LED-Beleuchtung Effiziente Optiken für High-Power-LEDs

Autor / Redakteur: Jonas Hoerberg* / Andreas Mühlbauer

Bei High-Power-LEDs ist eine exakte Ausrichtung des Lichts entscheidend, um deren Möglichkeiten voll auszuschöpfen. Zusätzliche Optiken tragen dazu bei, optimale Beleuchtungsergebnisse zu realisieren.

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Um die gewünschten Eigenschaften von LED-Beleuchtungen zu erzielen, werden häufig zusätzliche Optiken eingesetzt. An erster Stelle stehen dabei verschiedene Linsentypen. Die gebräuchlichsten Linsen sind nach ihren Abstrahlcharakteristiken Batwing-Linse, Lambertstrahler und Side-Emitter benannt.

Die Batwing-Linse (Bild 1b), deren Abstrahlprofil einem Fledermausflügel ähnelt, wurde ursprünglich für Verkehrsampeln konzipiert. Um das Licht gleichmäßig zu verteilen, kommt hier oftmals eine Fresnellinse (Bild 2) zum Einsatz. Sie verfügt über einen eingebauten Reflektor, der das Licht in einem Kegel mit 40° Öffnungswinkel verstärkt und es in der Mitte leicht abblendet.

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Die am häufigsten benötigte Strahlcharakteristik ist die des Lambertstrahlers (Bild 1a). Dieser strahlt Licht gleichmäßig in alle Richtungen in Form einer Kosinuskurve ab. Der Lambertstrahler ist heute Standard für High-Power-LEDs und wird oft in Verbindung mit Sekundäroptiken verwendet.

Die Side-Emitter-Linse (Bild 1c und 4) hingegen strahlt das Licht zur Seite hin ab. Sie unterscheidet sich sowohl in der Form als auch in ihrer Abstrahlcharakteristik vom Lambertstrahler und von der Batwing-Linse. Das nach oben abgestrahlte Licht wird kollimiert und durch einen konischen Reflektor um 90° umgelenkt, sodass es in der horizontalen Ebene austritt. Das zu den Seiten abgestrahlte Licht wird ebenfalls kollimiert und zur horizontalen Ebene hin gebrochen. Diese Kombination resultiert in einem schmalen Lichtstrahl, der um 360° um die Achse in der horizontalen Ebene gestreut wird. Der Side-Emitter findet besonders bei Warnleuchten Anwendung, die aus allen Richtungen sichtbar sein müssen. Er wird zunehmend in Hintergrundbeleuchtungen für LC-Displays eingesetzt.

Mehr Flexibilität durch Sekundäroptiken

Einer der Hauptgründe für den Einsatz von High-Power-LEDs, wie beispielsweise der Luxeon von Philips Lumileds, ist der im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen höhere Wirkungsgrad. Gleichzeitig sind LEDs kompakter und flexibler. Zur optimalen Nutzung ihrer hohen Effizienz ist es erforderlich, dass das von der LED emittierte Licht dort ankommt, wo es benötigt wird. In vielen Fällen kommt dafür eine Sekundäroptik zum Einsatz.

Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Sekundäroptiken. Die einfache Linse ist in der Regel die günstigste Lösung. Sie fokussiert das Licht der LED. Doch die Sammeleffizienz einer Linse beträgt typischerweise nur 50%, da sie das von der LED zur Seite emittierte Licht nicht sammelt. Hier können Reflektoren Abhilfe schaffen. Dies sind meist gepresste Metall- oder Kunststoffformen mit einer reflektierenden Metallbeschichtung. Herkömmliche Parabolreflektoren erzeugen einen hellen zentralen Lichtstrahl, der von einem breiten diffusen Strahl umgeben ist (Bild 3a). Die in Bild 3b dargestellte TIR-Optik (Total Internal Reflection) ist die am häufigsten verwendete Sekundäroptik für High-Power-LEDs. Diese Mischoptik verwendet eine Kombination aus einer zentralen Linse und einem totalreflektierenden Spiegel, um das Licht der Quelle zu kollimieren.

