Bis zu 3.500 ANSI Lumen LED-Chips mit hoher Stromdichte für helle Projektoren

Autor / Redakteur: Dr. Benjamin Schulz / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Eine neue Generation LED-Chips erlaubt Stromdichten von bis zu 6 A/mm². Damit sind hellere Projektoren möglich. Dank der neuentwickelten Chiptechnik vereinfachten sich die Light Engines. Weitere Helligkeitssprünge sind möglich.

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Helle Projektoren: Dank neuer LED-Chips sind Projektoren nicht nur Heller, sondern auch sparsamer.
Helle Projektoren: Dank neuer LED-Chips sind Projektoren nicht nur Heller, sondern auch sparsamer.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Egal ob im Beruf oder im privaten Umfeld: Der Einsatz von großflächigen Displays und Projektoren hat in den letzten Jahren zugenommen. Das zeigt auch eine Statistik aus dem Jahr 2019: Die Prognose zum Umsatz mit PC-Monitoren und Projektoren in Deutschland belief sich 2018 auf einen Umsatz auf 1.698,8 Mio Euro. Für das Jahr 2021 wird ein Umsatz von 1.744,3 Mio. Euro prognostiziert [1]. Bei den Displays gibt es unterschiedliche Techniken, die Bilder darzustellen. Dazu gehören OLEDs, Mini- oder Micro-LEDs. Selbst skalierbare und teilweise faltbare Bildschirme sind möglich.

Eine Alternative zu Displays sind Projektoren, die bereits sehr gute Helligkeitswerte erreichen. Nutzer müssen dadurch den Besprechungsraum nicht abdunkeln, um das Bild gut zu erkennen. Außerdem sind die Bildgrößen skalierbar und Bildinhalte können nahezu auf jede Oberfläche projiziert werden. Ausreichend Helligkeit bei Projektoren war nicht immer einfach. Hersteller griffen nach Laser, die aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften eine logische Wahl bei der Suche nach der richtigen Lichtquelle waren.

Laser und LED vs. Quecksilberdampflampe

Laser bieten beides: Eine lange Lebensdauer und genügend Helligkeit. Außerdem nimmt die Helligkeit im Vergleich zu konventionellen Lichtquellen im Laufe der Zeit kaum ab. Sie waren damit eine hochwertige und verlässliche Alternative zu Quecksilberdampflampen. Parallel dazu entwickelten sich auch leistungsstarke LED-basierte Projektoren zu einer weiteren interessanten Alternative. Einer der wichtigsten Aspekte der Bildqualität bei jeder Lichtquelle, um Inhalte darzustellen, ist die Farbe.

Konventionelle Projektoren verwenden typischerweise eine weiße Lichtquelle und erzeugen die Primärfarben über ein mechanisch angetriebenes Farbfilterrad. Schwachstellen sind zum einen die Größe der Hochdruckentladungslampen zusammen mit den mechanisch bewegten Komponenten im Projektor. Sie benötigen außerdem vergleichsweise viel Bauraum. Hochdruckentladungslampen müssen zudem im Laufe der Lebensdauer eines Projektors mehrmals ausgetauscht werden. Der Projektor muss deshalb so konstruiert sein, dass die Lichtquelle möglichst leicht zu erreichen ist.

LED-basierte Projektoren sind kompakter und sie profitieren von einer längeren Lebensdauer. Sie erreichen vergleichbare Helligkeitswerte und bieten durch die direkte Farberzeugung viel kräftigere und sattere Farben. Jede der drei Hauptfarben Rot, Grün und Blau (RGB) wird dabei üblicherweise von einer LED abgedeckt, die je nach Leistungsklasse mehrere Chips in einem Bauteil vereinen kann.

Vorteile der LED-Technik bei Projektoren

Exemplarischer Projektoraufbau: Eine digitale Mikrospiegelvorrichtung und einzelnen roten, grünen und blauen LED-Chipships.
Exemplarischer Projektoraufbau: Eine digitale Mikrospiegelvorrichtung und einzelnen roten, grünen und blauen LED-Chipships.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

Da LEDs nicht regelmäßig ausgetauscht werden müssen, lässt sich das Gehäuse des Projektors einfacher gegen äußere Einflüsse wie Staub oder Feuchtigkeit abdichten. Das verlängert wiederum die Lebensdauer des Projektors. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der LED-Technik: sie enthält kein giftiges Quecksilber. Eine LED bringt sofort nach dem Einschalten die notwendige Helligkeit und muss im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchten nicht aufheizen, bevor sie verwendet werden können.

