Vortrag

Innovative Leuchtsysteme
Glühwürmchen im Wald
Leuchtkäfer ( 0,0002 cd )
Kerze ( 1 cd)
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Bunsenbrenner ( 1000 cd )
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Leuchtturmlicht ( 40 .000.000 cd )
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Sonnenlicht 12h
Leuchtstoffröhre
LED
Energiesparleuchte
Glühlampe
Warmton-LED
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Innovative Leuchtsysteme
Wirkunsgrad
Effiziens
Lumen pro Watt
Lichtleistung
Wärmeleitwert
Farbtemperatur
Farbwiedergabe
Lebensdauer
LED
LED im Automotive Bereich
COB - LED
LCC
OLED
EL-FOLIEN
EL - Leuchtkörper
LED - Projekt
Aufbau und Funktion einer LED
Der Aufbau einer LED sieht wie folgt aus:
Leuchtdioden bestehen aus zwei Schichten von Halbleitermaterialien.
Die eine Schicht weist einen Überschuss an Elektronen auf (n-Schicht).
Die zweite „leidet“ dagegen unter einem Elektronenmangel, es ist eine Überzahl an „Elektronenlöchern“
vorhanden. Erreicht wird diese unterschiedliche Ladungsverteilung durch die gezielte Zugabe von anderen
Atomen wie z.B. Bor oder Silizium zu dem ansonsten reinen Halbleitermaterialien.
Werden die beiden Schichten (n- und p-Schicht) nun zusammengebracht, gleichen sich die Ladungsunterschiede in der Grenzschicht aus. Es fließt kein Strom und der n-p-Körper ist neutral.
Wird jedoch eine Spannung in Flussrichtung angelegt, so genügt schon eine kleine Spannung, um einen
Stromfluss von der n-Schicht zur p-Schicht zu starten.
Nun fließen die Elektronen von der n-Schicht mit dem Elektronenüberschuss in die p-Schicht mit dem
Elektronenmangel. Dort werden sie von den „Elektronenlöchern eingefangen“. Sprich die Elektronen
rekombinieren mit den positiv geladenen Atomen. Dabei geben die Elektronen ihre enthaltene Energie in Form
von Lichtblitzen frei. Dieses Licht kann nun durch die sehr dünne p-Schicht entweichen. Die Lichtstärke
wächst dabei proportional zur Stromstärke.
Vergleich alte Glühbirne zu einer LED
Lichtausbeute von Allgemeinen Gebrauchsglühlampen
Lichtstrom bei 230 V Licht :Led gleicher Leistung : Leistung Led = lm Glühlampe:
15 W
125 lm
8,5 lm/W E 27
1200 lm
80 lm/W
1,50 W
125 lm
25 W
230 lm
9,2 lm/W E 27
2.000 lm
80 lm/W
2,80 W
230 lm
40 W
430 lm
10,8 lm/W E 27
3.200 lm
80 lm/W
5,00 W
430 lm
60 W
730 lm
12,2 lm/W E 27
4.800 lm
80 lm/W
10,00 W
730 lm
100 W 1380 lm
13,8 lm/W E 27 8.000 lm
80 lm/W
150 W 2220 lm
14,8 lm/W E 27
200 W 3150 lm
15,8 lm/W E 27
300 W 5000 lm
16,7 lm/W E 40
500 W 8400 lm
16,8 lm/W E 40
1000 W 18800 lm
18,8 lm/W E 40
17,25 W 1.380lm
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Aufbau eines LED Scheinwerfers in Laser-Matrixtechnik
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Reichweiten der LED Scheinwerfer in verschiedenen Techniken
Vergleich des Lichtes von verschiedenen Auto Scheinwerfern
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Prinzipieller Aufbau und Funktion einer COB - LED
Wirkungsweise: Mehrere kleine Leds sind in einem gesonderten Fertigungsverfahren
In „ Reihe“ geschaltet worden.
Dadurch weniger Leistungsverluste und mehr Licht.
Es gibt COB s mit 140lm / Watt.
.
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Prinzipieller Vergleich der verschiedenen Led Techniken
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Wie weit geht die Reise in COB?
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LCC
( Laser-Crystal-Ceramic )
LCC – die neue Lichttechnik im vergleich zur LED.
Die LED Diode (Light Emitting Diode) muss der neuesten Generation in der Lichttechnik, der LCC Diode (Laser Crystal
Ceramics) weichen.Die neue LCC-Diode wurde von der Firma Energy World (Schweiz), zusammen mit einer FachHochschule/Universität entwickelt.Die verblüffenden Ergebnisse und Leistungen der LCC-Technik überbieten alles im
weltweiten Angebot der Lichttechnik.
