Das Licht der weißen LED als besondere Messaufgabe

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Der Schlüsselfaktor Temperatur bei einer LED

Bei modernen Hochleistungs-LEDs stellt das korrekte thermische Management und damit die Temperatur der LED einen Schlüsselfaktor für den reproduzierbaren Betrieb dar. Bei High-Power LEDs ist die Leistungsdichte höher als bei anderen LEDs, wodurch deutlich mehr Wärme produziert wird. Besonders beim Dauerbetrieb von High-Power LEDs ist diese Einflussgröße von herausragender Bedeutung, weil verschiedene Temperaturen unterschiedliche spektrale Änderungen hervorrufen.

Bild 2 zeigt die spektrale Abhängigkeit einer warmweißen LED in einem Temperaturbereich von 20 bis 80 Grad. Mit Zunahme der Temperatur verschiebt sich der blaue Peak zu längeren Wellenlängen hin und die gesamte Lichtausbeute sinkt mit höheren Temperaturen spürbar ab. Um einen konstanten und gleichmäßigen Eindruck von Helligkeit und Farbe im Dauereinsatz zu erzielen, muss bei einer modernen High-Power LED die entstehende Wärme abgeleitet werden.

Charakterisierung der LED durch aktive Kühlung

Eindeutige thermische Verhältnisse zur messtechnischen Beurteilung von LEDs lassen sich am besten durch eine aktive Kühlung, wie zum Beispiel durch ein Peltierelement herstellen. Mit Hilfe dieses Peltierelements können LEDs bei verschiedenen, gezielt einstellbaren Temperaturen charakterisiert werden.

Variiert man nun wie in Bild 2 gezeigt die Umgebungstemperatur der LED, verändert sich nicht nur die Lichtausbeute, sondern durch die spektralen Änderungen auch der Farbeindruck. In der lichttechnischen Industrie hat sich die ähnlichste Farbtemperatur als Kenngröße zur Charakterisierung eines Leuchtmittels seit langem durchgesetzt.

In Bild 3 ist die Änderung der Farbtemperatur einer beispielhaften warmweißen LED mit der Umgebungstemperatur dargestellt. Diesem Verhalten der weißen LEDs muss vor allem für Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung Rechnung getragen werden um qualitativ hochwertige Produkte entwickeln zu können.

Das Einbrennverhalten bei LEDs als Temperatureffekt

Ein anderer Temperatureffekt zeigt sich beim Einbrennvorgang von LEDs. Solange sich kein thermisches Gleichgewicht eingestellt hat, ändern sich die elektrischen und optischen Größen der LED.

Im Bild 4 ist das Einbrennverhalten einer weißen LED, die auf 40° Umgebungstemperatur stabilisiert wurde, gezeigt. Der photometrische Wert der LED fällt über einen Zeitraum von ungefähr 10 s (gefüllte Punkte), im gleichen Zeitraum steigt die ähnlichste Farbtemperatur Tn um 40 K an.

Dieser lange Stabilisierungsvorgang muss beim Vergleich von Messdaten berücksichtigt werden. In der Produktion von LEDs gewonnene Ergebnisse und Labormessungen unter stabilen Bedingungen weisen unterschiedliche Werte auf. Der letzte Produktionsschritt von LEDs ist die optische Charakterisierung und Selektion in so genannte BINs. Typischerweise werden die LEDs ungefähr 20 bis 30 ms nach ihrer Bestromung optisch vermessen und klassifiziert. Sie befinden sich dann noch nicht in einem stabilen Zustand. Die Angaben im Datenblatt der Hersteller beziehen sich üblicherweise auf diese, unter Produktionsbedingungen bestimmten Ergebnisse. Oftmals muss der Kunde den entsprechenden Korrelationswert für den Betrieb im thermischen Gleichgewicht selbst ermitteln.

Die Abstrahlcharakteristik und die Messgeometrie bei einer LED

Bei der Bestimmung der Farbtemperatur muss auch die Abstrahlcharakteristik von weißen LEDs beachtet werden. Im Gegensatz zu einfarbigen LEDs kann sich der Farbeindruck von weißen LEDs mit der Abstrahlrichtung ändern, bedingt durch die unterschiedlichen Beschichtungstechnologien des blauen Chips mit dem Leuchtstoff. Je nach Qualitätsanspruch des Herstellers können die Unterschiede in der Farbtemperatur mehrere 1000 K betragen.

Mit der Kombination aus Goniometer und Spektralradiometer können gleichzeitig die Lichtstärkeverteilung und die Abstrahlcharakteristik der Farbtemperatur einer weißen LED vermessen werden.

In Bild 5 sind Messergebnisse für zwei LEDs, eine High Power LED und eine Standard 5-mm-LED, dargestellt. Meistens wird bei LEDs der Lichtstrom mit Hilfe einer Ulbrichtkugel oder die mittlere Lichtstärke ILED A oder ILED B gemessen. In der Ulbrichtkugel ist das gemessene Spektrum eine Integration über die gesamte Hemisphäre, bei der Lichtstärkemessung wird nur ein schmaler Raumwinkel von wenigen Grad erfasst.

Wird die Farbtemperatur mit der Messbedingung ILED B bestimmt, kann sich ein komplett anderer Wert als beispielsweise bei einer Messung der LED in einer Ulbrichtkugel ergeben. Daher muss bei der Überprüfung von Spezifikationen stets die Messgeometrie, unter der sie erstellt wurden, berücksichtigt werden.

* * Peter Läpple ist Vertriebsingenieur bei Instrument Systems in München.

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