Beleuchtungstechnik

High-Brightness-LEDs (HBLED)

Die neue LED-Generation HBLED eignet sich für Beleuchtungsanwendungen mit hohem Leuchtstärkebedarf, z. B. im Innen- und Außenbereich, für Gebäudebeleuchtungen, Projektoren, Display-Hintergrundbeleuchtungen, Werbe- und Hinweisschilder sowie Automobiltechnik. Wie der Name vermuten lässt, haben diese LEDs eine deutlich stärkere Leuchtkraft als Standard-LEDs. Eines der Hauptargumente für HBLEDs ist ihr im Vergleich zu anderen Leuchtmitteln höherer Wirkungsgrad. Es lohnt sich, das Lumen-pro-Watt-Verhältnis mit dem anderer Leuchtmittel zu vergleichen.4

Von einer HBLED-Lampe wird ab einer Leuchtkraft von mehr als 50 Lumen (1 Candela = 12,75 Lumen) gesprochen. HBLEDs dürfen nicht mit Hochleistungs-LEDs verwechselt werden. Obwohl sie möglicherweise ein und dasselbe sind, bezieht sich der Hochleistungsaspekt auf den Stromverbrauch und nicht auf die Leuchtkraft. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass eine Hochleistungs-LED mehr als 1 Watt aufnimmt.

HBLED sind umweltfreundlich, stromsparend und langlebiger als durchschnittliche Kompakt-Leuchtstofflampen und Glühlampen. Zu den weiteren Vorteilen von HBLEDs gegenüber normalen LEDs zählen überlegene Leuchtkraft, längere Lebensdauer, niedrige Kosten und RoHS-konforme Herstellung. Präzisionsoptik, zahlreiche Bauformen, Leuchtstärken und Farbtemperaturen machen HBLED ideal für Industrie, Gewerbe, Fertigung, Sporthallen und andere Anwendungen, in denen bislang herkömmliche Hochdruckentladungsleuchten und reihengeschaltete Leuchtstofflampen im Einsatz sind.

HBLEDs erfordern einen wesentlich höheren Durchlassstrom (350 mA), mehr als ein Mikrocontroller-E/A bereitstellen kann. Eine Lösung besteht darin, die LED direkt an die Hauptstromversorgung anzuschließen und zur Helligkeitsanpassung einen MOSFET mit der LED in Reihe zu schalten. Es ist auch möglich, mit Digital-Signalcontrollern mit mehreren Möglichkeiten zur Einstellung von HBLEDs zu arbeiten. Zum Beispiel mit einem Hochgeschwindigkeits-Analog/Digital-Wandler (ADC) mit 10 Bit Auflösung und bis zu 4 Millionen Abtastungen pro Sekunde, mit einer flexiblen Pulsbreitenmodulation, mit einem Hochgeschwindigkeits-Analogkomparator mit 20 Nanosekunden Reaktionszeit oder einem flexiblen Taktschema mit 40 Millionen Instruktionen pro Sekunde (MIPS).

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Leuchtmittel

Künstliche Beleuchtung ist stets ein System, das Komponenten wie Leuchtmittel, Vorschaltgeräte, Starter, Leuchten und Bedienelemente enthalten kann. Vorschaltgeräte ermöglichen als Bestandteil von Gasentladungslampen den Anschluss des Leuchtmittels an das Stromnetz. Leuchtmittel, Vorschaltgeräte und Starter sind Teil der Leuchte mit Blendschutz, Kabeln, Lampensockeln und Reflektoren, die das vom Leuchtmittel abgestrahlte Licht verteilen und umlenken. Vorschaltgeräte sorgen dafür, dass das Leuchtmittel kontrolliert mit Strom versorgt wird. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil jedes Entladebeleuchtungssystems. Elektronische Vorschaltgeräte nach den CELMA Energieeffizienzklassen A1 und A2 bergen das größte Stromsparpotenzial.

