Gehäuse-Technologie

Mehr Farbbrillanz bei RGB-LEDs

| Autor / Redakteur: Jochen Hüskens * / Hendrik Härter

Bei Aufbau, Farberzeugung, Material und der Gehäusetechnik von RGB-LEDs geht Rohm neue Wege: Sei es als High-Brightness-LED oder LED mit geringen Gehäuseabmessungen. Auch dem Treiberbaustein wird eine besondere Rolle zuteil.

LEDs verbrauchen ca. 25% der Energie wie vergleichbare Leuchtmittel, emittieren weniger CO2, reagieren schneller, sind langlebiger und bieten mehr Flexibilität in der Gestaltung der Leuchteinheiten. In einer erst kürzlich veröffentlichten Studie geht Yole Developement davon aus, dass der allgemeine Beleuchtungsbereich innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre mehr als 50% anwachsen wird. Gleichzeitig nimmt die Vielfalt im Anwendungsbereich beständig zu, wobei erhöhte Anforderungen an Präzision, Lichtstärke und Homogenität gestellt werden.

Der traditionelle Ansatz, um Rot, Gelb und Blau mit LEDs zu erzeugen war, für jede Farbe separate Gehäuse auf einer Trägerplatine anzuordnen, um ein dreifarbiges Ergebnis zu erzielen. Dass ein solches Modell sehr viel Platz beanspruchte, versteht sich und erklärt andererseits die Attraktivität einer Drei-in-Eins-Lösung mit RGB-LEDs, resultierend aus ihrer Fähigkeit, praktisch jede Farbe einschließlich Weiß zu erzeugen. Sie beanspruchen dabei sehr wenig Platz, da die drei Elemente in einem äußerst kompakten Bauteil integriert sind, ohne dass es zu Zuverlässigkeitseinbußen kommt.

Es wird außerdem verhindert, dass sich externes Licht mit dem Licht benachbarter Chips mischt, was eine zu geringe Farbtrennung verursachen kann. Jede Einheit kann dabei über einen eigenen Kanal einzeln angesteuert werden. Das prädestiniert RGB-LEDs zur ersten Wahl für portable Applikationen, die große Helligkeit und Multi-Farben auf kleiner Fläche erfordern.

Eine neue Gehäuse-Technologie für die LED

Ein Nachteil von High-Brightness-LEDs ist die geringe Distanz zwischen LED und Zielobjekt, die häufig aus der relativ großen Gehäusebauhöhe konventioneller LEDs von mindestens 1,4 mm resultiert, und die nicht selten zu einer ungleichmäßigen Helligkeitsverteilung, schlechten Farbqualität und einem eingeschränkten Wirkungskreis führt. Von Nachteil kann auch sein, dass die LED durch das Objekt hindurch zu sehen ist. Eine Vergrößerung des Abstands zwischen LED und Panel ist häufig aus Platzgründen nicht möglich.

Rohm hat diese Problematik mit LEDs des Oberflächenmontage-Typs SMLVxx (PLCC6) und MSL0x gelöst, die in Kombination mit einem kleinen Gehäuse die geringste Bauhöhe auf dem Markt bieten. Mit Hilfe einer flachen Rahmenstruktur gelang es, die Gehäusedicke auf 0,6 mm zu reduzieren, das somit 65% dünner ist als herkömmliche Lösungen. Die LED kann damit in größerem Abstand zum Objekt montiert werden, was für eine gleichmäßige Helligkeit sorgt.

Dies ist beispielsweise ideal für die genaue Ausleuchtung von klar abgegrenzten Bereichen wie Buchstaben und Ziffern und verhindert, dass die LEDs an die Oberfläche durchscheinen. Darüber hinaus ist das Gehäuse für hohe Zuverlässigkeit hitzebeständig. Die geringe Ausdehnung in der Breite und in der Folge der geringe Abstand zwischen den Elementen verbessert die Farbmischeigenschaften und erlaubt es, kleinere Bauformen zu entwickeln.

Bei einem Durchlassstrom von 20 mA erzeugen sie bei Gelb eine Lichtstärke von 1,2 cd, bei Rot von 0,7 cd, Blau 0,4 cd und beim Emittieren von weißem Licht von typ. 1,8 cd. Die Wellenlängen liegen bei typ. 624, 527 und 470 nm. Die Farbsortierung und Klassifizierung anhand der Weißlicht-Emission resultiert in geringen Farbabweichungen und sorgt für eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den LEDs. Integrierte Z-Dioden dienen als ESD-Schutz.

Wie sich mehr Farben mit der LED erzeugen lassen

Durch Ansteuern jedes Kanals einer Grundfarbe über die LED-Treiber können sieben Farben erzeugt werden. Um mehr als sieben Farben zu produzieren, sollte jeder Farbkanal über einfaches Ein- und Ausschalten hinaus die Helligkeit variieren können. Ein beliebtes Steuerungsverfahren ist PWM, bei dem die verfügbaren Helligkeitsstufen in Leistungssegmenten bestimmt werden. Je mehr Ebenen zur Verfügung stehen, desto mehr Farben können erzeugt werden.

Eine MCU steuert LED-Treiber und Dimm-Funktionen und speichert die Farbkonfigurationen. Für anspruchsvollere Anwendungen empfehlen sich Temperatursensoren. Side-View-Produkte eignen sich für die Lichtführung und stimmen die Farben ab, wenn sie mit Top-View-Typen kombiniert werden. Die Miniaturisierungstechnologie minimiert den Abstand zwischen den Elementen, was bei der Emission von mehreren Farben zu einer optimalen Farbmischung und farbintensivem Ergebnis führt. Für eine hohe Farbwiedergabe bieten sich Reflektorkonfigurationen an, was zusätzlich den seitlichen Lichtaustritt verhindert.

Ein Schlüsselfaktor für die Lebensdauer sowie die Effizienz einer LED ist das Temperaturmanagement, da mit steigender Temperatur nicht nur die Helligkeit, sondern auch die Lebensdauer abnimmt. Die Umgebungstemperaturen sollten daher niedrig gehalten werden. Bei Lumenwartungsvergleichen wollen Entwickler anhand der Parameter Leuchtleistung,

Betriebstemperatur und Lebensdauer die Anforderungen für Wärmeableitung ablesen. Obwohl LEDs im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtmitteln als sehr ökonomisch gelten, werden gewöhnlich nur 30% des Stroms in Licht umgewandelt. So werden 70% der Energiezufuhr in Wärme umgewandelt. Temperatur- und Energie-Management sind Schlüsselelemente, ohne die LED-Systeme 30 bis 50% an Wirkung verlieren. Bei der SMLVxx RGB-LED von Rohm wurde dank der flachen Rahmenstruktur die thermische Leitfähigkeit durch die geringere Schichtdicke optimiert.

* * Jochen Hüskens... ist bei Rohm Semiconductor als Product Manager für diskrete und Opto-Bauelemente verantwortlich.

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