Winkelabhängige Strahlungsverteilung Der Einfluss der Abstrahlcharakteristik auf die Effizienz

Die winkelabhängige Strahlungsverteilung bestimmt den Lichtstrom und die Effizienz bei einem LED-Leuchtensystem. Entscheidend ist, für welche Anwendung die LED eingesetzt werden soll.

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OSRAM Opto Semiconductors GmbH

LED-Komponenten gibt es in zahlreichen Ausführungen. Das betrifft sowohl die LED-Chips selbst als auch das Gehäuse und führt zwangsläufig auch zu unterschiedlichen Abstrahlcharakteristiken. Will man die tatsächliche Effizienz von LED-Beleuchtungssystemen bestimmen, muss die winkelabhängige Strahlungsverteilung berücksichtigt werden. Zwar liegt die Halbwertsbreite bei vielen LEDs im Bereich von 120 bis 125°, andere Bereiche der Lichtverteilungsteilungskurve können sich jedoch deutlich unterscheiden und damit die Effizienz des Beleuchtungssystems beeinflussen.

Eine größtmögliche Effizienz bei langer Lebensdauer – so lauten die Forderungen an moderne LED-Beleuchtungssysteme. Für Lampen- und Leuchtendesigner sind daher die Datenblätter der LED die erste Informationsquelle für die Auswahl der entsprechenden Lichtquellen. Solche Datenblätter enthalten in der Regel Informationen über den Lichtstrom und die Leistungsaufnahme bei relevanten Betriebsparametern. Ein winkelabhängiges Lichtstärkediagramm gibt Auskunft über die Abstrahlcharakteristik. Zusätzlich findet man in einer Tabelle noch den Abstrahlwinkel, bei dem die Lichtstärke auf 50% des Maximalwerts abgefallen ist – die Halbwertsbreite.

Deutliche Vorteile fürOberflächenstrahler

Als Entscheidungsgrundlage reichen diese Informationen jedoch noch nicht aus, denn die Halbwertsbreite spezifiziert nur einen Punkt der Abstrahlcharakteristik einer LED, und die Lichtstärkeverteilung sagt nur bedingt etwas über die Helligkeit aus. Für eine qualifizierte Entscheidung muss man die Abstrahlcharakteristik der LED genauer unter die Lupe nehmen, denn es zeigen sich durchaus Unterschiede, die auch Auswirkungen auf die Effizienz des Beleuchtungssystems haben.

Vergleicht man die Lichtstärkediagramme verschiedener LED, zeigt sich, dass einige der Lichtquellen noch bei einem Winkel von 90 ° eine hohe Lichtstärke aufweisen. Die Ursache liegt in der Lichterzeugung. Bei Hochleistungs-LED, die als Chip einen Oberflächenemitter verwenden, wird das Licht nur nach vorne emittiert. Auch ein zusätzliches dünnes Konversionsplättchen, das zur Erzeugung weißen Lichts eingesetzt wird, beeinflusst dies kaum. Verwendet man hingegen einen volumenemittierenden Chip, wird das Licht in alle Richtungen abgestrahlt. Dadurch wird die Abstrahlung der LED bei großen Winkeln noch verstärkt.

Dabei kann es passieren, dass die LED das Licht nicht nur in die gewünschte Richtung nach vorn abstrahlt, sondern einen Teil des Lichts auch in Richtung des Substrats, auf dem sie montiert ist. Während das nach vorn abgestrahlte Licht mithilfe refraktiver oder reflektiver Optiken nahezu beliebig gelenkt werden kann, ist das nach hinten abgestrahlte Licht für die meisten Anwendungen verloren. In diesem Fall sinkt die effektive Helligkeit und damit die Lichtausbeute der LED. Der Preis pro Lumen steigt dagegen.

Betrachtet man die Abstrahlcharakteristik von zwei LED, die jeweils eine Halbwertsbreite von 120° haben, kann diese ganz unterschiedlich sein. Eine der beiden LED weist eine lambertsche Abstrahlcharakteristik auf, während die zweite LED davon abweicht. Für kleine Winkel verlaufen die Kurven nahezu identisch, doch für Winkel über 60° zeigen sich signifikante Unterschiede. Diese Unterschiede haben speziell bei größeren Winkeln auch Einfluss auf den nutzbaren Lichtstrom, trotz gleicher Halbwertsbreite. Die LED mit lambertscher Abstrahlcharakteristik emittiert das gesamte Licht in einem Winkel unter 90°, die LED mit nicht-lambertscher Abstrahlcharakteristik emittiert dagegen rund 10% ihres Lichts auf das Substrat. Bereits bei einem Winkel von 60° hat die letztgenannte LED einen um etwa 10% geringeren kumulierten Lichtstrom.

Die passende LED ist von der Anwendung abhängig

Für die Praxis bedeutet das, eine für die jeweilige Anwendung passende LED mit entsprechender Abstrahlcharakteristik auszuwählen. Dabei ist zu beachten, dass es auch LEDs gibt, deren Abstrahlverhalten sich grundsätzlich von dem bislang beschriebenen unterscheidet. Während eine sphärische Linse (Kugelform) die Lichtverteilung einer LED kaum verändert, lässt sich der Abstrahlwinkel mit verschiedenen asphärischen, das heißt von der Kugelform abweichender Linsen, nahezu beliebig festlegen. So steht die Oslon SSL beispielsweise mit Abstrahlwinkeln von 80° und 150° zur Verfügung. Die Oslon SSL 80 hat eine höhere Linse als eine Kugel gleichen Durchmessers.

Diese Linse verschmälert den Emissionswinkel, da sie eine höhere Brechkraft als eine Kugel hat. Dagegen hat die Oslon SSL 150 bei gleichem Durchmesser eine flachere Linse als eine Kugel, so dass der Emissionswinkel verbreitert wird. Je nach Anwendung bietet ein schmales oder ein breites Abstrahlprofil Vorteile: Ein schmales Abstrahlprofil – Beispiel Oslon SSL 80 – eignet sich besonders für Sekundäroptiken, denn es trifft mehr Licht auf die Optik und das Licht lässt sich besser formen. Ein breites Abstrahlprofil – Oslon SSL150 – eignet sich speziell für Reflektoren. Der kumulierte Lichtstrom für große Winkel ist sehr groß, das Licht kann somit sehr effizient geformt werden, auch bei Verwendung flacher Reflektoren. Gleichzeitig ist es möglich bei geringer Bauhöhe Flächen homogen auszuleuchten, wie es zum Beispiel bei Flächenleuchten oder einfachen Downlights gemacht wird.

Auch das Emissionsprofil der Oslon Square weicht von der lambertschen Abstrahlcharakteristik ab, die Halbwertsbreite entspricht jedoch der vieler LED und liegt bei 120°. Innerhalb der Halbwertsbreite ist die Licht-stärke höher als die eines Lambert-Strahlers, außerhalb geringer. Auf diese Weise lässt sich für die reale Bauform sicherstellen, dass der Lichtstrom in der Anwendung optimal genutzt werden kann. Bei allen Hochleistungs-LED von Osram befinden sich die LED-Chips in einem hochreflektierenden Gehäuse, welches das nach hinten abgestrahlte Licht zurückreflektiert und so weiterhin nutzbar macht. So geht es für die Anwendung nicht verloren.

* Dr. Roland Schulz ist Applikationsingenieur für Solid State Lighting bei Osram Opto Semiconductors.

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