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LED-Beleuchtungen

Die Leuchtdiode, besser bekannt als LED (Light Emitting Diode), basiert auf der Halbleitertechnologie. In einer LED wird ein Element aus Halbleitermaterial benutzt, um einen sogenannten P/N-Übergang (positiv/negativ) zu erzeugen. Während des Stromflusses wird Licht durch die Zerstrahlung eines Elektron/Loch-Paares erzeugt.

Das Material des P/N-Übergangs bestimmt die Energie (Wellenlänge) der ausgestrahlten Photonen und somit die Farbe. LEDs erzeugen Licht in einem schmalen Wellenlängenband, das man als einzelne reine Farbe wahrnimmt und daher monochromatisch nennt.

Weißes LED-Licht wird wie bei Leuchtstoffröhren durch Beschichtung mit phosphoreszierendem Material erzeugt. Das ursprünglich monochromatische Licht einer blauen LED wird dadurch in ein breiteres Spektrum aufgefächert und es entsteht weißes Licht. Dieses Verfahren führt jedoch zu einem relativ hohen Blauanteil, weshalb LED-Beleuchtungen vom menschlichen Auge als blaustichig und kalt empfunden werden.

Das nachfolgende Diagramm zeigt das Spektrum einer weißen Standard- LED, das entfernt an einen liegenden Pinguin erinnert.

SMD (Surface Mounted Device) / COB (Chip On Board)

Verglichen mit den verdrahteten LEDs werden SMD LEDs (Surface Mounted Device LEDs) immer gebräuchlicher. Diese werden direkt auf einem Lötpad auf der Platine angebracht. Dank der flächigen Verbindung wird eine bessere Wärmeableitung erzielt und die LEDs können dichter auf der Platine bestückt werden. Dadurch lässt sich eine höhere Lichtintensität und höhere Homogenität erreichen.

Eine weitere Entwicklung ist die Chip-on-Board-Technologie (COB). Dabei werden mehrere lichtemittierende Chips (Die) dicht bepackt auf dem Träger der LED gebondet, sodass der Füllfaktor der LED (Ratio zwischen leuchtender Fläche und Gesamtfläche) erhöht wird. Dadurch können solche Module eine höhere Lichtintensität erreichen. Jedoch erfordern solche Multichip LEDs einen größeren Aufwand, um die entstehende Wärme abzuführen.

OLEDs (Organic LEDs)

OLEDs bestehen aus organischem Material, das beim Anlegen einer Spannung zu leuchten beginnt. Der größte Vorteil dieser Technologie ist die Möglichkeit, eine große Leuchtfläche in einem sehr flachen, nur wenige Millimeter hohen Gehäuse zu erzeugen.

Wie bei LEDs bieten OLEDs die Möglichkeit der Steuerung der Intensität und der Belichtungszeit. Da die gesamte OLED intrinsisch leuchtet, stellt die Wärmeentwicklung kein vordergründiges Problem dar.

Diese Technologie ist noch sehr jung, entwickelt sich jedoch rasant. Neue Produkte mit längerer Lebensdauer (bis zu 50.000 h) und höheren Lichtintensitäten (bis zu 100 lm/W) stehen in verschiedensten Größen und Farben zur Verfügung. Erste Produkte, die speziell für Bildverarbeitungsanwendungen angepasst wurden (hauptsächlich Hintergrundbeleuchtungen), sind bereits erhältlich. In naher Zukunft werden auch flexible und transparente OLEDs verfügbar sein.

Beleuchtungseffizienz von LEDs

Es gibt eine Vielzahl von Faktoren, die Auswirkungen auf Leistung, Effizienz und Lebensdauer einer LED-Beleuchtung haben. Diese lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Weiterentwicklung der LED-Technologie
  • Wellenlängen und Filterung
  • Zeitmanagement und Überblitzen
  • Wärmemanagement

Weiterentwicklung der LED-Technologie

Die LED-Technologie gewinnt beispielsweise in der Automobilindustrie und im Endverbrauchermarkt immer mehr an Bedeutung. Sie wird ständig weiterentwickelt, um Lichtausbeute, Effizienz und Wärmemanagement zu optimieren. Dieser Umstand kommt auch der Weiterentwicklung von innovativen Beleuchtungssystemen für die Bildverarbeitung zugute.