Die folgenden Merkmale sind bei der Lampenauswahl zu berücksichtigen: Lichtausbeute, Leuchtmittellebensdauer, Lichtqualität, Auswirkung von Umgebungsbedingungen, Leuchte, Anschaffungs- und Betriebskosten.

Die verfügbaren Leuchten sind Glühlampen, Wolfram-Halogenlampen, Leuchtstofflampen, Kompakt-Leuchtstofflampen, Hochdruckentladungslampen, Quecksilberdampflampen, Halogen-Metalldampflampen, Natriumdampf-Hochdrucklampen und elektrodenlose Lampen. Jeder dieser Lampentypen hat sich im Laufe der letzten 100 Jahre kontinuierlich verbessert, was Material, Design, Lichtqualität, Energieeffizienz und Fertigungseffizienz angeht.

Glühbirnen (auch als Allgebrauchsleuchtmittel bezeichnet) leuchten, weil Strom durch einen Wolframdraht fließt. Die Farbtemperatur von Wolframglühfäden in Glühlampen beträgt ca. 2700 Kelvin. Das bedeutet, dass der Großteil des Lichts im Infrarotbereich abgegeben wird.

Wolfram-Halogenlampen sind eine Seitenentwicklung der Glühlampen. Im Glaskolben begrenzt Halogengas die Verdampfung des Glühfadens. Das verdampfte Wolfram wird durch den so genannten Halogenzyklus wieder in den Glühfaden eingebaut.

Eine Leuchtstofflampe ist eine Niederdruck-Gasentladungslichtquelle, in der Licht hauptsächlich durch eine fluoreszierende Pulverbeschichtung erzeugt wird. Diese wiederum wird durch von Quecksilberdampf erzeugte UV-Strahlung aktiviert. Die Leistung einer Leuchtstofflampe hängt stark von der Umgebungstemperatur ab.

Die Kompakt-Leuchtstofflampe ist eine kompakte Variante der Leuchtstofflampe. Sie ist kürzer, und die Entladungsröhre kann zu zwei bis sechs Fingern oder einer Spirale gegossen sein. Damit direkt von Wolfram-Glühlampen umgestellt werden kann, werden Kompakt-Leuchtstofflampen mit internen Vorschaltgerät und Schraub- oder Bajonettverschlüssen gebaut.

In der Quecksilberdampflampe fließt Strom durch Quecksilberdampf und bringt diesen zum Leuchten. Kommt es in Quecksilberdampf bei einem Druck von ca. 2 bar zu einer Lichtbogenentladung, werden fünf kräftige Spektrallinien mit den sichtbaren Wellenlängen 404,7 nm, 435,8 nm, 546,1 nm, 577 nm und 579 nm abgestrahlt.

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LED-Treiber

LEDs erobern mit modernen, hocheffizienten Halbleiterwerkstoffen und Bauweisen die Beleuchtungstechnik. Halbleiterlichtquellen eröffnen Endanwendern neue Möglichkeiten und Vorteile. Die qualitativen und quantitativen Aspekte lassen sich mit geeigneten Treibern, Steuerungsstrategien und LEDs ganz nach Wunsch gestalten. LED-Treiber sind Niederspannungsteile, die die Netzspannung (120/220/277 V) auf die für die LEDs erforderliche niedrige Spannung heruntertransformieren, und möglicherweise auch Steuersignale zum Dimmen der LED interpretieren. LED-Treiber können Konstantstromquellen oder Konstantspannungsquellen sein. Diese beiden Treiberarten sind NICHT untereinander austauschbar. Welcher Treiber der richtige ist, hängt von der LED-Last ab. LED-Leuchtmittel wie auch LED-Beleuchtungsarmaturen erfordern LED-Treiber.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Helligkeit einer LED zu verändern. Bei analoger Dimmung wird die Helligkeit durch Anpassung des LED-Durchlassstroms verändert. Bei digitaler Dimmung wird der Durchlassstrom kurzzeitig immer wieder ein- und ausgeschaltet. Das menschliche Auge mittelt diese Ein- und Aus-Phasen und nimmt sie als Licht in einer bestimmten Helligkeit wahr.

