Weiße LED Eine konstant weiße Lichtfarbe ganz ohne Binning

Autor / Redakteur: Dr. Martin Pfeiler-Deutschmann * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit dem Binning lassen sich Eigenschaften der LED wie Helligkeit oder Farbort in Klassen einteilen. Wenn man darauf verzichten will, muss man am Konvertermaterial und dessen Dicke ansetzen.

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Weißes Licht: Das weiße Licht für die Allgemeinbeleuchtung wird meist über Wellenlängenkonversion erzeugt, das heißt über einen blauen LED-Chip und einen Konverterleuchtstoff.
Weißes Licht: Das weiße Licht für die Allgemeinbeleuchtung wird meist über Wellenlängenkonversion erzeugt, das heißt über einen blauen LED-Chip und einen Konverterleuchtstoff.
(Bild: Tridonic)

Als die ersten LEDs in den 1960er-Jahren auf den Markt kamen, setzte man die roten, schwach glimmenden Lichtquellen in Signallämpchen ein. Lichtqualität und Farbtoleranz spielten damals noch keine Rolle. In den späten 1980er- und 1990er-Jahren folgten grüne, gelbe und blaue LEDs. Seit Mitte der 1990er-Jahre gibt es zudem weiße LEDs. Mit ständig wachsender Lichtausbeute sind diese LEDs in der Allgemeinbeleuchtung im Einsatz. Für eine breite Akzeptanz der Halbleiter-Lichtquellen müssen Lichtqualität und Farbtoleranz stimmen, bei einem akzeptablen Preis.

Das weiße Licht lässt sich nicht direkt erzeugen. Es entsteht stets aus einer Farbmischung: beispielsweise aus der Kombination von roten, blauen und grünen LED-Chips oder aus einer Kombination von blauem Licht und einem Konverterleuchtstoff. Weißes Licht für die Allgemeinbeleuchtung wird heute meist über Wellenlängenkonversion erzeugt, das heißt über einen blauen LED-Chip und einen Konverterleuchtstoff. Da die Energie des Lichts umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist, hat kurzwelliges blaues Licht eine höhere Energie als beispielsweise das langwelligere gelbe Licht.

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Regt man geeignete Leuchtstoffe mit blauen LED-Chips an, wird ein Teil des höher energetischen blauen Lichts vom Leuchtstoff absorbiert und in niederenergetischere Strahlung umgewandelt. Das restliche blaue Licht und das erzeugte gelb/grüne oder rote Licht ergeben in der additiven Mischung weißes Licht. Das Konversionsmaterial lässt sich entweder direkt auf einen blau emittierenden LED-Chip aufbringen oder es wird in der LED-Vergussmasse aus Silikon eingebracht (dispergiert).

Lichtquellen mit konstant gleichen Eigenschaften

In der Fertigung ergeben sich beim weißen Licht dennoch kleine Farb- und Helligkeitsunterschiede zwischen den einzelnen LEDs, auch wenn sie aus einer Charge stammen. Abhilfe verspricht das Binning. Dabei können LEDs nach Eigenschaften wie Helligkeit, Farbort oder Vorwärtsspannung in Klassen eingeteilt werden. Vor allem die Klassifizierung nach Farbort ist wichtig, da beim menschlichen Sehen die Sensitivität bezogen auf Farbunterschiede sehr hoch ist. Helligkeitsunterschiede werden dagegen weit weniger stark wahrgenommen. Je spezifischer die Klasseneinteilung erfolgt, desto höher ist der Aufwand für das Binning. Tridonic verzichtet auf Binning und gleicht die feinen Unterschiede Schritt für Schritt über die Zusammensetzung des Konvertermaterials und dessen Dicke aus. Damit ergeben sich Lichtquellen mit konstant gleichen Eigenschaften.

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Steuerbares Weiß von 2700 bis 6500 K

Für einstellbares Weiß realisiert Tridonic die geforderten geringen Farbtoleranzen über die Wellenlängenkonversion mit der 2-Kanal-Technik (Kaltweiß/Warmweiß), bei CoB-LEDs über 3-Kanal-Technik (monochromes Rot und Blau sowie grüner Phosphor). Jeder Kanal kennzeichnet einen Punkt im CIE-Farbdreieck. In der 2-Kanal-Variante sind dies zwei Punkte (Warmweiß und Kaltweiß). Durch Kombination verschiedener Anteile der beiden Kanäle sind mit der 2-Kanal-Variante alle Farbeindrücke/Farborte möglich, die genau auf der Verbindungslinie zwischen den beiden Punkten im CIE-Farbdreieck liegen.

Die 3-Kanal-Variante umspannt mit einem farbkonvertierten Punkt im grünlichen Bereich sowie jeweils einem Punkt im monochrom blauen mit 470 nm und roten Bereich mit 610 nm einen ganzen Farbraum, so dass alle Farbeindrücke/Farborte des Farbraums möglich sind. Über eine Steuerung lässt sich der Lichtpunkt exakt entlang der Plankschen Kurve bewegen. Damit lässt sich stufenlos ein steuerbares (tunable) Weiß von 2700 bis 6500 K erzeugen und der Lichtstrom ist über den gesamten Steuerbereich konstant. Farbtoleranzen werden über den gesamten Dimmbereich in engen Grenzen gehalten.

