem inhomogenen Erscheinungsbild von LED-Arrays führen.

  • Im Vergleich zu den hocheffizienten Lichtquellen von Leuchtstoffröhren, Kompaktlampen und Metallhalogenid-Hochdrucklampen ist die Schaltzeit von LEDs sehr kurz. Dies spielt insbesondere für Anwendungen wie Scheinwerfer und Bremsleuchten in Automobil- und Verkehrsanwendungen eine wichtige Rolle.

  • LEDs bieten eine ausgezeichnete Stabilität für mechanische und thermische Beanspruchung. Die Zuverlässigkeit einer LED wird durch die unterschiedlichen Ausfallmechanismen, den spontanen Totalausfall der LED und die reduzierte Lichtintensität der LED beschrieben. Um die Zuverlässigkeit eines LED-Arrays zu berechnen, sollten die Daten für einen spontanen Ausfall verwendet werden. Sie sollten innerhalb der ersten Betriebsstunde einschließlich Lötprozesse im Bereich von 10 ppm / h und nach den ersten Betriebsstunden unter 0,1 ppm liegen.

  • Die Lichtqualität von Glühlampen ist hervorragend (CRI 100%). Weiße LEDs liefern Farbwiedergabeindizes zwischen 70% und 85%, besser für Tageslicht (6000 K) als für warmweiße (2900 K) LEDs.

In der folgenden Tabelle sind die Eigenschaften verschiedener Lichtquellen aufgeführt, einschließlich der Betriebskosten:

Art

Leistung

Lichtstrom init, durchschn

Effizienz

Farbwiedergabeindex Verhältnis

CCT (Farbtemperatur)

Lebenszeit

Kosten für 1 lm / h


[W]

[lm]

[lm / W]

[%]

[K]

[h]

[?]

Glühlampen

60

865

14.4

100

2790

1000

69

Wolfram Halogen

50

590

11.8

100

2700-4000

2000

85

Fluoreszierender Triphosphor

32

2850

84

78

4100

24000

12

Kompaktleuchtstofflampen

15

900

51

82

6000-2700

10000

20

Niederdruck-Natrium

90

12750

123

44

n / a

16000

8

Hochdruck-Quecksilber

250

11200

34

50

3900

24000

29

Metallhalogenid

400

36000

60

65

4000

20000

17

Induktion gekoppelt Fluoreszierend

55

3500

64

80

3000

100000

15

LED Weiß (High End)

1

70

70

85

6000

50000

14

LED Weiß (Standard)

1

40

40

85

6000

50000

25

LED warmes Weiß

1

20

20

75

2900

50000

50

LED Bernstein

1

50

50

n / a

n / a

100000

20

LED rot

1

40

40

n / a

n / a

100000

25


Die Berechnung basiert auf einem Preis von 0,1 € / kWh. Diese LED-Daten stammen aus verschiedenen Datenblättern von Top-Lieferanten. Aufgrund der vielfältigen Anwendungen müssen die Wartungs- und Betriebskosten für die jeweilige Anwendung berechnet werden. Der Verlust von Stromversorgungen wurde nicht berücksichtigt. Ein wichtiger Aspekt bei der Anwendung von LEDs als Lichtquellen ist die Beherrschung von thermischen Verlusten. Dieses Problem ist neu für LED-Anwendungen, frühere typische Slogans sind: "LEDs sind kostengünstig, haben geringe Wärmeentwicklung und niedrige Ausfallraten". Die LED-Hersteller lösten das Problem des thermischen Widerstandes zwischen dem LED-Chip und dem Anschlusspad mit verschiedenen Lösungen wie Metallkern-Leiterplatten, speziell entworfenen Leadframes, auf Basis von Lösungen und Keramik-basierten Gehäusen.