Die LCC-Technologie (Laser Crystal Ceramics) ist eine Weiterentwicklung der LED Technologie und die neueste
Generation von Leuchtmitteln. Endlich lässt sich modernes Umweltdenken in Kombination mit Energiesparen im häuslichen
oder gewerblichen Gebrauch tatsächlich verwirklichen. Die LED-Technologie basiert auf der Halbleitertechnik. Bei
Halbleiterverbindungen reicht bereits wenig Energie aus um sie zum leuchten zu bringen. LEDs sind winzige Elektronik-Chips
aus speziellen Halbleiterkristallen. Dabei handelt sich um einen Kristall aus Gallium- und Phosphor-Atomen. Mit Hilfe eines
chemischen Verfahrens herrscht auf der einen Kristallhälfte Elektronenmangel und auf der anderen Hälfte des Kristalls
Elektronenüberfluss. Beide Hälften streben die elektrische Neutralität an und möchten ein Gleichgewicht an Elektronen auf
ihren Kristallhälften schaffen. Wird nun Strom angelegt, beginnen die Elektronen von der negativ geladenen Schicht zur
positiv geladenen zu wandern. Dadurch kommt es zum Ladungsausgleich, es erfolgt also eine Rekombination in der
sogenannten Sperrschicht und Energie wird frei. Die freiwerdende Energie wird im Halbleiterkristall in Form von Strahlung
(Licht) und Wärme abgegeben. In der Fachsprache wird der Prozess, bei dem durch Stromfluss ein Festkörper zu leuchten
beginnt bzw. Licht emittiert, „Elektrolumineszenz“ genannt.
Die Basis der LCC-Technologie bildet ein künstlicher Laser-Kristall, der das verwendete Phosphor in der LED-Technologie
ersetzt. Dank der künstlichen Kristalle wird Wärme gedämpft und Licht gewonnen. Die LCC-Kristalle sind auf dem Chip als
Linse angeordnet, die das Licht bündeln und gegenüber dem LED-Chip 20-30% mehr Lichtausbeute ermöglichen.
Außerdem brennt der verwendete Phosphor in der LED-Technologie wegen der deutlich höheren Betriebstemperatur nach
einiger Zeit aus. Das natürlich vorkommende Phosphor ist giftig.
Für die Herstellung des künstlichen Phosphors in der LED-Technologie ist sehr giftige Chemie notwendig, dass als
Sondermüll in Fässern entsorgt werden muss.
LCC
( Laser-Crystal-Ceramic )
Vorteile LCC (Laser Crystal Ceramic) gegenüber LED (Lighting Emitting Diode):
• höhere Lichtausbeute (mehr Licht mit weniger Energie)
• hervorragende Farbwiedergabe (Ra > 90)
• rundum gleichmässige Abstrahlung
• höhere Lebensdauer (35'000h/ 4Jahre Dauer-betrieb)
• hohe Schaltfestigkeit (250'000 Zyklen)
• verzögerungsfreie Zündung (Sofortstart)
• geringste Eigenerwärmung (keine Verbrennungsgefahr)
• frei von Schadstoffen (quecksilberfrei und phosphorfrei)
Prinzipieller Aufbau und Funktion einer LCC - LED
Wärmebildvergleich:
Led zu LCC Technik
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Prinzipieller Aufbau und Funktion einer OLED
Wirkungsweise:
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Nachteile einer OLED
Noch gibt es einige Nachteile bei OLEDs, die einer sofortigen Markteroberung entgegen stehen:
•Die Emitterfarbstoffe sind empfindlich gegen Oxidation und Feuchtigkeit.
•Die mittlere Lebensdauer der RGB-Farben ist noch zu unterschiedlich.
•Die Leuchtintensität nimmt zu kürzeren Wellenlängen schneller ab, Fehler durch Farbverschiebung.
•Eine große Leuchtstärke beschleunigt den Intensitätsverlust und verkürzt die Lebensdauer.
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Prinzipieller Aufbau und Funktion einer EL-Lampe
Kontakstrecke 1
EL-Inverter
U~
Kontaktstrecke 2
Aufgrund ihres Aufbaues werden EL-Folien auch als lichtemittierende Kondensatoren (LEC) bezeichnet.
Wirkungsweise:
Die Leuchtpigmentschicht, die mit Phosphorpartikel dotiert ist und gemeinsam mit
einer Trägersubstanz das Dielektrikum bildet, ist eingebettet zwischen zwei Elektroden.