Im Gegensatz hierzu ist der katadioptrische Reflektor eine Kombination aus einem dünnen Doppelreflektor und einer Linse (Bild 3c). Das Linsengehäuse besteht, wie in einer TIR-Optik, aus Kunststoff. Die refraktiven Oberflächen der Linse sind zudem mit einer reflektierenden Schicht überzogen. Dieser Linsentyp erzeugt sehr enge Strahlen. Lichtkästen sind nützlich, um große diffuse Quellen zu erzeugen. Sie werden als Kasten mit hoch reflektierenden Wänden, einem hoch reflektierenden Boden und einem diffusen Ausgangsfenster konstruiert. Sie erzeugen große, gleichmäßige Beleuchtungsbereiche, indem sie das Licht mehrmals reflektieren, bevor es austritt. In Hinweisschildern beispielsweise kommen Side-Emitter-LEDs zur Anwendung. Sie werden in einer transparenten Acrylplatine versenkt. So kann sich das Licht vollständig in dem Trägermaterial ausbreiten, und es entstehen kaum Streuverluste.

Dimensionieren von LED und Optik

Herkömmliche Lampen haben einen Nachteil: Ihr Licht erzeugt viel Wärme, was je nach Umgebung gefährlich sein kann. Dort sind Lichtquellen mit geringer Wärmeentwicklung gefordert. So lässt sich beispielsweise eine Leselampe mit einer High-Power-LED und einem Kollimator realisieren. Sind die für die Anwendung erforderliche Lichtstärke, die Entfernung zwischen Lampe und Ziel sowie der Abstrahlwinkel bekannt, lässt sich der benötigte Lichtstrom berechnen.

Dabei sind mehrere Verlustfaktoren zu berücksichtigen. Zum einen sind dies Wärmeverluste, denn je wärmer die LED, desto geringer die Lichtstärke. Hinzu kommen Ungenauigkeiten der Abstrahlcharakteristik: Typischerweise wird 30% weniger Licht als der angegebene Lux-Wert abgestrahlt, da die Abstrahlcharakteristik nicht exakt den theoretischen Vorgaben folgt. Weiterhin treten bei jeder Linse optische Verluste durch Beugung und Absorption auf. Bei einem Kollimator liegt der typische Gesamtverlust zwischen 15 und 30%. Bei Berücksichtigung all dieser Faktoren lässt sich nun der Lichtstrom berechnen, den die LED liefern muss und entsprechend der passende Kollimator wählen.

LED-Optiken im Überblick

Um die Möglichkeiten von LEDs voll auszuschöpfen, sind in der Regel zusätzliche Optiken erforderlich. Diese werden nach ihren optischen Eigenschaften unterscheiden. Linsen zählen zu den. Zu den gebräuchlichsten Primäroptiken (Bild 1) zählt der Lambert-Strahler, dessen Lichtintensität entlang der optischen Achse am höchsten ist und mit zunehmendem Winkel weg von der Achse cosinusförmig abnimmt. Die Batwing-Linse erzeugt ein um die optische Achse symmetrisches Profil, wobei jedoch die Bereiche höchster Intensität etwa 20 bis 40° weg von der Achse liegen. Die Side-Emitter-Linse emittiert Licht senkrecht zur optischen Achse.

Unter Sekundäroptiken versteht man Reflektoren oder Kombinationen verschiedener optischer Elemente (Bild 3). Der einfache, parabolische Reflektor erzeugt einen starken zentralen Lichtstrahl, um den herum sich ein diffuser Lichtkegel bildet. Auf Totalreflexion beruht das Prinzip der TIR-Optik. Von der LED emittiertes Licht wird durch eine Kombination aus Linse und Reflektor zu einem parallelen Lichtstrahl gebündelt. Noch engere Strahlen lassen sich mit einem katadioptrischen System erzielen: Das emittierte Licht passiert einen Glaskonus und trifft schräg auf einer reflektierende Schicht an der Öffnung des Reflektors. Von dort wird es in diesen zurückgeworfen und im Reflektor so reflektiert, dass es diesen als schmales, paralleles Lichtbündel verlässt.

Die Einsatzbereiche von Primär- und Sekundäroptiken reichen von Raumbeleuchten über Warn- und Hinweiszeichen bis hin zu Display-Hintergrundbeleuchtungen.

*Jonas Hoerberg ist Technical Solutions Manager bei Future Electronics

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