Am billigsten und einfachsten lassen sich LEDs mit einer Konstantspannungsquelle und einem Widerstand versorgen. Dies beiden Komponenten begrenzen in Reihe geschaltet die Stromzufuhr genau auf das erforderliche Maß. Welcher Widerstand der richtige ist, hängt von der Stärke der Spannungsquelle (VIN), von der Durchlassspannung der LED und vom Durchlassstrom der LED ab.

Linearnetzteile versorgen LEDS kostengünstig, einfach und zuverlässig mit Strom. Herzstück eines Linearnetzteils ist entweder ein Linearregler mit integriertem Schaltkreis oder eine Reihe von bipolaren Feldeffekttransistoren, die im linearen Bereich arbeiten. Lineare Netzteile haben mehrere markante Schwächen. Weil Schaltnetzteile hier weiter sind, stellen sie heute die wichtigste Lösung für die LED-Stromversorgung dar. Da LEDs DC-Komponenten sind, kommen nur DC/DC- und AC/DC-Schaltnetzteile in Frage. Ihre Hauptvorteile gegenüber Linearnetzteilen sind die gute Effizienz und Ansteuerung, die kleinen Baumaße und das niedrige Gewicht. Ein Schaltnetzteil kann – falls erforderlich – die LED bei sehr niedriger Spannung mit starken Strömen (z. B. mehr als 30 A) versorgen.

Die Auswahl der am besten geeigneten Topologie für die Versorgung von LEDs hängt von den Standards, Spezifikationen und Anwendungsanforderungen (z. B. Betriebsbedingungen, Systemeingangsspannung, LED-Durchlassspannung, Anzahl der LEDs, Stromkreisarray) ab.

In intelligenten Treibern schalten in der Regel Mikrocontroller anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs). Die Mikrocontroller sind mit programmierbarem Flash-Speicher (EEPROMs), mehreren im Chip integrierten Impulsbreitenmodulation (PWM)-Controllern, A/D-Wandlern und mehreren D/A-Wandler-Kanälen ausgestattet. LED-Treiber mit Mikrocontroller machen das System darüber hinaus einsatzflexibel, effizient, zuverlässig, gut ansteuerbar und intelligent.

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LED-Leisten und -Streifen

Ein LED-Lichtstreifen ist eine mit LEDs bestückte biegsame Leiterplatte. Der Streifen lässt sich fast überall anbringen und leuchtet kraftvoll in unterschiedlichsten Farben und Helligkeitsstufen. Biegsame LED-Lichtstreifen sind weltweit immer öfter Teil moderner Beleuchtungsdesigns. Architekten und Beleuchtungsdesigner bauen sie in Wohn-, Gewerbe- und Industriebauten ein. Zu den Gründen für den vermehrten Einsatz zählen der hohe Wirkungsgrad, die vielen Farboptionen und Helligkeitsstufen sowie die einfache Montage. LED-Lichtstreifen (auch als LED-Leuchtbänder oder LED-Leuchtkabel bekannt) sind in unterschiedlichsten Ausführungen erhältlich, z. B. als DC LED-Flexstreifen, AC LED-Flexstreifen und Hochleistungs-LED-Streifen.

LED-Flexstreifen sind enorm leuchtstark und eignen sich als Hintergrundbeleuchtung, für den Arbeitsplatz, den Schreibtisch oder die Garage. Auch in Akzentbeleuchtungen und Beleuchtungen von Unterschränken, Bars und Kühlschränken sowie in industriellen Anwendungen und der Fotografie werden sie gerne eingesetzt. Es sind auch Lichtstreifen mit wechselnden Lichtfarben (RGB-Streifen) erhältlich. Diese LED-Leuchtmittel können jeden Mischton aus den Grundfarben Rot, Grün und Blau erzeugen. Um wechselnd blinkende Farben zu erzeugen oder eine Farbe beizubehalten, ist ein Steuergerät erforderlich.

