Verschiebung des Farbspektrums der LED

Bei den Phosphor- und Silikon-Umhüllungen von LEDs können störende Verfärbungen auftreten. Grund sind häufig inkompatible flüchtige organische Verbindungen. Abhilfe schaffen einfache Tests bei denen Entwickler feststellen, mit welchen Substanzen sich eine Leuchtdiode verträgt.


Die meisten LED-Leuchten sind mit Leuchtdioden ausgestattet, die blaues Licht abgeben. Der LED-Chip ist mit einer gelben Phosphor- und Silikon-Umhüllung umgeben. Sie wandelt das blaue Licht in weißes um. Hinzu kommt in vielen Fällen eine Silikon-Linse, welche die Konstruktion überdeckt. Die speziellen Silikon-Polymere, die dabei zum Einsatz kommen, haben folgende Vorteile:

1. eine hohe Lichtdurchlässigkeit,

2. eine hohe Stabilität über einen großen Temperaturbereich hinweg,

3. eine hohe Resistenz gegenüber Gelbverfärbung unter dem Einfluss von ultraviolettem Licht

4. eine gute Formbarkeit.

 

 

Das Problem mit dem Gelbstich bei einer LED

Allerdings können flüchtige organische Verbindungen, sogenannte Volatile Organic Compounds, VOC, in einem Beleuchtungssystem mit LEDs in die gasdurchlässige Silikonlinse und die Hülle einer LED austreten. In der Molekülstruktur dieser Materialien lagern sich diese Verbindungen an freien Stellen der Silikon-Polymere ab. Das kann unerwünschte Folgen haben: Die hohe Photonen-Energie der LED in Verbindung mit der Wärmeentwicklung im Beleuchtungssystem und der Umgebung führen unter Umständen zu einer Verfärbung der flüchtigen organischen Verbindungen. Das wiederum reduziert die Lichtmenge, die eine LED-Leuchte abgibt.

Solche Verfärbungen treten vorzugsweise bei LEDs auf, die Licht in den Farben blau, königsblau und weiß produzieren und zudem mit LED-Chips mit blauer Wellenlänge ausgestattet sind. Eine weitere Voraussetzung ist, dass gelbe Phosphor-Materialien für das Konvertieren der Wellenlängen verwendet werden. Das Phänomen ist bei Leuchtdioden aller Hersteller zu beobachten. Nicht betroffen sind LEDs, die Licht längerer Wellenlänge ausstrahlen, etwa gelb, rot und grün. Bei diesen Leuchtdioden fällt eine niedrigere Photonen-Energie an.

 

 

Flimmern bei LED-Leuchten – Muss das wirklich sein?

Fast alle mit Wechselstrom betriebenen Lichtquellen weisen eine periodische Modulation in Form von Flimmern auf. Ein Test mehrerer Leuchten mit Festkörperlichtquellen zeigt, wie stark verschiedene Typen der Leuchten flimmern und welche Maßnahmen von Leuchtendesignern ergriffen werden können, um das Phänomen zu vermeiden. Die Illuminating Engineering Society (IES) beschreibt im Standard RP-16-10 eine Methode, mit der sich die Auswirkungen flimmernder Lichtquellen quantifizieren lassen. Danach ist der Flimmeranteil ein relatives Maß für die zyklische Amplitudenveränderung der Lichtquelle, während der Flimmerindex die zyklische Veränderung unter Berücksichtigung der Form des Wellenverlaufs misst. In der folgenden Tabelle sind Flimmerindex und Flimmeranteil gängiger Beleuchtungstechniken aufgeführt.

Bild 1: Berechnung von Flimmeranteil und Flimmerindex gemäß dem Standard RP-16-10 der Illumination Engineering Society (IES). Das Verfahren berücksichtigt allerdings nur zwei der sechs Faktoren, welche die Flimmerfusionsfrequenz beeinflussen.

