LED Tipps, Teil 5 Weiße LEDs zu einem harmonischen Licht mischen

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Werden mehrere gleichfarbige LEDs des selben Produktionszykluses zu einem System zusammen geschlossen, kommt es zu kleinen Unterschieden bezüglich des Farborts oder des Lichtstroms. Abhilfe verspricht das "Color Mixing".

Keine Leuchtdiode gleicht exakt einer anderen, selbst dann, wenn beide aus derselben Produktionscharge stammen. Kleine Abweichungen sind an der Tagesordnung, etwa bei den Leistungswerten. Deshalb greifen Hersteller auf das Binning zurück.

Dabei werden die LEDs in einzelne Klassen, den Bins, eingeteilt. Als Grundlage dient der Lichtstrom und die Helligkeit oder der Farbort und der Weißton. Binning wird von verschiedenen Normen gefordert, etwa der Energy-Star-Spezifikation. Sie geben unter anderem Grenzwerte für den CCT- (Correlated Color Temperature-)Wert, den Color Rendering Index, kurz CRI, und die Leuchtkraft oder Lumen-Wert vor.

Will der Hersteller die Farbkonsistenz eines Beleuchtungssystems sicherstellen, hat er mehrere Möglichkeiten. Er kann LEDs einsetzen, die aus nur einem oder wenigen Bins stammen. Das ist jedoch kostspielig. Oder er verwendet spezielle LED-Linien wie die EasyWhite von Cree.

Die dritte und preisgünstigste Möglichkeit besteht darin, die komplette Produktionscharge einzusetzen, auch wenn diese leichte Abweichungen in Bezug auf Lichtstrom (Flux) und Farbort (Chromazität) aufweisen. Der "Trick" besteht darin, die Leuchtdioden im Beleuchtungssystem so miteinander zu kombinieren, dass unter dem Strich der gewünschte Farbwert herauskommt. Das "Color Mixing" ist günstiger als die beiden anderen genannten Verfahren.

Mit Color Mixing unter- schiedliche LEDs kombinieren

Dazu folgendes Beispiel: Der Lichtstrom von weißen LEDs derselben Produktionscharge weist Schwankungen auf, die sich über mehrere Bins hinweg erstrecken, etwa von Q5 bis hin zu R2 (Bild 1). In einigen Bins sind daher viele LEDs zu finden, in anderen gar keine. Ein Entwickler benötigt nun weiße LEDs eines bestimmten Bins, etwa 7B4, mit einer Farbtemperatur von 3000 Grad Kelvin. Statt sich auf LEDs dieses einen Bins zu konzentrieren, wählt der Entwickler bei Color Mixing LEDs aus mehreren Bins und integriert sie in sein System.

Mithilfe von LEDs aus unterschiedlichen Bins lassen sich ähnliche Farbwerte erzielen wie mit Leuchtdioden, die aus einem Sub-Bin stammen. Dabei müssen folgende Parameter berücksichtigt werden:

der Farbort:Er wird mit dem CIE-Farbnormsystem ermittelt (CIE 1931 Farbraum). Es beschreibt anhand der Grundfarben Rot (X), Grün (Y) und Blau (Z), wie ein Betrachter eine Farbe beziehungsweise eine Mischung aus ihnen wahrnimmt. Die entsprechende Maßzahl ist der Tristimulus-Wert.

der Lichtstrom (Flux): Φ = Y.

Die Tristimulus-Werte für ein Beleuchtungssystem, das auf Color Mixing basiert, werden auf folgende Weise berechnet:

X = x*(Y/y), Y=Y, Z=(Y/y)*(1-x-y)

Die kombinierten Farbwerte sind die Summe der Tristimulus-Werte der LEDs, im Beispiel unten die der weißen Leuchtdioden aus vier Bins:

X_mix=X1+X2+X3+X4; x_mix = X_mix/(X_mix+ Y_mix+Z_mix)

Y_mix=Y1+Y2+Y3+Y4 und y_mix = Y_mix/(X_mix+Y_mix+Z_mix)

Z_mix=Z1+Z2+Z3+Z4; Φ_mix = Y1+Y2+Y3+Y4

Damit der Betrachter den Eindruck erhält, das Beleuchtungssystem gebe Licht einer einheitlichen Farbtemperatur ab, sollten sich die unterschiedlichen Farbschattierungen der LEDs sich überlagern. Das ist nur dann gegeben, wenn sich der Betrachter nicht allzu nahe an der Lichtquelle befindet. Eine weitere Möglichkeit bietet ein integrierter Diffusor, der die Farbtöne harmonisiert.

Konsistente LED-Systeme garantiert

Color Mixing ist ein effizientes und kostengünstiges Verfahren, um Leuchtsysteme mit gleich bleibender Qualität zu konzipieren, in denen mehrere LEDs miteinander kombiniert werden, und das für jeden Farbpunkt, den das ANSI für die Farbräume von Bins definiert hat.

Die Entwickler von Beleuchtungssystemen und Lampen, in denen mehrere LEDs verbaut werden, müssen nur die leichten Unterschiede zwischen den einzelnen Leuchtdioden kompensieren. Dafür profitieren sie von wesentlich günstigeren Einkaufs- und Kunden damit von günstigen Endpreisen.

* * Mitch Sayers ist EMEA Field Application Engineer bei Cree.

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