Beim Kauf von LED-Streifen ist nicht nur die Länge des Streifens wichtig, sondern auch die LED-Dichte. Im Idealfall fällt die Wahl auf den Lichtstreifen mit den meisten LEDs pro Meter. Achten Sie neben der LED-Anzahl pro Längeneinheit auch auf den Lumen-Wert pro Längeneinheit. Diese Kennwerte sind entscheidend in puncto Lichtqualität und Lichtart. Wenn Sie auf Netzteilsuche sind, müssen Sie wissen, wie viel Eingangsspannung Ihr LED-Streifen benötigt. Wechselstrom, Gleichstrom, 12 V, 24 V ... um das passende Netzteil zu finden, müssen Sie wissen, was Ihr Lichtstreifen braucht. Wichtig ist außerdem, dass die Leistungsaufnahme des Netzteils mindestens 10% höher ist als die Leistungsaufnahme des LED-Streifens.

LED-Lichtstreifen werden als Rollenware mit 5 Metern Länge verkauft. Die Maschinen, die die Streifen mit LEDs und Widerständen bestücken, sind in der Regel 96,5 cm lang. So ergeben die einzelnen Abschnitte zusammengelötet eine vollständige Rolle.

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LEDs (Leuchtdiode)

Eine Leuchtdiode (LED) ist ein Halbleiterteil, das sichtbares Licht ausstrahlt, wenn es von elektrischem Strom durchflossen wird. Das Licht ist nicht besonders hell. In den meisten LEDs ist es monochrom, hat also nur eine einzige Wellenlänge.

Die Leuchtfarbe hängt davon ab, welches Material im LED-Halbleiterelement verwendet wurde. Die zwei LED-Hauptarten, die derzeit für Beleuchtungssysteme verwendet werden, enthalten entweder eine Legierung mit den Bestandteilen Aluminium, Gallium und Indiumphosphid (AlGaInP oder AlInGaP – Leuchtfarben Rot, Orange und Gelb) oder Indiumnitrid und Galliumnitrid (InGaN – Leuchtfarben Grün, Blau, Weiß). Durch leichte Veränderungen in der Zusammensetzung dieser Legierungen ergeben sich Änderungen der Lichtfarbe. LED-Licht kann Wellenlängen von ca. 700 Nanometer (Rot) bis ca. 400 Nanometer (Blauviolett) haben. Einige LEDs emittieren Infrarotenergie (IR, 830 Nanometer oder länger); ein entsprechendes Gerät wird als Infrarot-Leuchtdiode (IRED) bezeichnet.

Im Vergleich zu den meisten typischen Lichtquellen, in Beleuchtungsanwendungen geben LEDs immer noch relativ wenig Licht ab. Deshalb werden sie weiterhin in Arrays und anderen Konfigurationen zusammengesetzt, die für die jeweilige Anwendung am besten sind. Inzwischen haben einzelne Weißlicht-LED-Pakete fast 100 Lumen erreicht. Die Leuchtkraft hängt natürlich von der Wellenlänge ab. LEDs sind wichtig, weil sie aufgrund ihrer Effizienz und ihres niedrigen Stromverbrauchs damit beginnen, die meisten konventionellen Lichtquellen zu verdrängen. LEDs finden sich in Lampen und Armaturen allgemeiner Beleuchtungslösungen. Sie ermöglichen aufgrund ihrer Kleinmaßigkeit ganz besondere Gestaltungsmöglichkeiten. Einige Glühbirnenlösungen mit LED-Technik kommen der vertrauten Glühbirne rein äußerlich sehr nahe.

LEDs bieten eine hervorragende Grundlage für innovative Beleuchtungsformfaktoren und haben einen breiteren Anwendungsbereich als herkömmliche Beleuchtungstechniken. Kühlkörper nehmen die von der LED erzeugte Wärme auf und geben sie nach außen ab. So sind LEDs vor Überhitzung geschützt und brennen nicht aus. Das Wärmemanagement ist in der Regel der wichtigste Faktor einer dauerhaft verlässlichen LED. Je stärker sich die LEDs erwärmen, desto schneller wird das Licht schwächer und desto kürzer ist die Lebensdauer.

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