Wellenlängen / Filterung

Da farbiges LED-Licht (z. B. Rot, Grün, Blau) in schmalen Wellenlängenbändern abgestrahlt wird, können Farb- oder Interferenzfilter eingesetzt werden, um Wellenlängen außerhalb des LED-Spektrums zu unterdrücken. Dadurch lässt sich die Intensität der gewählten Beleuchtung auf ein Minimum reduzieren, während die Merkmale des Objekts im Bild trotzdem mit genügend Kontrast erhalten bleiben. Zudem kann die Lichtfarbe der LED-Beleuchtung auch bei monochromen Bildern gezielt zur Erhöhung des Kontrastes eingesetzt werden.

LED-Timing, Strobing und Steuerung der Beleuchtungsintensität

Da LEDs eine hohe, aber dennoch endliche Lebenserwartung haben, lässt sich ihre Einsatzdauer erhöhen, indem man sie nur dann einschaltet, wenn sie gebraucht werden, und danach sofort wieder ausschaltet. LEDs können einfach geschaltet werden und erreichen ohne nennenswerte Verzögerung ihre volle Leuchtstärke. Wenn beispielsweise die Inspektion eine Belichtungszeit von 10 ms benötigt und nur alle 100 ms belichtet werden soll, muss die Beleuchtung nur zeitgleich mit der Aufnahme eingeschaltet werden. Die Lebensdauer erhöht sich dadurch etwa um den Faktor 10 im Vergleich zum Dauerbetrieb.

Das nachfolgende Diagramm verdeutlicht, wie sich die Lebensdauer einer LED verdoppeln lässt.

Zudem kann man LEDs für kurze Zeit mit einer Leistung von deutlich über 100 % betreiben, indem man den Strom kurzzeitig und pulsweise über den Nominalwert (empfohlenes Maximum bei Dauerbetrieb) erhöht. Dabei muss man den LEDs zwischen den einzelnen Pulsen genügend Zeit zum Abkühlen geben, da ansonsten zu viel Wärme an den Halbleiterelementen der LEDs entsteht und die Dioden irreversibel beschädigt werden. Das Ausmaß der Übersteuerung ist annähernd proportional zur Zeit zwischen den einzelnen Pulsen. Je länger die Zeit zwischen den Pulsen, desto stärker ist die mögliche Übersteuerung.

Technisch setzt man dazu Blitz-Controller ein. Einige Beleuchtungen verfügen sogar über eine integrierte Beleuchtungssteuerung. Ihr Einsatz ist nicht nur von Vorteil beim Stroben und Überblitzen, sondern ermöglicht auch eine bessere Lichtstabilität im Dauerbetrieb. Das liegt daran, dass eine kleine Änderung der Spannung zu einer starken Änderung des Stroms führt, was wiederum eine entsprechende Änderung der Lichtintensität zur Folge hat. Der Blitz-Controller hingegen ermöglicht eine direkte Feinjustierung des Stroms und dadurch eine bessere Steuerung der Lichtintensität, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten.

Letztendlich schützt die bedarfsgerechte Steuerung der Lichtintensität die Beleuchtungssysteme vor vorzeitiger Alterung und verlängert ihre Lebensdauer.

Wärmemanagement

LEDs haben eine begrenzte Lebensdauer von typischerweise 50.000 Stunden. Die Lebensdauer ist in der Regel definiert als diejenige Zeitspanne, in der die Ausgabeintensität von anfangs 100 % auf unter 70 % gesunken ist (siehe Bild). Die Leistung nimmt jedoch bereits vorher graduell ab. Zusätzlich zum Licht erzeugen LEDs auch Wärme. Diese Energie muss von den aktiven Halbleiterelementen (Chips) abgeleitet werden, da deren Struktur durch andauernde hohe Temperaturen nachhaltig beschädigt werden kann. Bei Überhitzung ist sogar ein Totalausfall der LEDs möglich.

Gutes bzw. effizientes Wärmemanagement hilft, die Temperatur zu reduzieren, die sich in und um die LEDs aufgebaut hat. Dies ist maßgeblich für eine lange Lebensdauer bei allerdings steigendem Material und Entwicklungsaufwand. Günstige Beleuchtungen berücksichtigen das Wärmemanagement oft nur unzureichend.

Kosteneinsparungen werden hier durch Reduzierung des Rohmaterials und Vereinfachung des Produktionsprozesses erzielt. Dies wirkt sich jedoch nachteilig auf die Qualität des Produktes aus und hat einen ungünstigen Einfluss auf die Zuverlässigkeit ‒ insbesondere wenn die Beleuchtungen mit maximaler Stromstärke betrieben werden.