Durch Anlegen eines Wechselspannungsfeldes werden die Leuchtpigmente angeregt und
emittieren im sichtbaren Bereich.
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EL-Beleuchtungen … im Automobil ein neuer Trend?
Automobilhersteller und Zulieferer arbeiten an verschiedenen EL-Applikationen:
• Ambientebeleuchtung:
• Indirekte Beleuchtung in Türen , Blende,
Autodach (innen)
• Spiegelbeleuchtung
• Handschuhfachbeleuchtung
… allgemein im Interieurbereich
Bereits realisierte Anwendungen:
• Instrumentierung ( Tacho, Uhr , Drehzahlmesser)
-> Daimler : E-Klasse , S-Klasse
• Einstiegsleisten
-> BMW : Z4 u.a.
• Autodach
-> Maybach
•Nummernschildbeleuchtung
-> VW-Phaeton
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EL – Himmel vom Daimler Maybach
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Spezifische Eigenschaften des EL-“Lichtes“
Optisch:
• Flimmerfreie Flächenleuchte ( direkte , indirekte –und Hinterleuchtung möglich.)
So können z.B großflächige LCD‘s hinterleuchtet werden oder Firmenlogos direkt leuchten.
• Licht ist sehr schmalbandig , annähernd monochromatisch , sehr gleichmäßig (Lambertstrahler),
weit sichtbar.
• Augenschonend, da kein UV-Anteil im Licht enthalten.
• Blendfreie, schattenfreie Beleuchtung im Tag/Nachtdesign und kontrastreiche Symboldarstellung,
insbesondere bei Dämmerung.
• Gutes, klares Erkennen bei seitlichem Blick , z.B. auf die Mittelkonsole.
• Farben designbar : vorzugsweise weiß, rot, blau, orange u.a.
Technisch:
• keine Erwärmung -> kalte Leuchte.
• Geringer Energiebedarf, geringe Kapazität; Wechselspannung nötig.
• Sehr lange Lebensdauer… sofern Amplitude, Frequenz und Form der Wechselspannung auf die
EL-Folie abgestimmt ist.
• Kein Totalausfall zu erwarten,allerdings Rückgang der Leuchtstärke über Zeit; L=f(t) ->Nachregelung.
• Partielle Beschädigungen führen meist nicht zum Totalausfall des Beleuchtungssystems.
• Funktions –und Zustandleuchten getrennt ( mehrkanalig) ansteuerbar.
Mech./Geom.:
• Extrem flacher Lampenaufbau möglich, geringes Gewicht.
• Robust gegenüber Vibrationen / Beschleunigungen.
• Realisierung zwei-und 3-dimensionaler Leuchten.
• Realisierung von neuen Produktkonzepten -und Innovationen möglich.
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Prinzipielle Vorgehensweise zur Auslegung eines EL-Systems
Kundenanforderungen
Optische Anforderungen:
• Größe der Leuchtfläche; A
• zul. Leuchtdichtenverlauf (=>Steuerung/Regelung)
• Leuchtdichte ; L
• zul. Leuchtdichtenverteilung
• Lebensdauer (Gesamtsystem) t
• Farbe der Symbole, Signalleuchten, Beleuchtungsflächen
• Beleuchtungsart: direkte/ indirekte oder Hinterleuchtung
• Beleuchtung verschiedener Segmente in welcher Farbe usw.
• …..
Mech./geom. Anforderungen:
• 2 –oder 3-d EL-Lampe
• Abmessungen , Gewicht, (Blende oder Taster), …
• Schock –und Vibration, …
• …..
<=
Thermische Anforderungen :
• Betriebstemperatur
• Lagertemperatur
• Umgebungstemperatur
• …
Sonstige technische Anforderungen / Anwendungsbereich:
• Autombilanwendungen , Außenanwendungen(uv-Schutz),Deko,….
• Chemiekalienbeständigkeit
• …..
Ökonomische Randbedingen:
• Preise , Stückzahlen, …..
=>
Optische Daten:
• Größe der Leuchtfläche; A=[cm² oder m²]
• Farbe: λ ; x,y
• Leuchtdichte: L=[cd/m²] , Leuchtdichtenverlauf L=f(t)
• Leuchtdichtenverteilung in %
• Lebensdauer t=[h]
• verschiedene Segmente beleuchten
• ….
