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Klassifikation llll Neue Möglichkeiten für die Beleuchtungsindustrie Einfachere Anwendung von High-Power-High-Brightness- LEDs durch Fine Binning und nützliche Tools der Hersteller Das Wort Binning ist bei der Wahl eines Unwortes im Zusammenhang mit LEDs ein Favorit. Bin heißt „Behälter“, beim Binning werden Bauteile nach einem Test in die entsprechenden Körbchen einsortiert. Mit dem ANSI-Standard C78.377-2008, den CREE als erster LED-Hersteller bereits 2007 adaptierte und seit 2009 auch in den „Fine Binnings“ anbietet, gibt es nun eine vernünftige Referenz. Da auch die modernste LED- Herstellung immer noch gewissen Schwankungen durch den komplexen Epitaxieprozess unterworfen ist, ist es kaum möglich, eine gleiche Verteilung kontinuierlich anzubieten. Gerade bei LEDs ist die Streuung durch leicht unterschiedliche Farborte und Helligkeiten gut wahrnehmbar. Bei Prozessoren sind zum Beispiel etwaige Geschwindigkeitsunterschiede nicht so markant merkbar. Eine ganz enge Sortierung ist stets eine logistische Herausforderung. Gerade wenn ein Anwender von LEDs bestehende Systeme ergänzen möchte, dann ist es für ihn meist nur schwer nachvollziehbar, welches Bin genau verbaut wurde, um eine identische Leuchte nachzuliefern. Hier ist ein entsprechendes Rückverfolgungssystem notwendig. Daher besteht der Wunsch nach einer ultimativen Lösung, das Binning- Thema zu umgehen, bestimmt schon genauso lange wie das Thema Binning selbst. Durch jahrelange Erfahrungen in der Chip-Entwick- 12 Elektronik lighting 2011 – Sonderausgabe <strong>MSC</strong> CCy CCy Von Kai Klimkiewicz lung, der Chip-Fertigung und der Phosphor-Beaufschlagung hat Cree schon früh begonnen, eine entsprechende Technologie in LED-Arrays zu etablieren, die sich auch in der Massenfertigung hochqualitativ um- 0,45 0,44 3000 K 2700 K 0,43 3500 K 0,42 0,41 0,40 0,39 0,38 0,37 4000 K 0,36 0,38 0,39 0,40 0,41 0,42 0,43 CCx 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,42 3500 K 0,41 0,40 0,39 0,38 0,37 schwarzer Strahler 0,36 0,39 0,40 0,41 CCx 0,42 0,43 0,44 l Bild 1. Oben eine typische Distribution in der Fertigung und die entsprechenden ANSI Bins; unten wird das EASYWHITE-Konzept gezeigt. (alle Bilder: Cree) setzen lässt. Das erfolgreiche Resultat dieser Bemühungen heißt EASY- WHITE und findet bereits seit längerem in den Multi-Chip-LED-Arrays (MC-E, MP-L) Verwendung. Bei Einzel-Chip-LEDs lässt sich das System verständlicherweise nicht anwenden. Hier ist nach wie vor das Binning notwendig. Hintergrund der EASYWHITE- Technologie ist, dass die einzelnen Chips genau vermessen werden und durch Algorithmen verschiedenster Kombinationsmöglichkeiten unterschiedlicher einzelner Chip-Farborte genutzt werden, um entsprechend genaue und reproduzierbare Ziel-Farborte zu erreichen. Bild 1 zeigt oben eine typische Distribution in der Fertigung und die entsprechende ANSI-Bin, unten wird das EASYWHITE-Konzept gezeigt. Das Bewertungsmaß der Farbort-Genauigkeit wird mit „Step Mac- Adam“- oder auch „MacAdam“-Ellipsen oder auch als SDCM (Standard Deviation of Color Matching) bezeichnet. Diese Größen wurden nach dem Physiker benannt, der schon früh im letzten Jahrhundert die Wahrnehmbarkeit von Farbort-Unterschieden durch das menschliche Auge untersuchte und die Ellipsen definierte, auf denen seine Probanden keine Unterschiede wahrgenommen hatten. Diese Bewertung wird heute immer noch als Referenz genutzt. Mit EASYWHITE wird eine niedrige Toleranzbreite von vier und sogar zwei Step MacAdam erreicht. Im Vergleich zu konventionellen Leuchtmitteln spricht man bei Kompaktleuchtstoffröhren von bis zu sieben, bei normalen Leuchtstoffröhren von vier und bei den Glühlampen von ca. zwei Step MacAdam. Was die enge Toleranzbreite der Farborte betrifft, so können www.elektroniknet.de