Der Erfolg LED-basierter Projektoren begann vor einigen Jahren mit den Pico-Projektoren [2]. Sie erreichten Helligkeiten von rund 15 Lumen. Aktuelle Modelle kommen jetzt auf weit höhere Werte. Möglich sind bis zu 3.000 ANSI Lumen [3]. Seit vielen Jahren entwickelt und produziert AMS Osram Lichtquellen für die Projektion. Mit seinen LEDs sind Projektorhelligkeiten von weniger als 10 bis 3.500 ANSI Lumen möglich. Dieser weite Bereich erfordert nicht nur Bestwerte in puncto Effizienz für batteriebetriebene Projektoren, sondern auch LEDs, die mit sehr hohen Stromdichten von bis zu 6 A/mm² betrieben werden können.

Hohe Ströme für die LED

Neue Chiptechnik: Die Familie Osram Ostar Projection Power ermöglicht Projektorhelligkeiten bis 3.500 ANSI Lumen. Das Bild zeigt die grüne 6-Chip-Variante.
Neue Chiptechnik: Die Familie Osram Ostar Projection Power ermöglicht Projektorhelligkeiten bis 3.500 ANSI Lumen. Das Bild zeigt die grüne 6-Chip-Variante.
(Bild: Osram Opto Semiconductors)

In der Regel verfügen LEDs für Projektoren über eine Metallkernplatine, auf der die einzelnen Chips aufgelötet sind. Lange Zeit ließen sich die Chips nur parallel betreiben. Der Strom wurde gleichmäßig auf die einzelnen Chips verteilt. Beispielsweise waren für sechs Chips und einem Strom von 8 A je Chip insgesamt 48 A notwendig. Durch die Parallelschaltung und die damit verbundene extrem hohe Stromstärke mussten teure Spezialtreiber, Kabel sowie Stecker mit enormen Durchmessern verwendet werden, die der hohen Stromstärke der Anwendung standhalten konnten.

Die bisher verwendeten Chiptechniken hatten bereits ihren maximalen Treiberstrom erreicht. Deshalb entwickelte Osram Opto Semiconductors eine neue Chiptechnik mit höherer Strombelastbarkeit. Sie ermöglicht große Helligkeitssteigerungen für LED-Projektoren. Anfang 2020 präsentierte das Unternehmen die Produktfamilie Osram Ostar Projection Power mit einer 1-, 2-, 4- und einer 6-Chip-Version für jede der drei Farben in den jeweiligen Projektorklassen von 750, 1.500, 2.500 und etwa 3.500 ANSI Lumen.

Die besondere Chiptechnik in Kombination mit dem überarbeiteten Gehäusedesign ermöglicht eine elektrische Verbindung der einzelnen Chips innerhalb des Gehäuses in Reihe statt parallel. Das führt zu einem geringeren Gesamttreiberstrom im Vergleich zu früheren Systemarchitekturen.

Von 48 auf acht Ampere gesenkt

Zusätzlich wird der Herstellungsprozess der Projektoren in Bezug auf die elektrische Ansteuerung, die elektrische Isolierung sowie das Wärmemanagement der Light-Engine erheblich einfacher und senkt Geräusche des Kühlungssystems. Im Vergleich zur früheren Version, die 48 A für die Ansteuerung der 6-Chip-Lösung brauchte, benötigt der neue Ansatz 8 A. Höhere Spannungen lassen sich leichter handhaben als höhere Stromstärken.

Dank der niedrigeren Stromstärken können Hersteller von Light-Engines günstigere Treiberstrukturen und Anschlüsse verwenden. Damit sind günstigere Systemkosten möglich.

Bei LED-Projektoren werden die drei wesentlichen Farben Rot, Grün und Blau (RGB) jeweils durch einzelne LEDs wiedergegeben. Während bei Rot und Blau historisch gesehen verhältnismäßig schnell akzeptable Helligkeitswerte erreicht werden konnten, standen die Hersteller beim grünen Farbbereich vor Problemen.

Effizienz und Helligkeit beim Grün

Das sogenannte Green-Gap-Phänomen beschreibt die Diskrepanz zwischen hinreichenden Werten in Effizienz und Helligkeit und den physikalischen Eigenschaften des LED-Materialsystems, das für direkt emittierende grüne LEDs benötigt wird. Unabhängig von der relativ geringen Effizienz ist Grün die wichtigste Farbe für die Helligkeit von Projektoren.