Der Frequenzbereich ohne Flimmern wird Flimmerfusionsfrequenz oder Flimmerverschmelzungsfrequenz bezeichnet. Er hängt von folgenden Faktoren ab: Frequenz der Lichtmodulation, Amplitude der Lichtmodulation, der mittleren Lichtintensität, Wellenlänge, der Position auf der Netzhaut, an der die Stimulation stattfindet sowie dem Grad der Hell-Dunkel-Adaptation.

 

Flimmern wird bei Frequenzen unter 100 Hz bemerkt und ist ab 500 Hz unsichtbar. Allerdings gibt es keine einheitlichen Grenzwerte. Die Energy-Star-Vorgabe, die am 30. September 2014 in Kraft getreten ist, legt beispielsweise fest, dass der maximale Flimmeranteil und Flimmerindex angegeben werden müssen. Die Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies (ASSIST) wiederum betrachtet bei 100 Hz einen Flimmeranteil von mehr als 20% als nicht mehr akzeptabel, bei 120 Hz von über 30%.

Mit dem Servicepaket für thermische, elektrische, mechanische, photometrische und optische Tests (TEMPO) von Cree Services wurden mehrere Hundert Festkörper-Leuchten (SSL) getestet. Im Mittelpunkt stand dabei die Welligkeitsfrequenz. Sie tritt am Ausgang der LED-Treiber auf und ist mit 120 Hz doppelt so hoch wie die Eingangsfrequenz von 60 Hz. Die folgende Tabelle zeigt die Treiber-Ausgangsfrequenz für die von Cree getesteten LED-Beleuchtungssysteme.

Der Lichtstrom einer LED korreliert mit der Ausgangs-Wellenform des Treibers. Flimmern tritt auch bei der Pulsweitenmodulation (PWM) auf, die oft zum Dimmen von LEDs eingesetzt wird. Rund zwei Drittel der Produkte erzeugten beim Test Ausgangsstrom-Wellenformen mit 100 oder 120 Hz. Ein Viertel hatte Treiber, die unabhängig von der Eingangsspannung einen weichen, gefilterten Gleichstrom produzierten. Weniger als 8% wiesen Ausgangsfrequenzen zwischen 120 Hz und 10 kHz auf. Und bei rund 70% der mit 100 Hz und 120 Hz betriebenen Produkte war der Flimmeranteil akzeptabel.

 

Die Kosten eines LED-Leuchtensystems senken

Leuchten mit LEDs sind nicht nur effizienter, sondern auch sparsamer. Doch wie lassen sich die Kosten bei einem LED-Leuchtensystem senken? Wir geben Ihnen praktische Tipps.

Noch sind LED-Leuchten teurer als konventionelle Leuchtmittel, weshalb sich LED-Leuchten bisher noch nicht auf breiter Basis durchsetzen konnten, und das trotz einer längeren Lebensdauer und höherer Energieeffizienz. Für die Hersteller von LED-Beleuchtungssystemen heißt das: Sie müssen die Gesamtsystemkosten senken, ohne Abstriche bei der Qualität zu machen.

Für die Halbleiterhersteller hieß Low Cost lange Zeit die Entflechtung der Systemkomponenten. Das muss jedoch nicht sein, wenn ein vernünftiges Design verwendet wird. Das bedeutet, dass ein LED-Leuchtendesign in enger Abstimmung von LED, Treibern, optischen Elementen und Kühlkörper entwickelt wird. Nur dann lässt sich eine optimale Systemleistung bei vergleichsweise niedrigen Kosten erzielen. Dazu sind vier Faktoren notwendig:

 

Performance der LED-Komponenten und Design

Wärmemanagement: Bei einer robusten LED sind höhere Stromstärken kein Problem. Eine hochwirksame LED benötigt auch kleinere Kühlkörper.
Wärmemanagement: Bei einer robusten LED sind höhere Stromstärken kein Problem. Eine hochwirksame LED benötigt auch kleinere Kühlkörper. (Cree)

