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Materialforschung Von einer Übergangstechnologie zu neuen Standards

Autor / Redakteur: Beatrix Weiss * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die LED-Retrofit soll den Umstieg zur Halbleiterbeleuchtung erleichtern. Forscher des Fraunhofer IAF zeigen mit dem Retrofit-Demonstrator, dass neue Materialien eine weitere Miniaturisierung ermöglichen.

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LED-Retrofit: Der Demonstrator bietet eine Leistung von 20 W und verfügt über eine Metallkernplatine und einen LED-Treiber in Flyback-Topologie auf Basis eines GaN-Schalttransistors.
LED-Retrofit: Der Demonstrator bietet eine Leistung von 20 W und verfügt über eine Metallkernplatine und einen LED-Treiber in Flyback-Topologie auf Basis eines GaN-Schalttransistors.
(Fraunhofer IAF)

Die Steigerung der Energieeffizienz und die Senkung des Energieverbrauchs elektrischer Geräte werden seit vielen Jahren aus der Energietechnik gefordert und gefördert. Die Beleuchtung nimmt dabei einen hohen Stellenwert ein. Immerhin entfallen 20% des Gesamtenergieverbrauchs auf das Erzeugen von künstlichem Licht. Neue Leuchtmedien, allen voran die LED-Technik, ersetzen herkömmliche Glühlampen sukzessive in industriellen, staatlichen und privaten Bereichen.

Standards haben sich jedoch bisher weder in Bezug auf Betriebsspannungen, noch auf Modularität etabliert. Für kleine Leistungen, besonders in Privathaushalten werden sich laut Studien in den nächsten 5 bis 10 Jahren LED-Lampen durchsetzen, die direkt in die vorhandenen Leuchten integriert werden können. Der Marktanteil von LED-Lampen bei Leuchtmitteln wird hier bis zum Jahr 2020 auf 89% prognostiziert [1].

Ergänzendes zum Thema
Schwachstelle Treiberbaustein bei einer LED

Da LEDs empfindlich auf Stromschwankungen und Spannungsspitzen reagieren, benötigen sie einen Treiber, der ständig für einen konstanten Strom sorgt. Der Treiber, der den Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom mit reduzierter Spannung wandelt, bestimmt maßgeblich die Lichtausbeute und Lebensdauer der gesamten LED-Lampe. Forscher am Fraunhofer-Institut für Ange-wandte Festkörperphysik IAF setzen auf Spannungswandler mit Transistoren, die auf Galliumnitrid (GaN) basieren. In den Praxistests der Wissenschaftler erwiesen sich die entwickelten Treiber mit dem neuen Halbleitermaterial als äußerst robust. Bauteile aus GaN können bei höheren Strömen, Spannungen und Temperaturen betrieben werden als herkömmliche Transistoren aus Silizium.

Bereits heute bieten Hersteller LED-Retrofit-Lampen an, die in allen Preisklassen und Leuchtstärken verfügbar sind. Retrofits werden aufgrund der zu erwartenden hohen Nachfrage auch im nächsten Jahrzehnt stetig weiterentwickelt werden – insbesondere hinsichtlich ihrer Effizienz, Leuchtstärke und Farbvarianz, bei gleichzeitig sinkenden Preisen. Trends gehen außerdem zu neuen Features wie Farbänderung oder Dimmen per Bluetooth.

Ein Blick zurück – Retrofit vs. Glühlampe

Im Gegensatz zu LEDs haben die klassischen Glühlampen den Vorteil, dass sie sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichspannung unterschiedlicher Spannungsniveaus betrieben werden können. Die LEDs hingegen benötigen eine konstante Gleichspannung. Die Regulierung der Leuchtstärke erfolgt über den Stromfluss durch die LEDs. Daher sind für die Lebensdauer von LED-Lampen eine thermisch robuste, langlebige Elektronik und Regelung ausschlaggebend.

Der Vorteil von LEDs liegt dafür in ihrer maximalen Helligkeit. Eine klassische Glühlampe liefert im Durchschnitt 12,2 lm/W. Eine 60-W-Glühlampe erhellt den Raum mit einem Lichtstrom von 730 lm. Bei der LED sind es bis zu 200 lm/W. Typische Werte für momentan kommerziell erhältliche LED-Leuchten sind ca. 100 lm/W. Den Lichtstrom (lm) und die Lichtausbeute (lm/W) einiger kommerziell erhältlicher LED-Retrofits sowie eines am IAF entwickelten

Bildergalerie

Demonstrator-Retrofits sind im Vergleich zu einer herkömmlichen 60 W-Glühbirne in Bild 1 aufgezeigt. Hinsichtlich des Gewichts gewinnt aktuell noch die Glühlampe. Bei ihr ist der Aufbau einfach und Kühlung unnötig, da keine hitzeempfindlichen Komponenten enthalten sind. Bei LED-Lampen hingegen wiegt der massive Kühlkörper für die LEDs und der benötigte Spannungsregler schwer – typische Werte liegen hier bei 150 bis 300 g für LEDs mit 1000 bis 2000 Lumen. Glühlampen wiegen im Vergleich dazu ungefähr 50 g.

Unterschiedliche Konzepte bei den Retrofits

Retrofit-Leuchten bestehen aus zwei Komponenten: Einem Spannungswandler, dem sogenannten LED-Treiber, der die Netzspannung in die benötigte Gleichspannung transformiert und einem LED-Panel mit einer Vielzahl von LEDs als Last. Die einzelnen LEDs werden zur optimalen Wärmespreizung auf ein Substrat aufgelötet oder gesintert. Der Wärmespreizer wird wiederum auf einen Kühlkörper aufgebracht, der aus einem Gussmetall oder einer Keramik besteht. Ein Demonstrator-Retrofit ist zur Veranschaulichung des Prinzips auf Seite 20 dargestellt.

Es gibt zwei unterschiedliche Konzepte bei LED-Modulen in Retrofits: wenige Hochleistungs-LEDs mit hohen Leistungsdichten von bis zu 3 W/Stück bei einem Strom von 0,3 bis 1 A sowie Leuchtdichten bis 300 lm/Stück in Dünnschichttechnik oder viele LEDs aus dem mittleren Leistungsbereich von weniger als 500 mW/Stück bei Strömen von 50 bis 150 mA und Leuchtdichten zwischen 12 bis 70 lm/Stück in konventioneller Technik mit Saphirsubstrat.

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