Modellierung und Entwicklung neuartiger halbleiterbasierter Beleuchtungssysteme

Typ: Fortschritt-Berichte VDI
Erscheinungsdatum: 29.06.2009
Reihe: 21
Band Nummer: 386
Autor: Dipl.-Ing. Frank Reifegerste
Ort: Dresden
ISBN: 978-3-18-338621-5
ISSN: 0178-9481
Erscheinungsjahr: 2009
Anzahl Seiten: 126
Anzahl Abbildungen: 96
Anzahl Tabellen: 16
Produktart: PDF-Datei auf CD-ROM

Produktbeschreibung

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Leuchtdioden (LED) haben in den letzten Jahren eine starke Zunahme des Wirkungsgrads und der Leistung je Bauelement erfahren. Diese Entwicklung hat zu Bauelementen geführt, die bezüglich ihrer Lichtausbeute effizienter als herkömmliche Lichtquellen arbeiten. LED haben jedoch von diesen Quellen abweichende elektrische, thermische und spektrale Eigenschaften, die einerseits den direkten Austausch nicht gestatten und eine neue Entwurfsmethodik für Beleuchtungsanwendungen erfordern, andererseits lassen sich Eigenschaften wie das schmalbandige Spektrum und die schnelle elektrische Modulierbarkeit dazu nutzen, um neue Applikationen zu erschließen. In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz von LED in einer neuartigen spektral programmierbaren Lichtquelle untersucht. Ausgehend von den Bauelementeeigenschaften sind Modelle zum Beschreiben des spektralen Verhaltens dargestellt. Davon ausgehend werden Entwurf, Aufbau und Einsatzgebiete der spektral programmierbaren Lichtquelle beschrieben. Die hierbei getroffenen Aussagen sind auch für andere Einsatzgebiete von LED gültig.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik zur LED-Beleuchtung 2
2.1 LED-Bauelemente – Entwicklung bis heute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Aktueller Stand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Prognosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Präzisierte Aufgabenstellung 10
4 Charakterisierung und Modellierung von LED-Bauelementen 11
4.1 Halbleiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2 Bauformen von LED-Bauelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.3 Optische Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.1 Radiometrische und fotometrische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.2 Spektrale Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.3.3 Spektrale Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3.4 Modellerweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.5 Winkelabhängigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4 Elektrische Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.6 Temperaturabhängigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.7 Alterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 Entwicklung von LED-basierten spektral programmierbaren Beleuchtungssystemen
41
5.1 Systemüberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.2 Wahl der Lichtquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2.1 Wahl der Lichtquellen im Hinblick auf die Kontrastoptimierung . . . . . 43
5.2.2 Wahl der Lichtquellen im Hinblick auf die Simulation anderer flach
verlaufender Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3 Optischer Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3.1 Strahlformung bei LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.2 Lichtmischung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3.3 Auskoppeloptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4 Thermischer Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.5 Elektronische Ansteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.5.1 Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.5.2 Ansteuerung mit Strommodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.5.3 Betrieb an Gleichstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.5.4 Betrieb an getakteter Stromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.5.5 Stromquelle mit gemischter Strom- und Pulsweitenmodulation . . . . . 61
5.6 Algorithmus für die spektrale Anpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6 Aufbau und Erprobung ausgewählter Funktionsmuster 64
6.1 Demonstrator zum Nachweis des Funktionsprinzips . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.2 LED-basiertes spektral programmierbares Beleuchtungssystem . . . . . . . . . 69
6.3 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7 Einsatzmöglichkeiten 78
7.1 Simulation anderer spektraler Verteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.2 Erzeugen multispektraler Bildkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.3 Kontrastoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8 Entwicklungsprozess für LED-basierte spektral programmierbare Beleuchtungssysteme
86
9 Gesamtzusammenfassung und weiterführende Aufgaben 88
Anhang 90

Keywords: 338621, 38621, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 21, Frank Reifegerste, LED, Lichtquelle, Spektrum, Spektrallichtquelle, Spektrale Modellierung, Beleuchtungssystem

41,00 € inkl. MwSt.
VDI-Mitgliedspreis:*
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* Der VDI-Mitgliedsrabatt gilt nur für Privatpersonen

Leuchtdioden (LED) haben in den letzten Jahren eine starke Zunahme des Wirkungsgrads und der Leistung je Bauelement erfahren. Diese Entwicklung hat zu Bauelementen geführt, die bezüglich ihrer Lichtausbeute effizienter als herkömmliche Lichtquellen arbeiten. LED haben jedoch von diesen Quellen abweichende elektrische, thermische und spektrale Eigenschaften, die einerseits den direkten Austausch nicht gestatten und eine neue Entwurfsmethodik für Beleuchtungsanwendungen erfordern, andererseits lassen sich Eigenschaften wie das schmalbandige Spektrum und die schnelle elektrische Modulierbarkeit dazu nutzen, um neue Applikationen zu erschließen. In der vorliegenden Arbeit wird der Einsatz von LED in einer neuartigen spektral programmierbaren Lichtquelle untersucht. Ausgehend von den Bauelementeeigenschaften sind Modelle zum Beschreiben des spektralen Verhaltens dargestellt. Davon ausgehend werden Entwurf, Aufbau und Einsatzgebiete der spektral programmierbaren Lichtquelle beschrieben. Die hierbei getroffenen Aussagen sind auch für andere Einsatzgebiete von LED gültig.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik zur LED-Beleuchtung 2
2.1 LED-Bauelemente – Entwicklung bis heute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Aktueller Stand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Prognosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Präzisierte Aufgabenstellung 10
4 Charakterisierung und Modellierung von LED-Bauelementen 11
4.1 Halbleiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2 Bauformen von LED-Bauelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.3 Optische Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.1 Radiometrische und fotometrische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3.2 Spektrale Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.3.3 Spektrale Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3.4 Modellerweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.5 Winkelabhängigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4 Elektrische Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.6 Temperaturabhängigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.7 Alterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 Entwicklung von LED-basierten spektral programmierbaren Beleuchtungssystemen
41
5.1 Systemüberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.2 Wahl der Lichtquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2.1 Wahl der Lichtquellen im Hinblick auf die Kontrastoptimierung . . . . . 43
5.2.2 Wahl der Lichtquellen im Hinblick auf die Simulation anderer flach
verlaufender Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3 Optischer Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3.1 Strahlformung bei LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.2 Lichtmischung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3.3 Auskoppeloptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4 Thermischer Entwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.5 Elektronische Ansteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.5.1 Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.5.2 Ansteuerung mit Strommodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.5.3 Betrieb an Gleichstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.5.4 Betrieb an getakteter Stromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.5.5 Stromquelle mit gemischter Strom- und Pulsweitenmodulation . . . . . 61
5.6 Algorithmus für die spektrale Anpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6 Aufbau und Erprobung ausgewählter Funktionsmuster 64
6.1 Demonstrator zum Nachweis des Funktionsprinzips . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.2 LED-basiertes spektral programmierbares Beleuchtungssystem . . . . . . . . . 69
6.3 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7 Einsatzmöglichkeiten 78
7.1 Simulation anderer spektraler Verteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.2 Erzeugen multispektraler Bildkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7.3 Kontrastoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8 Entwicklungsprozess für LED-basierte spektral programmierbare Beleuchtungssysteme
86
9 Gesamtzusammenfassung und weiterführende Aufgaben 88
Anhang 90

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