Die Wärme, die am Kontakt entsteht, wird über die metallischen oder in Harz gekapselten Kontakte abgeleitet. Dadurch erwärmt sich die Umgebung der LEDs und die Leiterplatte. Durch Einsparungen beim Rohmaterial wird das Gehäuse oft zu einer reinen Außenschale, die wenig oder keinen physikalischen Kontakt mit den LEDs hat, mit dem Resultat einer sehr schlechten Wärmeableitung. Um weitere Kosten im Produktionsprozess zu sparen, werden für das Wärmemanagement wichtige Faktoren wie beispielsweise Rippen am Gehäuse zur Vergrößerung der Oberfläche, eine thermische Verbindung zwischen Gehäuse und Leiterplatte oder die Verwendung klassifizierter Chargen von Dioden oft vernachlässigt.

Für qualitativ hochwertige Beleuchtungsprodukte, die in Bildverarbeitungsanwendungen eingesetzt werden sollen, ist ein sehr gutes Wärmemanagement jedoch charakteristisch. So werden LED-Gehäuse aus massivem Aluminium gefertigt, damit die Hitze besser von den LEDs abgeleitet wird. Eine zusätzliche thermisch leitende Schicht ermöglicht die direkte Wärmeableitung von der Leiterplatte an das Gehäuse. Die Verwendung eines gerippten Gehäuses sorgt zusätzlich dafür, dass mehr Wärme an die Umgebung abgeleitet wird. Der Einsatz von klassifizierten Dioden erhöht weiterhin die Effizienz der Beleuchtung bei gleichzeitiger Reduzierung der Wärmeentwicklung.

Techniken für verbessertes Wärmemanagement

Mit passiver Kühlung lässt sich nur eine begrenzte Wärmemenge von den LEDs ableiten. Daher ist für Anwendungen, in denen die von den LEDs produzierte Wärme ein Problem darstellt, der Einsatz anderer Techniken erforderlich. Diese sogenannte aktive Kühlung wird besonders bei hochintensiven Linienbeleuchtungen genutzt. Nachfolgend werden einige Methoden aufgezeigt, die dabei verwendet werden können.

Das Bild zeigt eine einfache Linienbeleuchtung ohne Kühlung. Bereits der Austausch des einfachen Metallgehäuses gegen ein Strangguss-Aluminiumgehäuse ermöglicht aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit des Aluminiums sowie der vergrößerten Oberfläche eine bessere Wärmeableitung.

Weitere Verbesserungen sind möglich, wenn die Beleuchtungseinheit auf eine starke Metallplatte montiert wird. Dadurch müssen die LEDs erst eine große Menge von Metall erwärmen, ehe sie selbst Schaden nehmen. Durch die Verwendung von geriffelten Gehäusen und die damit einhergehende Vergrößerung der Oberfläche lässt sich die Wärmeableitung noch weiter verbessern.

In Einsatzfällen, in denen entweder die Umgebungstemperatur bereits sehr hoch oder die durch die LEDs erzeugte Wärme extrem ist, kann durch zusätzliche Belüftung mehr Wärme abgeleitet werden. Der Einbau eines Ventilators hat den zusätzlichen Vorteil, dass Ansammlungen von heißer Luft (hot spots) an bestimmten Stellen vermieden werden, die sonst die Gesamttemperatur erhöhen würden.

Die Wärmemenge, die bei Kühlung mit Luft abgeleitet wird, ist jedoch begrenzt. Die Kühlung mit Flüssigkeiten stellt hier die effizientere Lösung dar, da Flüssigkeiten Wärme besser leiten. Wie die nachfolgende Zeichnung zeigt, kann die Kühlflüssigkeit sehr nahe an die LEDs herangeführt werden, um einen maximalen Energietransfer zu ermöglichen. Dies kann durch eine Pumpe erfolgen, die auch in einiger Entfernung von der Beleuchtung angebracht sein kann.

Falls nötig kann die Kühlflüssigkeit auch über ein Kühlaggregat in einem Kreislauf gekühlt werden. Bei aktiver Kühlung ist darauf zu achten, dass sich kein Kondenswasser auf dem Gehäuse der Beleuchtung bildet und so irreversible Schäden an der Beleuchtung auftreten.