Ein Faktor, der die Systemkosten maßgeblich beeinflusst, ist die Leistung der LED. Helle und effiziente Hochleistungs-LEDs ermöglichen Beleuchtungssysteme mit einer geringeren Zahl von LEDs zu entwickeln und das bei gleichbleibend hoher System-Performance. Weniger LEDs bedeutet zudem, dass eine Leuchte kompakter ausfällt. Ein weiterer Vorteil von hochwirksamen LEDs sind ein geringerer Stromverbrauch und kleinere Kühlkörper

 

Ebenfalls zur Senkung der Systemkosten können robuste LEDs beitragen, die mit einer höheren Stromstärke betrieben werden. Entwickler benötigen somit weniger Leuchtdioden, um ein System mit der gewünschten Lichtstärke zu designen. Mit standardisierten LM-80- und TM-21-Datensätzen lassen sich die Betriebs- und Leistungsparameter für Hochleistungs-LEDs bestimmen. Leuchtmittelhersteller sollten sich daher diese Daten von ihrem LED-Lieferanten zur Verfügung stellen lassen.

Bei der Betrachtung der Kosten eines LED-Beleuchtungssystems wird häufig ein Aspekt übersehen: Nicht die Leuchtdioden sind der größte Kostenpunkt, sondern vielmehr die LED-Treiber. Um preisgünstige Treiber zu finden, ist ein Treiber-Kompatibilitätsprogramm hilfreich, beispielsweise Crees Driver Compatibility Program (DCP). Damit können Entwickler ermitteln, welche Treiber von Drittanbietern mit den LEDs von Cree kompatibel sind.

Wichtig ist, dass der LED-Hersteller nicht nur die technischen Daten der Treiber-Komponenten überprüft, sondern im Rahmen von Praxistests deren Kompatibilität mit den LEDs ermittelt. Den Herstellern von Beleuchtungssystemen steht in diesem Fall ein integriertes und optimiertes Ökosystem von Komponenten für das Design von LED-Leuchten zur Verfügung. Das macht es einfacher, kostengünstige Treiberkomponenten zu finden und in ein Leuchtendesign zu integrieren.

Um das Flimmern zu minimieren, sollte bei der Entwicklung eines Treibers die elektrische Kapazität am Treiberausgang erhöht werden. Dadurch wird die Welligkeitsstromkomponente herausgefiltert. Das geht jedoch zu Lasten der Systemzuverlässigkeit, vor allem dann, wenn minderwertige Kondensatoren verwendet werden. Bei vielen Anwendungen, etwa Retrofit-Lampen, ist es zudem wegen Platzmangels nicht möglich, die Kapazität aufzustocken.

 

Wie sich der Lichtstromerhalt von LED-Lampen bestimmen lässt

Im Laufe der Zeit lässt die Leuchtkraft einer LED nach. Um diesen Verlust zu quantifizieren, kommt der LM-80-Test zum Einsatz. Besser noch ist die IES TM-21-Norm. Wir zeigen warum.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchten weisen LED-Beleuchtungssysteme einige Besonderheiten auf. Dies betrifft unter anderem das Verhalten nach mehreren Tausend Betriebsstunden. LEDs fallen nicht aus, wie andere Leuchten, sondern weisen eine graduelle Abnahme der Lichtleistung auf. Um valide Angaben über den Lichtstromerhalt und die Lebensdauer von LED-Lampen treffen zu können, hat die Illumination Engineering Society (IES) das Testverfahren LM-80 entwickelt.

Allerdings überschreiten viele High-Power-LEDs auch nach vielen Tausend Teststunden die in der L70-Spezifikation definierte Lebensdauer. Diese gibt den Zeitraum in Stunden an, bis die ursprüngliche Lichtleistung auf 70% des Ursprungswerts gesunken ist. Daher setzen LED-Hersteller wie Cree nicht nur LM-80-Tests ein, sondern auch die in IES TM-21 beschriebenen Extrapolierungsmethoden.

