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Wie Messtechnik bei der LED-Leuchtenentwicklung unterstützt

Autor / Redakteur: Dr. Simon Rankel * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Qualität des Lichts einer LED-Leuchte hängt vom Zusammenspiel unterschiedlicher Komponenten ab. Hier hilft Messtechnik, um den Gesamt-Lichtstrom zuverlässig und schnell zu messen.

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Messverfahren: Das FluxGage-Messsystem misst relevante Licht-Qualitätsparameter kompletter LED-Leuchten oder einzelner Module.
Messverfahren: Das FluxGage-Messsystem misst relevante Licht-Qualitätsparameter kompletter LED-Leuchten oder einzelner Module.
(Bild: Ophir)

Die optischen Anforderungen an ein LED-System werden durch ganz unterschiedliche Randbedingungen charakterisiert: Lichtqualität, Energieeffizienz und optische Sicherheit müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die Leuchte exakt die gewünschte Lichtmenge liefert, die an der jeweiligen Stelle gebraucht wird.

Gleichzeitig soll das Wohlbefinden der Anwender beim Betrieb der Leuchte sichergestellt werden. Der aktuelle Trend in der Leuchtenindustrie geht in Richtung individuelle Beleuchtung, hohe Farbqualität und einstellbare Spektralbereiche des Lichts. Schon während des Entwicklungsprozesses gilt es das Zusammenspiel der unterschiedlichen optischen Komponenten schnell zu testen: Parameter wie Lichteffizienz, Reflexionen und Flimmern spielen eine entscheidende Rolle. Verwendet man nur eine weniger geeignete Komponente, schränkt das die Wirkung des Gesamtsystems drastisch ein.

Das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten

Optische Komponenten wie Reflektoren und Linsen sollten für die spezifische Geometrie des LED-Chips bzw. der LED-Module konzipiert und anschließend im vordefinierten Abstand zum Fokus der Optiken montiert werden. Nicht nur die optischen Komponenten müssen optimal aufeinander abgestimmt werden, es gilt alle Bauteile der Leuchte bestmöglich zu kombinieren. Die Qualität des Lichts der Leuchten hängt vom Zusammenspiel der LED-Module, der Treiberelektronik, der thermischen Leistung und den Optiken ab.

Entwickler sollten im besten Fall ihr theoretisches Wissen über die Wechselwirkungen mit praktischen Erfahrungen kombinieren. Gerade vor dem Hintergrund der großen Auswahl an Komponenten in Hinblick auf Qualität und Funktion kommt man um schnelle Tests und Experimente nicht herum, wenn man neue Ideen zügig realisieren möchte. Eine zuverlässige, rein theoretische Vorhersage, wie die Komponenten zusammenarbeiten, ist unmöglich. Die Messung der Leuchten in Echtzeit trägt also wesentlich zu einem effizienten Entwicklungsprozess bei.

In der Praxis verzögern aufwendige Messaufbauten, die zur Messung der charakteristischen Parameter wie Gesamt-Lichtstrom und Farbwerte von LEDs notwendig waren, die Entwicklung. Typische Werkzeuge sind die Ulbricht-Kugeln. Sie arbeiten zuverlässig, müssen aber mindestens dreimal so groß sein wie die zu testende Lichtquelle/Leuchte. Der gesamte Messaufbau wird empfindlich und langsam und die Sensoren müssen zudem, aufgrund der Selbstabsorption des zu messenden Objekts, vor jeder Messung eines neuen Objekts kalibriert werden. Die Leuchtenentwicklung verlangt ein Messverfahren, um mögliche Varianten schnell zu testen. MKS Instruments entwickelte mit Ophir FluxGage ein kompaktes und robustes Multifunktions-Messgerät, das schnell funktioniert und die relevanten Licht-Qualitätsparameter kompletter LED-Leuchten oder einzelner Module liefert. Durchgängige Qualitätskontrollen für LED-Leuchten lassen sich damit in den Entwicklungsprozess und später auch in die Fertigung integrieren.