Das Ausgangsmaterial für Chip-on-Board- (CoB-)LEDs sind blaue Chips mit Wellenlängen zwischen 447,5 und 465 nm. Zuerst werden die rohen Chips auf dominante Wellenlänge, Helligkeit und Vorwärtsspannung untersucht und typischerweise in Klassen von Wellenlänge mit 2,5 nm eingeteilt. In Sonderfällen auch in bis zu 0,5-nm-Klassen. Unterschiede in den Eigenschaften innerhalb der Klassen werden durch eine Technik beim Aufbringen des Konvertermaterials ausgeglichen.

Das Aufbringen erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Dosierschritt werden etwa 70 bis 80 Prozent der geplanten Menge des jeweiligen Konvertermaterials aufgebracht. Noch im ungehärteten Zustand des Materials erfolgt eine erste photometrische Vermessung. Dabei positioniert ein Inline-Messroboter über jede einzelne Lichtquelle vollautomatisch eine sogenannte Ulbrichtkugel. Damit lässt sich das abgestrahlte Licht genau charakterisieren. Nach ihrer Positionierung wird die jeweilige Lichtquelle elektrisch kontaktiert und innerhalb von 20 bis 50 ms das Lichtspektrum gemessen. Über einen Lichtwellenleiter ist die Ulbrichtkugel mit einem Spektrometer verbunden.

Die Ergebnisse informieren, ob die LEDs im vorgegebenen Toleranzbereich um den gewünschten Farbort liegen. Der Farbort beschreibt die Farbe exakt anhand ihrer Koordinaten im CIE-Farbraum. Der Toleranzbereich steht für die maximal mögliche Abweichung vom gewünschten Farbort. Die Maßeinheit der Farbtoleranz ist SDCM = Standard Deviation of Colour Matching, ihr Wert stellt den Bezug zum CIE-Farbraum und den MacAdam-Ellipsen her. SDCM 1 oder auch MacAdam 1 beschreibt beispielsweise die sehr kleine Ellipse um den gewünschten Farbort, in der alle LEDs mit entsprechender Klassifizierung liegen müssen. Hier sind nur sehr geringe Abweichungen vom gewünschten Farbort erlaubt. Entsprechend größer fallen MacAdam-2- und MacAdam-3-Ellipsen aus.

In einem zweiten Dosierschritt kann auf jede Lichtquelle eine individuell angepasste Menge Konvertermaterial aufgebracht werden, um die finale Abweichung vom Zielfarbort weiter zu reduzieren. Dadurch gelingt es, sich über die Dicke der Konversionsschicht dem gewünschten Farbort immer mehr zu nähern. Auch nach dem zweiten Dosierschritt wird vollautomatisch photometrisch vermessen. Zum einen wird das Endergebnis kontrolliert und der Prozess und die Optimierung von Regelparametern des vorangegangenen Prozesses werden einbezogen. Das System ist auf kontinuierliche Selbstoptimierung ausgelegt.

Durch die beiden, voneinander unabhängigen Dosiervorgänge lassen sich die Streuungen in den einzelnen Wellenlängen-Klassen deutlich reduzieren, wodurch der gewünschte Farbort erreicht wird. Die Ausfall- bzw. Fehlerrate liegt im Idealfall bei deutlich unter einem Prozent. Bei einstufigen Vergussprozessen liegt die Fehlerrate der LEDs, die nicht den spezifizierten Farbort treffen, bei bis zu 10 Prozent.

Die Qualität während der Fertigung garantieren

Um die gewünschten Farbtoleranzen sicher einzuhalten, legt man den Toleranzbereich während der Fertigung in engeren Grenzen fest, als die Produktspezifikation erfordert. Soll die Farbtoleranz der LEDs am Ende MacAdam 3 entsprechen, gibt man in der Fertigung MacAdam 2,5 vor. Das Verfahren ist beliebig skalierbar, so dass auch Farbtoleranzen realisierbar sind, die MacAdam 2 oder MacAdam 1 entsprechen. Geringe Toleranzen sind dann notwendig, wenn Exponate in Museen und Ausstellungen farbtreu wiedergegeben werden sollen.

Auch das Gesundheitswesen fordert enge Farbtoleranzen oder dass spezielle Kenngrößen der Farbwiedergabe eingehalten werden. SMD-LEDs werden nach Lieferantenvereinbarung als Rollenware in bestimmten Bins eingekauft und auf die Platine aufgelötet. Eine Matrix legt fest, wie die LEDs miteinander kombiniert werden können, um die gewünschten Farbtoleranzen einzuhalten. Die erreichbaren Farbtoleranzen entsprechen theoretisch denen des CoB-Prozesses.

In der Praxis lässt sich das System im Gegensatz zum CoB-Prozess jedoch nicht beliebig skalieren. Die Rollenware wird zwar in bestimmten Bins geliefert, aber auch Bins haben Toleranzbereiche in Bezug auf die Eigenschaften der SMD-LEDs. Ob die angelieferte Ware gleichmäßig verteilt über den Bin oder nahe der Toleranzgrenzen liegt, lässt sich weder vorhersagen, noch während des Herstellprozesses aussteuern. Das ist ein Nachteil im Vergleich zu CoB-Lösungen. Aus beiden LED-Bauformen entstehen homogene weiße, reproduzierbare Lichtquellen oder LED-Module, die nicht nur nach Farbtemperatur, sondern nach Farbort und MacAdam-Farbtoleranzen klassifiziert sind. In der Anwendung erscheint ein homogenes Lichtbild. Die Raum- bzw. Objektwirkung bleibt konstant.

* Dr. Martin Pfeiler-Deutschmann ist Head of Product Realisation bei Tridonic in Österreich.

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