 

 

Vergleich IES LM80-2008 und IES TM21-2011

IES LM-80-2008 (Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources, LM-80) ist ein Industriestandard, mit dem sich die Abnahme der Lumen-Werte von LED-Lampen und -Modulen ermitteln lässt. Zudem gibt LM-80 die Verfahren vor, mit denen sich die Messresultate in Berichte umsetzen lassen. Das Ziel von LM-80 ist, einen validen Vergleich der Messergebnisse unterschiedlicher Testlabore zu ermöglichen. Zu diesen Testeinrichtungen zählt Crees Solid-State Lighting Testing Laboratory (SSL) in Durham (US-Bundesstaat North Carolina). Es wurde im Rahmen des National Voluntary Laboratory Accreditation Program (NVLAP) als LM-80-Testlabor anerkannt.

Im Vergleich dazu enthält IES TM-21-2011 (Projection Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources) Empfehlungen, wie sich die LM-80-Testergebnisse dazu nutzen lassen, um den Lichtstromerhalt beziehungsweise das Lumen Maintenance Life (LP) von LED-Lampen über einen längeren Zeitraum zu ermitteln. Unternehmen, die für ihre Produkte die ENERGY-STAR-Zertifizierung beantragen, müssen diese Vorgaben einhalten. Als ENERGY-STAR-Partner nutzt auch Cree für seine XLamp-LEDs die in LM-80 und TM-21 spezifizierten Verfahren.

Das SSL-Testlab überprüft den Lichtstromerhalt von LED-Lampen mithilfe von Verfahren, die sich strikt an den Vorgaben von LM-80 orientieren. Dazu werden Leuchten mit Crees XLamp-LEDs auf Metallkern-Leiterplatten montiert (Metal Core PCBs). Ein typischer Testaufbau besteht aus 30 XLamp-LEDs. Die Platinen werden anschließend mit Kühlkörpern in einer Klimakammer verbunden. Die TSP (Temperatur am Lötpunkt) jeder Lampe wird kontinuierlich überwacht und kontrolliert. Dies erfolgt über die Kühlkörper.

Auch die Temperatur der Umgebungsluft in der Kammer (TAIR) wird entsprechend angepasst. Gemäß LM-80 4.4.2 muss die TAIR in der Klimakammer innerhalb von 5 °C unter der TSP liegen. Weiterhin ist laut LM-80 4.4.3 sicherzustellen, dass die Testobjekte keinem Luftzug ausgesetzt sind. Die elektrischen und photometrischen Eigenschaften jeder XLamp-LED-Lampe werden vor Beginn der Testreihe mit einer Ulbricht-Kugel ermittelt (bei t = 0). Anschließend platzieren die Testingenieure mehrere Lampen-Sets in der Klimakammer, die mit unterschiedlichen Treiberstrom-Werten angesteuert werden. Mindestens alle 1.000 Stunden sind die Lampen aus der Kammer zu entnehmen und erneut Messungen mit der Ulbricht-Kugel durchzuführen.

 

Einflussfaktoren auf den Lichtstromerhalt

Zu den Faktoren, die den Lichtstromerhalt von High-Power-LEDs beeinflussen, zählen die Betriebstemperatur und der Treiberstrom. Nach mehreren Tausend Stunden bei hohen Temperaturen findet ein Effizienzverlust in den Quanten-Well-Strukturen im Halbleiter statt. Daher ist eine präzise Ansteuerung der Temperatur bei LM-80-Tests wichtig. Weitere Einflussfaktoren sind die Herstellungsverfahren und die Materialien, die bei einer LED-Lampe verwendet werden.