Bei einem D65-Standard-Weißpunkt liefert die grüne Komponente eines Projektors rund 80 Prozent der Gesamthelligkeit, während Rot mit 15 und Blau mit nur fünf Prozent weit weniger dazu beitragen. Osram adressierte das Green-Gap-Problem durch den Einsatz direkt emittierender LEDs und der sogenannten Converted Green Technology. Sie wandelt blaues Licht mithilfe spezieller Leuchtstoffe in grünes um, wodurch Helligkeit und Effizienz steigen.

Untersuchungen von Osram zeigten, dass das Helligkeitspotential des grünen Leuchtstoffs bei der Anregung durch die darunterliegende LED noch nicht ausgeschöpft ist. Höhere Werte sind möglich. Neben dem bekannten dreifarbigen Aufbau wurde daher eine weitere blaue LED in das System integriert, deren Strahlung den Konverter zusätzlich von der Oberseite anregt. Dieses Vier-Kanal-Konzept bildet die technische Basis für alle gängigen LED-Projektoren.

Effizientes Systemdesign bei einem Projektor

Der Aufbau der Light-Engine des Projektors ist durch das Zusammenspiel vieler Einzelkomponenten wie LEDs, Optiken, Spiegeln und der DMD-Einheit durchaus komplex. DMD steht für Digital Micromirror Device (Mikrospiegelaktor) [4]. Um effiziente Systeme zu entwickeln, muss die sogenannte Étendue berücksichtigt werden. Diese physikalische Konstante beschreibt die geometrische Ausdehnung von Licht in einem optischen System.

Die maximal nutzbare LED-Lichtaustrittsfläche wird durch individuelle Systemparameter bestimmt. Dazu gehören Akzeptanzwinkel und Größe des bildgebenden Elements. Sie lassen sich nicht einfach vergrößern, um höhere Lumenwerte zu erreichen. Je besser die Abstimmung zwischen Lichtquelle und Imager ist, desto höher ist der Wirkungsgrad und die erreichbare Helligkeit. Daher ist das zentrale Ziel, so viel Licht wie möglich auf der lichtempfangenden Fläche des DMD unterzubringen. Künftige Fortschritte bei der LED-Technik zusammen mit gesteigerter Projektorhelligkeit stehen in einem direkten Verhältnis zueinander.

Weitere Helligkeitssprünge bei LEDs

Projektoren befinden sich seit einigen Jahren auf dem Vormarsch. Dank immer neuer technischer Verbesserungen sind sie eine direkte Konkurrenz zu etablierten Displays. Neueste Wegmarken wie die Familie Ostar Projection Power von AMS Osram zeigen das Potenzial in der Weiterentwicklung LED-basierter Ansätze.

Die LEDs in aktuellen Projektoren erzeugen bereits bis zu 10.000 Roh-Lumen. Allerdings erreichen nur etwa 3.500 lm davon die Leinwand. Das bedeutet, dass ungefähr 60 bis 70 Prozent der ursprünglichen Helligkeit verloren gehen. Technisch gesehen gibt es durchaus Raum für weitere Optimierungen für künftige LED-Projektorgenerationen. Neuste Erkenntnisse versprechen bereits deutliche zusätzliche Helligkeitssprünge von LED-basierten Projektoren.

Referenzen

[1] Statista. (2019). Umsatz mit PC-Monitoren und Projektoren in Deutschland von 2016 bis 2021 (in Millionen Euro). Statista. Zugriff: 20. September 2021.

[2] Hochleistungs-LED. Die Vorteile der LED in einem Pico-Projektor. ELEKTRONIKPRAXIS. Zugriff: 20. September 2021.

[3] 3000 ANSI Lumen. LED-Projektor: Sechs LED-Chips mit Helligkeiten jenseits von 3.000 ANSI Lumen. ELEKTRONIKPRAXIS. Zugriff: 20. September 2021.

[4] Mikrospiegelaktor (DMD) und der Einsatz in der Bühnentechnik. ELEKTRONIKPRAXIS. Zugriff: 20. September 2021.

* *Dr. Benjamin Schulz ist Senior System Solutions Engineer und verantwortlich für den Bereich LED Projection bei AMS Osram.

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