Elektrische Daten:
• Spannungsbereich von/bis
• Spannungsform: ~
• Frequenzbereich : bis x kHz
•Wirkungsgrad: η= [cd/VA]
• Passive und aktive Kapazität: C=[nF] bei spez. U,f
mech./chem./klimatische /geom./sonstige Daten:
…Auswahl gem. Lastenheft
=>
Elektrische Anforderungen / Funktionen:
• vorhandene Energieversorgung
• Betriebsmodus : Blinken, Schwellwert, stat.
• evtl. Überwachungsfunktionen
• CE-Konformität, EMV-Anforderungen, Zuverlässigkeit, ..
• …..
EL-Lampe
Abhängigkeiten zw. EL-Inverter und EL-Lampe
EL-Inverter
Elektrische Daten:
• Eingangsspannungs(bereich) : U E =[V]
• Eingangsstrom(bereich)* :
IE = [mA]
• Ausgangsspannung(bereich)* : UA = [VAC]
• Ausgangsstrom(bereich)* :
IA = [mA AC ]
• Ausgangsfrequenz(bereich)*: fA =[kHz]
• Ausgangsleistung :
PA=[W] , (Ieff x Ueff)
* abhängig von Art und Größe der El-Folie
mech./chem./klimatische /geom./sonstige Daten: …gem. Lastenheft
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Technische Daten von EL-Folien (typische Werte)
Die technischen Daten verschiedener EL-Folien-Hersteller bzw. je nach EL-Realisierungsverfahren differieren z.T .
erheblich. Daher sind die hier angegebenen Werte als Richtwerte anzusehen.
EL-Foliendicke :
Kontaktierungsart:
Betriebstemp.-bereich:
Lagertemp.-bereich:
Rel. Luftfeuchte:
< 1mm
Crimpen, Klebekontakt, Flachdrahtverbindung, Nullkraftstecker.
-40°C bis +70°C
-40°C bis +85°C
< 90%
Spannungsbereich:
Spannungsform:
Frequenzbereich:
Kapazität:
vorzugsweise 50V~ bis 300V~
Sinus; (Rechteck –o. Dreicksform)
bis 3KHz , vorzugsweise 100Hz bis 1000 Hz
~ 0.4nF/cm2 (110V/400Hz)
 Übliche Inverter 110V / 400Hz (sinus)
Leuchtdichte:
Verteilung der
Leuchtdichte:
Lebenserwartung:
z.B. bis 20cd/m² .. Farbe Weiß 584nm (.. spez. Applikationen bis 200cd/m² möglich)
+/- 5%
manche Hersteller versprechen bis zu 20000h.
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EL-Inverter :
Eine typische Applikation eines Low Noise EL Drivers:
ELD: (3x3x1)mm
ELD
R SW und R EL für verschiedene EL-Flächen
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Einige techn. Zusammenhänge von EL-Inverter und EL-Lampe
Durch eine entsprechende Beschaltung können u.a. folgende Parameter beeinflusst werden :
• f EL [Hz] wird bestimmt durch den Widerstand REL [MOhm]. Durch entsprechende Auslegung können
Helligkeit und Farbanpassungen realisiert werden.
• je kleiner die f SW [kHz] umso größer der Eingangsstrom und damit die Ausgangsleistung
• je kleiner die Spule umso größer die Helligkeit oder je größer die mögliche EL-Fläche bei gleich
bleibender Helligkeit.
• der Ausgangskondensator beeinflusst Wirkungsgrad bzw. trägt zur Geräuschminimierung bei.
• ….
• Die Lebensdauer einer EL-Lampe ist also im wesentlichen davon abhängig von der Amplitude ,
der Frequenz und der Form der Wechselspannung.
• Die Spannungsformen Rechteck und Dreieck reduzieren gegenüber einer sinusförmigen
Eingangsspannung die Lebensdauer einer EL-Lampe.
=> EL-Driver und EL-Lampe müssen bei jedem Neuprodukt spez. aufeinander abgestimmt
werden -> Applikationsentwicklung !
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Vorteile / Nachteile der EL-Technik:
•Einsparung von Lichtleitern bei direkter Beleuchtung möglich:
• Kostengünstigere und schnelle Entwicklung möglich.
-> Verringerter Entwicklungsaufwand ->kürzere Entwicklungszeiten.
• Frühzeitige Bereitstellung seriennaher EL-Muster möglich.
• Größere Gestaltungsmöglichkeiten für Designer !
-> Neue Produktkonzepte , sowie neue, miniaturisierte Anwendungsmöglichkeiten realisierbar.
• Kostenersparnis bzgl. Initialkosten und Montage.
•Großflächige Leuchte, z.B.: Hinterleuchtung von LCD‘s ohne LED‘s :
• Kosteneinsparungspotential bei Bauelementen und Produktion / Montage entsprechend der
Anwendung möglich.