Nach Erfahrungswerten von Cree beeinflussen vor allem folgende Punkte den Lichtstromerhalt:

  • das Silikon, das als Linse der LED-Lampe dient
  • die LED-Chip-Materialien
  • der Herstellungsprozess
  • das verwendete Phosphor und die Technik, mit der dieses Material aufgebracht wird

Zu berücksichtigen ist weiterhin, dass jede Komponente einer LED-Lampe unterschiedlich auf Betriebsbedingungen (Strom, Temperatur) reagiert. Dadurch macht sich bei jeder Komponente der Leistungsverlust unterschiedlich bemerkbar. Ein Beispiel ist das Silikonmaterial, das als Verguss über den LED-Chip zum Einsatz kommt. Die LED-Industrie setzt prinzipiell Polyorganosiloxan (Siloxan) für High-Power-LEDs ein. Je nach chemischer Zusammensetzung reagieren Siloxane unterschiedlich auf die Betriebstemperatur: Bei höheren Werten nimmt die Transparenz des Materials ab. Dies reduziert den Lichtstrom der LED-Lampe.

 

Hoher Ansteuerstrom erhöht die Lichtausbeute

Zudem können die Photonen, die der LED-Chip abgibt, das Siloxan-Material beschädigen. Auch dies beeinträchtigt die Lichtdurchlässigkeit. Somit gilt: Je höher der Ansteuerstrom (Treiberstrom), desto mehr Licht gibt eine LED ab und desto schneller nimmt die Lichtleistung ab. Ein hoher Treiberstrom erhöht zudem die Betriebstemperatur und verschärft das Problem. High-Power-LED-Leuchten und Modelle im mittleren Leistungsbereich nutzen Vergusssysteme aus Siloxan. Es gibt jedoch einen Unterschied: Bei High-Power-Leuchten kommen in der Regel Keramiksubstrate zum Einsatz, bei Modellen im mittleren Leistungsbereich dagegen Polyphthalamid-Polymere (PPA). Diese reagieren noch sensibler auf Hitze und Photonen als Silikon und dunkeln schneller nach.

Das ist vor allem deshalb problematisch, weil ein Großteil des Lichts, den LEDs in Kunststoff-Gehäusen abgeben, von der Innenseite des Gehäuses reflektiert wird. Das wiederum beschleunigt den Verfärbungsvorgang und die Abnahme der Lichtleistung. Damit kommen LED-Leuchten dieser Kategorie nur für Anwendungen in Betracht, bei denen der Lichtstromerhalt eine untergeordnete Rolle spielt. Um die richtigen LEDs für spezielle Anwendungen auszuwählen, müssen Entwickler von Beleuchtungssystemen daher berücksichtigen, wie LED-Komponenten aufgebaut sind, wie sie auf bestimmte Umgebungsbedingungen reagieren und welche Lumen-Leistung langfristig gewünscht beziehungsweise erforderlich ist.Mithilfe von TM-21 den Lichtstromerhalt abschätzen

Im Rahmen eines LM-80-Tests müssen mindestens 6.000 Teststunden absolviert werden. Erst dann lässt sich auf Grundlage der Ergebnisse eine valide Prognose über den Lichtstromerhalt (Rated Lumen Maintenance Life, LP) einer LED abgeben. TM-21 gibt vor, dass aus den Daten, die an einem Messpunkt anfallen, Durchschnittswerte gebildet und diese auf den Wert 1 oder 100 Prozent zum Zeitpunkt 0 normalisiert werden.

Anschließend werden die Durchschnittswerte, die für alle Datenpunkte zwischen der 1000sten und 6000sten Teststunde anfallen, in eine exponentielle Kleinste-Quadrate-Kurve überführt. Diese lässt sich bis zu dem Punkt weiterführen, an dem sie den gewünschten LP-Wert schneidet. Für die Berechnung der LP-Werte kann auch die Gleichung der Exponentialkurve herangezogen werden. Eine Vorgabe von TM-21 ist, dass der LP-Wert, der auf Basis eines bestimmten Datensatzes ermittelt wurde, maximal das Sechsfache des Testzeitraums umfasst. Das heißt, der maximale LP-Wert kann nur mit > 36.000 Stunden angegeben werden, also 6 x 6000 Stunden.

