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Projektoren sind optisch und thermisch optimiert

Im Vergleich zu Pico-Projektoren sind Ultraportable- und Pocket-Projektoren etwas größer, sodass für sie DMD mit Diagonalen von 0,3 bis 0,45'' und entsprechend größere LED-Chips verwendet werden können. Da für eine höhere Leistung immer auch ein größerer LED-Treiber und eine aufwendigere Kühlung verbaut werden muss, wird die Leistung vorrangig durch Batterielaufzeiten und Baugröße des Projektors eingeschränkt.

Auch die gegebene DMD-Größe stellt für die Projektorhelligkeit, und das unabhängig von elektrischer Leistung und Projektor-Baugröße, eine Etendue-bedingte Einschränkung dar. Für optische Systeme wie das DMD gibt es eine geometrische Begrenzung der Beleuchtung, die sich aus dem maximalen Winkel des Lichts ergibt, mit dem die Fläche bestrahlt wird. Das wiederum bestimmt die maximale optische Ausdehnung (Leuchtfläche und Abstrahlwinkel) der Lichtquelle.

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So ergibt sich eine von der gegebenen Abstrahlcharakteristik abhängige, maximal nutzbare LED-Leuchtfläche. Bei deren Überschreitung erreicht das zusätzliche Licht nicht die aktive Fläche des DMD oder befindet sich außerhalb des erlaubten Winkels. Um das gesamte Licht nutzen zu können, muss das Entendue der LED kleiner oder gleich dem Etendue des Systems sein.

Für große DMD ergibt sich durch mehrere einzelne LED-Chips eine nutzbare Leuchtfläche, die bis zu 2 mm² für einen Einzelchip betragen kann. Die größte resultierende Leuchtfläche aus sechs 2-mm²-Chips beträgt 12 mm². Die Bauform, also das Gehäuse der LED, hängt dabei von der Größe und Anzahl der Chips ab. Zudem muss mit zunehmender Leuchtfläche mehr elektrische Leistung zugeführt und mehr thermische Verlustleistung abgeführt werden.

Für einen maximalen Lichtstrom bei einer DMD-Diagonalen von 0,45'' oder größer, müssen mehrere Chips zu einem Array angeordnet werden, wobei sie auf maximale Leucht- und Stromdichte optimiert sind. Bei hohen Leuchtdichten liegt die Konversionseffizienz, das ist das Verhältnis von elektrischer zu optischer Leistung, je nach Farbe von 20 bis 30 Prozent. Die restlichen 70 bis 80 Prozent der elektrischen Leistung werden in Wärme umgewandelt, was hohe thermische Verluste bedeutet.

Das Wärmemanagement ist entscheidend

Die Gefahr einer Überhitzung verringert die Lebensdauer und Konversionseffizienz der LED, was ein effizientes Wärmemanagement unabdingbar macht. So sind bei der thermisch optimierten Serie Ostar Projection Power die Chips direkt auf eine Kupferplatine gelötet, um die Wärme direkt in die Platine abzuleiten. In der Platine wird die Wärme gespreizt und über Heatpipes abgeführt. In Einzelfällen werden die LED-Module direkt mit Wasser gekühlt.

Osram Opto Semiconductors hat mit der Gehäuseplattform Osram Ostar eine speziell auf Projektionsanwendungen ausgerichtete LED-Produktfamilie entwickelt, die mehrere Projektor-Leistungsklassen mit Lichtströmen von bis zu 2000 lm abdeckt. Die Osram Ostar Projection Compact mit 750 µm x 750 µm, 1 mm², 2 x 750 µm x 750 µm und 3 x 750 µm x 750 µm sowie die Ostar Projection Cube mit 750 µm x 750 µm und 1 mm² sind LED-Lösungen speziell für Embedded- oder Pico-Projektoren. Die Projection Compact 1 und 2 mm² sind für Ultraportable-Projektoren geeignet. Für großflächige Projektionen wurde der Ostar Projection Power mit einer Chipfläche von 2 mm x 2 mm bis 6 mm x 2 mm entwickelt.

* Wolfgang Schnabel und Dr. Stefan Morgott sind technische Experten bei Osram Opto Semiconductors in Regensburg.

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