Auf die entscheidenden Details kommt es an

Das Messsystem basiert auf dem Prinzip der sphärischen Lichtausbreitung. Als Lichtsensoren nutzt das Messgerät verschiedene Solarmodule, die an den Innenseiten des Gehäuses angebracht sind und so eine Messkavität in 2π-Geometrie schaffen. Die Module sind mit einer schwarzen Beschichtung versehen, die ein dichtes Array feiner Löcher enthält, durch die das Licht einfällt. Das einfallende Licht wird von den Solarmodulen aufgenommen, in ein messbares elektrisches Signal umgewandelt und daraus der Gesamt-Lichtstrom ermittelt. Diese Anordnung reduziert weitestgehend die Reflexionen der Solarmodule, womit das Messsystem insgesamt nur wenig größer sein muss als das zu prüfende Leuchtmittel.

Im Vergleich zu einer Ulbrichtkugel wird nur ein Drittel des Platzes und deutlich weniger Zeit benötigt, da direkt am Arbeitsplatz gemessen werden kann und weder ein spezielles Labor noch ein Darkroom erforderlich sind. Das Messsystem verfügt über ein Spektrometer, um die spektralen und Farbparameter wie CCT, CRI, Duv und Farbwerte zu messen. Ein schneller Photosensor misst den Flimmer.

Das Dimmverhalten der Leuchte untersuchen

Am Ende des Entwicklungsprozesses steht im besten Fall die Produktion und der Verkauf der Leuchten. Spätestens die Endkunden erwarten genaue Angaben zu den Leistungsparametern des Produkts. Wahlmöglichkeiten für Linsen, unterschiedliche Optionen der Schutzart oder der Einsatz verschiedener optischer Filter können die gesamte Ausgangs-Lichtleistung sowie die Farbwerte des Lichts, selbst bei exakt gleichen LED-Quellen, komplett verändern.

Damit die LED nicht blendet, kann beispielsweise die Position der LED-Module im Inneren verändert oder ein sekundäres Reflektorsystem bzw. spezielle Diffusoren eingesetzt werden. Die Optionen sollten bereits während der Designphase berücksichtigt werden. Der gesamte Ausgang-Lichtstrom der LED-Leuchte verändert sich auch damit unter Umständen deutlich. Für eine dynamische Beleuchtung muss die LED-Leuchte über ein entsprechendes Dimmverhalten verfügen. Die Lichtqualität der Quelle kann sich durch das Dimmen in zweierlei Hinsicht verändern: Analoges Dimmen wird erreicht, indem der LED-Vorwärtsstrom reduziert wird. Damit verändert sich in der Regel die spektralen Eigenschaften des Lichts und die CCT- und CRI-Werte.

Anforderungen an die Qualität steigen

Die Pulsweitenmodulation hält die Lichtfarbe stabil, doch das wechselnde An- und Ausschalten der LEDs mit einer bestimmten Frequenz verursacht häufig Probleme durch Flimmern. Der gesamte Ausgangs-Lichtstrom sowie die Lichtqualität beim Dimmen kann bei großen LED-Systemen durch eine FluxGage-Version mit höherer Empfindlichkeit gemessen werden. Sie unterstützt beide Dimming-Methoden und misst ebenfalls annähernd in Echtzeit. So können selbst bei starkem Dimmen sehr geringe Lichtausgangsleistungen und ihre Änderungen erfasst werden.

Die Anforderungen an die Qualität bei LED-Leuchten werden in Zukunft weiter steigen. Hier sind es vor allem die anpassbaren, smarten Lichtkonzepte, die sich an den Bedürfnissen des Menschen orientieren. Als Stichwort sei hier Human Centric Lighting genannt. Es zählt nicht die einzelne Leuchte, sondern die Gesamtwirkung. Der Leuchtenentwickler muss die Qualität gleich in der Designphase und in der Produktion messen, um Wettbewerbsvorteile zu sichern.

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* Dr. Simon Rankel ist LED Business Development Manager bei Ophir Spiricon Europe in München.

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