Im Beispiel in Bild 2 berücksichtigt die Exponentialkurve alle Datenpunkte zwischen 1.000 und 6.000 Stunden. Die errechnete L-85-Lebensdauer einer LED-Leuchte beträgt 23.000 Stunden, die auf Basis von L70 dagegen 50.000 Stunden. Dennoch darf der Hersteller nur > 36.000 Stunden angeben, weil der Testzeitraum 6.000 Stunden betrug. Da der hochgerechnete L85-Lifetime-Wert mit 23.200 Stunden unter dem von 36.000 Stunden liegt, ist es zulässig, den tatsächlichen L85-Wert anzugeben.

 

Bei LM-80-Resulaten, die mithilfe des TM-21-Verfahrens errechnet wurden, ist eine spezielle Nomenklatur erforderlich: Sowohl die LP-Werte als auch der komplette Testzeitrahmen werden angegeben. Für den Datensatz in Bild 2 heißt das:

  • L85(6k) Lifetime = 23.200 Stunden
  • L70(6k) Lifetime > 36.000 Stunden

Werden LM-80-Tests fortgeführt, fallen weitere Messdaten an. Wurde eine Testperiode von 6.000 bis 10.000 Stunden absolviert, werden für die Exponentialkurve nur die Durchschnittswerte der letzten 5.000 Stunden für die Auswertung herangezogen. Der Grund ist, dass sich im Lauf des Testvorgangs die Abnahme der Lumen-Werte einer LED häufig verlangsamt. Dies kann dazu führen, dass die LP-Werte höher veranschlagt werden. Das Bild 3 zeigt Messungen desselben Datensatzes wie in Bild 2, allerdings nach 10.000 Teststunden. In diesem Fall ist gemäß TM-21 die im Testreport aufgeführte L70-Lebensdauer einer Leuchtdiode auf das Sechsfache der Testdauer beschränkt. Für den vorliegenden Datensatz ergeben sich:

  • L85(10k) Lifetime = 28.500 Stunden
  • L70(10k) Lifetime > 60.000 Stunden

Bei LM-80-Untersuchungen von mehr als 10.000 Stunden werden für die Exponentialkurve die letzten 50 Prozent der Datenpunkte herangezogen. Das heißt beispielsweise, dass bei Testläufen von 12.000 Stunden die Resultate der letzten 6000 Stunden (10.000 h/2 = 6000) gelten. In allen gezeigten Fällen wird für die Ermittlung des LP-Wertes ebenfalls das Sechsfache der Werte berücksichtigt.

Die Photonen-Energie (E) wird mithilfe folgender Formel ermittelt: E = h x f. Dabei steht h für die Planck-Konstante und f für die Lichtfrequenz. Je höher f, desto größer die Photonen-Energie.

Das Bild 2 zeigt, wie sich die Gelbverfärbung auswirkt. Anfangs gibt beispielsweise eine Leuchte auf Basis der XLamp XR-E LED von Cree ein Licht mit hohem Weiß-Anteil ab (links). Durch den Einfluss von VOC ist bereits nach 100 Stunden eine deutliche Verschiebung in Richtung Gelb zu erkennen (rechts). Der Einsatz ungeeigneter flüchtiger organischer Substanzen kann nicht nur den Farbort einer Leuchtdiode verfälschen, sondern zum Ausfall einer Leuchte führen.

Allerdings führen die Verfärbungen der Umhüllung oder der Linse durch VOCs im Normalfall nicht zu bleibenden Schäden am LED-Chip. In vielen Fällen lässt sich eine solche Leuchte innerhalb weniger Betriebsstunden wiederherstellen. Dazu wird entweder die Sekundäroptik entfernt oder die Belüftung verbessert. Allerdings bleibt die Verfärbung bestehen, solange die Silikon-Polymere dem Einfluss der falschen VOC ausgesetzt sind.

 

Der komplette Bericht in der Zeitschrift "Elektronik Praxis" im Vogel Verlag

Mitch Sayers ist EMEA Field Application Engineer Cree Europe in Garching bei München.