• Platzersparnis auf der Platine u.s.w.
•Homogene Lichteffekte bei Einzelleuchten und im gesamten beleuchteten Interieur.
Voraussetzung: einheitliche Energieversorgung.
• Nachteile gibt es auch:
• Falls die Wechselspannung noch nicht im Fahrzeug vorhanden ist, entstehen durch den dann
erforderlichen Inverter Mehrkosten.
• Nicht für jede Anwendung gleichermaßen gut geeignet.
Innovative Leuchtsysteme
Glühbirne
LED
LCC
5%
35%
55%
Sehr schlecht
gut
besser
10
100
120
Lichtleistung
Sehr schlecht
gut
besser
Wärmeleitwert
Sehr schlecht
gut
besser
Wirkunsgrad
Effiziens
Lumen pro Watt
Farbtemperatur
2200 – 2700°K
Farbwiedergabe
Ra > 82
Lebensdauer
4000h
Ra > 92
EL
25%
75%
Mal schauen Sehr gut
<6700°K <6700°K
Ra > 86
OLED
75
5
Mal schauen Sehr gut
?
Sehr gut
<4700°K <4200°K
Ra > 84
Ra ~ 80
55000h 64000h 35000h 8000h
Auswahl einiger EL-Entwicklungsmuster
EL-Drehknöpfe
Abgebildet im Nachtdesign
EL-Radioblende
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Auswahl einiger Leuchten – Serienteile von Binder:
Led – Industrieleuchte in IP 69k
In 3 verschiedenen Längen
Auswahl einiger Leuchten - Serienteile der BSG:
Led- Fahrrad Rücklicht in COB
Led Technik
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Auswahl einiger Leuchten - Serienteile der BSG:
Led- LOK Fahrscheinwerfer in
COB Led Technik
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Auswahl einiger Leuchten – andere Beispiele:
Neuer OLED - Fernseher
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Auswahl einiger Leuchten – andere Beispiele:
Allererster Tacho in EL Technik:
Tacho des Dodge Chargers 1966
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Auswahl einiger Leuchten – andere Beispiele:
BMW Einstiegsleiste in ELFolientechnik
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Auswahl einiger Leuchten – andere Beispiele:
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Aktuelle Forschungsprojekte bei BSG:
Neuartige Aquariumleuchte in COB- Led Technik um alle Belange eines „Fisches“ abdecken zu können
Aufgehende Sonne „ rot verschobenes Licht“
Mittags Sonne „ blau verschobenes Licht“
Untergehende Sonne „ rot verschobenes Licht“
Mondlicht „ blau verschobenes Licht“
Förderung des Pflanzenwachstumes „ grün verschobenes Licht“
Drosselung des Pflanzenwachstumes „ orange verschobenes Licht“
Abtötung von Bakterien und Parasiten „ U-V verschobenes Licht“
Laichhilfe 2. Vollmondtag ( alle ~28 Tage) „ blau verschobenes Licht“
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Aktuelle Forschungsprojekte bei BSG:
Neue Strassenleuchte in COB- Led Technik um alle Belange eines „nächtlichen Nachhausegehens“ sicher zu machen
Licht nur wenn Personen kommen 22 00 – 05 00 Uhr „mildes Tageslicht ( 3000 Kelvin)
Kein Licht bei Hund Katze Maus
Also intelligenter Bewegungsmelder kann unterscheiden zwischen Mensch und Tier
Leuchte verfolgt Mensch mit genügend Licht in seine Gehrichtung
Fährt ein Auto in eine Einbahnstrasse gehen die Leuchten „ rot“ an!
Straßenleuchten denken mit (Verkehrszählung)
Wartungsarme Technik Abfrage mit dem Handy
Leuchte meldet wenn defekt automatisch
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Aktuelle Forschungsprojekte bei BSG:
Straßenleuchten Patent
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Aktuellstes Forschungsprojekt bei BSG:
„Leuchtendes Glas“
Siehe auch Antrag Förderung mit LTI in
Karlsruhe
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Auswahl einiger Leuchten - Serienteile der BSG:
Led- GlasscheibenStreulichttechnik:
Beleuchtete Glasumhausung
Hier am Beispiel eines
Kaminofens „liegend“
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Auswahl einiger Leuchten - Serienteile der BSG:
Led- GlasscheibenStreulichttechnik:
Beleuchtete Glasumhausung
Hier am Beispiel eines
Kaminofens „stehend“
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2 Filme
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Noch Fragen?
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Innovative Leuchtsysteme