Eine gute Lösung kann einen Wärmewiderstand zwischen dem p / n-Übergang und Lötstellen unter 20 K / W bereitstellen. Die überschüssige Wärme kann durch verschiedene passive und aktive Wege abgeführt werden. Die Metallkern-PCB oder flexible PCB, die üblicherweise direkt auf einem Kühlkörper oder Luftventilator oder in speziellen Fällen auf Wasserkühlung montiert sind, wird verwendet, um die P / N-Sperrschichttemperatur unterhalb der kritischen Grenze zu halten. Außerdem sollte beachtet werden, dass die Strahlungsintensität einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Als Beispiel haben rote LEDs eine TC im Bereich von -0,5% / ° C und eine Erhöhung der p / n-Sperrschichttemperatur von Raumtemperatur (20 ° C) auf bis zu 85 ° C reduziert die Strahlungsintensität um 32,5%. .

Das Bild zeigt eine Lösung für das Wärmemanagement einer warmweißen LED-Quelle für eine Straßenlampe. Die warmweißen LED-Module für diese Straßenlampe wurden von der OSA Opto Light GmbH, Deutschland, entwickelt.

  1. 1.In diesem Fall wurde eine LED mit einem Wärmewiderstand von weniger als 10 K / W auf einer Metallkern-PCB montiert. Die Schaltung beinhaltet auch einen intelligenten Temperaturschutz. Die Metallkern-Leiterplatte wird direkt auf ein passives Kühlsystem und auf das Metallgehäuse der Lampe selbst montiert. Im Betrieb liefert dieses System im Gleichgewicht einen Temperaturgradienten zwischen dem p / n-Übergang und dem Metalllampengehäuse unter 50ºC.

  2. 1. Bei einem direkten Ersatz einer vorhandenen Lichtquelle durch eine LED-Lichtquelle müssen einige Aspekte sorgfältig berücksichtigt werden, einschließlich ..

  3. Das Wärmemanagement einer Glühfaden- oder Wolfram-Halogenlampe ist darauf ausgelegt, dass die Wärmestrahlung die Wärme aus der Lampe abführt. Somit ist die Wärmeleitfähigkeit der Steckdose sehr gering. Ein Austausch muss sicherstellen, dass die LED vor hohen Temperaturen geschützt ist.

  4. Die Stromversorgungen der meisten herkömmlichen Lampen sind Konstantspannungsquellen, die typischerweise zwischen 6 V / 12 V und 220 V liegen. LEDs benötigen Konstantstromquellen und haben eine Durchlassspannung zwischen 1,5 V (IRED) und 4 V Stromversorgung. Ein sehr gebräuchlicher Weg ist ein Strombegrenzungswiderstand oder eine Konstantstromquelle mit Bipolartransistor. Der Stromverbrauch am Widerstand bestimmt den gesamten Stromverbrauch und nicht die LED selbst. Bei einem 24 V-System beträgt der Stromverbrauch eines roten LED-Schildes (UF = 2 V, I = 30 mA, P = 60 mW) 720 mW. Modernste Power-Step-Down-Konverter sind eine Möglichkeit, dieses (auch thermische) Problem zu lösen.

  5. Herkömmliche Weißlichtquellen werden für farbige Schilder und Anzeigen in Kombination mit einem Filterglas verwendet. Oft ist der Phantom-Effekt des Filterglases erwünscht. Der Austausch sollte die Absorption des LED-emittierten Lichts sorgfältig berücksichtigen.

  6. Herkömmliche Lichtquellen werden mit hochwertigen weißen, blauen und grünen LED-Chips verglichen, die gegenüber ESD / kurzen hohen Spannungen unempfindlich sind. Die gesamte Einheit (oft die LED selbst) muss einen ausreichenden Schutz bieten.

  7. Besonders gelbe und 565 - 570 nm grüne LEDs zeigen eine sichtbare Verschiebung der dominanten Wellenlänge über den gewünschten Temperaturbereich. Eine einfache, aber teure Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, eine weiße LED mit einem Farbfilter zu kombinieren.

Unter Berücksichtigung aller oben genannten Aspekte ist der direkte Ersatz konventioneller Lampen eine interessante Möglichkeit, die Zuverlässigkeit von Systemen zu erhöhen und die tatsächlichen Betriebskosten zu senken. Die modernen LEDs zeigen klare Vorteile für alle Anwendungen, bei denen farbige Lichtquellen notwendig sind. In naher Zukunft werden wir weiße LED-Lichtquellen mit weiteren Kostenvorteilen und erhöhter externer Effizienz sehen, die wiederum deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lichtquellen aufweisen werden.