Binning bei 25 °C 120 110 100 90 80 70 relativer Lichtfluss sich die EASYWHITE-LEDs mit den üblichen Glühlampen und anderen Leuchtmitteln messen. Somit lässt sich der LED-Typ fast genauso einfach auswählen wie eine normale Lampe. Hot Binning Ein weiterer Diskussionspunkt der LED-Anwender ist die bisher übliche Referenz-Temperatur von 25 °C. Bei dieser Temperatur wurden die LEDs getestet und entsprechend „gebinnt“. Da dieser Prüfvorgang am Ende der LED-Fertigung nur wenige Millisekunden dauert, tritt praktisch keine Eigenerwärmung auf und die Sperrschicht-Temperatur ist quasi gleich der Raumtemperatur. Hingegen ist in den meisten Anwendungen die LED für etwas größere Zeitintervalle eingeschaltet oder gar im Dauerbetrieb. Folglich ist die Chip-Temperatur um einiges höher als die 25-°C-Referenz. Die Lichtstromwerte müssen entsprechend anhand von Datenblattkurven umgerechnet werden, um den wirklichen Lichtstrom zu bestimmen. Das führt jedoch stets für Unmut, da es immer wieder für Erklärungsbedarf sorgt. Mit dem Hot Binning wird der Wunsch der meisten Anwender beherzigt, die Lichtströme und Farborte statt bei 25 °C nun bei 85 °C zu spezifizieren. Die erste entsprechende Serien-LED mit Hot Binning war die CREE MT-G, die im Frühjahr 2011 vorgestellt wurde. Bild 2 zeigt den Unterschied eines Lichtstrom-Bins bei 25 °C und bei 85 °C. Mittlerweile sind weitere LEDs mit Hot Binning verfügbar (z.B. Cree CXA2011), und man kann davon ausgehen, dass hier ein künftiger Standard geprägt wurde. www.elektroniknet.de 100 Binning bei 85 °C % 80 120 70 110 60 100 50 40 30 90 80 20 10 “generische” 120-Im-LED 70 0 25 50 75 100 125 °C 150 Sperrschicht-Temperatur l Bild 2. Unterschied eines Lichtstrom-Bins bei 25 °C und 85 °C. Das Hot Binning führt auch zu einer präziseren Messung des im Betrieb resultierenden Farbortes, da die Temperatur bei der Messung in den meisten Fällen näher an der tatsächlichen Betriebstemperatur liegt. Bei der Änderung der LED-Chip-Temperatur treten leichte Unterschiede im Farbort auf, und zwar abhängig von den Chip- und Phosphor-Eigenschaften. Je näher die Messtemperatur an der Betriebstemperatur liegt, desto genauer ist die Beziehung zwischen dem gemessenen Farbort und dem tatsächlichen Farbort im laufenden Betrieb. Für den Fall, dass es sich um eine LED mit der SDCM-Farbselektion 2 handelt, können die resultierenden Farbortverschiebungen einen erheblichen Anteil an dem durch das Binning spezifizierten Farbraum betragen, obwohl die oben genannten LEDs die geringsten Farbortverschiebungen der gesamten Industrie aufweisen. Das Product Characterization Tool PCT Da jede LED-Anwendung ihre eigenen Parameter hinsichtlich der Bestromung und der Temperaturen im Umfeld (Umgebungstemperatur Ta entspricht der Lötpunkt- Temperatur T sp ) und der daraus resultierenden Temperatur im Inneren des LED- Chips (Sperrschicht- Temperatur T j ) hat, gilt es anhand dieser Parameter den Lichtstrom der LED zu be- rechnen. Hierzu gibt es in den LED- Datenblättern die notwendigen Kurven: Lichtstromausbeute in Bezug zu elektrischer Stromstärke, Lichtstromrückgang über die Temperatur etc. Für einen konkreten Anwendungsfall lässt sich das auch recht einfach manuell herleiten. Aber gerade bei der Vorauswahl der LED, der möglichen Lichtstrom-Binnings und der entsprechenden Bestromung wird ja erstmal mit den Werten experimentiert, um einen optimalen Betriebsarbeitspunkt auszuloten. Mancher ist da schnell geneigt, sich ein eigenes kleines Berechnungs-Tool zu erstellen, um Variablen mit den einzelnen Parametern zu kalkulieren. Das ist aber nicht notwendig, da es hier für die XLamp-LEDs von Cree bereits das Product Characterization Tool „PCT“ gibt. Als Online Tool bietet das PCT unter http://pct.cree.com/register.asp nach einmaliger Anmeldung den kostenfreien Zugang zu den aktuellen Daten, auch zu den neusten LED-Produkten von Cree. Als Parameter können u.a. die Wirkungsgrade der Ansteuerung und die geplanten Sekundäroptiken eingegeben werden. Zudem lassen sich für die Anwendung mit einer einzelnen LED z.B. LED-Lichtstrom (lm), LED-Lichtausbeute (lm/W) und LED-Leistung (W) eingeben oder, oft noch viel interessanter, für ein System aus vielen LEDs eine spezielle Lichtstromvorgabe (z.B. Anzahl der LEDs, System-Lichtstrom (lm), System-Lichtausbeute (lm/W)). In beiden Fällen ist die Temperatur- Referenz ein wesentlicher Parameter. Gibt man etwa eine Lötpunkt-Temperatur vor, so lässt sich anhand der gegebenen Betriebsparameter die Sperr- llll Klassifikation _065SQ_Wiled_Optoled_SHLighting.pdf;S: 1;Format:(90.00 x 62.00 mm);21. Jul 2011 15:32:56 Elektronik lighting 2011 – Sonderausgabe <strong>MSC</strong> 13
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