Abstrahlverhalten von LEDs

Neben schmalen und weiten Keulen (bis hin zum Lambertstrahler) sind mehr oder weniger ,,deformierte`` Abstahlcharakteristiken zu finden, nennenswert sind hier Batwing und Side-Emitter. Wie genau die LEDs die Datenblattangaben einhalten kommt auf den Einzelfall an. Die DW09 ist als erste mit dem Goniometer mit 0,1 Grad Auflösung vermessen worden:-)

Lambertstrahler weisen im Polarkorrdinatendiagramm, siehe Bild 3.47 eher eine kreisförmige Intensitätskurve (vgl. PW01) mit einem Maximum nach vorne auf. Batwings haben zwei Maxima^3.79 und die Intensitätsverteilung ist eher herzförmig (vgl. BW01). Sidemitter haben ein fast zu normal auf der Achse stehendes Maximum und ein mehr oder minder ausgeprägtes Nebenmaximum nach vorne heraus (vgl. DW03 und DW09).

Bild 3.47: Normierte Abstrahlung einiger LEDs (polar aufgetragen)

Interessanter für die Auswahl des zur Abstrahlcharakteristik der LED passenden Reflektors ist aber eher die Betrachtung der Lichtstromsummenkurve bzw. des Zonenlichtstromdiagrammes (vgl. Bild 3.36) interessant. Dessen direkte Anwendung ist z.B. im Nomogramm auf Seite vorgestellt.

Der Sinnspruch: ,,Der Unterschied zwischen Theorie und Praxis ist in Praxis meist größer als in der Theorie``wird mal wieder durch Bild 3.48 bestätigt.

Bild 3.48: Lambertstrahler (hier Luxeon 1 W weiß)

Ob LEDs in existierende HS3-Scheinwerfern sinnvoll eingesetzt werden können ist unter anderem auch eine Frage der Ausdehnung der emittierenden Fläche. Hierbei sind sowohl die reale Chipfläche, mit einer Meßlupe an zerbröselten, nackten LXHLs gemssen, als auch die visuelle Größe von LEDs mit Optik (Side-Emitter, Batwing und Lambert), zurückgerechnet aus dem Vergleich der Projektion von LEDs mit Optik und von nackten LEDs, aufzuführen. Nebenbei ist noch die Überdeckung des emittierenden Phosphors von Interesse. Zum Beispiel haben die Luxeon I eine Phosphorüberdeckung, die deutlich größer als der Chip ist. Bei Luxeon II ist nur der Chip mit Phosphor bedeckt. Es wird die Grenze des leuchtenden Phosphors genommen, nicht die des Chips.^3.80

Tabelle 3.25: Kantenlänge von LED-Chips [mm]

LED		Generation	$\alpha$			$h_{90}$
			0	45	90
Luxeon
1W	nackt	II	1,3$\times$1,3	?	1,3$\times$0,5
	SE		?	?	?
	Lambert	II	1,8$\times$1,8	?	1,8$\times$0,5
	Batwing	$I$	D 2,7	D 2,7	2,7$\times$0,7
3W	nackt	II	1,2$\times$1,2	?	?1,2$\times$0,5
	Lambert	II	1,8$\times$1,8	1,6$\times$1,3	1,6$\times$0,3	3,30
5W	nackt	II	2,0$\times$2,0	?	?
	SE	II	0,5$\times$0,5	2,48$\times$1,81	1,53$\times$1,02
	Lambert	II	3,05$\times$3,05	3,05$\times$3,0	3,05$\times$0,44
K2			1,7$\times$1,7			3,0
	nackt
Rebel			1,55$\times$1,55			0,8
	nackt
Cree
XR7090-WT-U1			1,68$\times$1,68	nb	nb
			1,85$\times$1,85	nb	nb
	nackt		1,09$\times$1,09		nb
	nackt		1,0$\times$1,0		nb
XP-E			1,41$\times$1,41			0,85
XP-G			1,97$\times$1,97			0,92
MC-E	4x		1,62$\times$1,62
Seoul
SSC P4						2,60
SSC P7	4x		1,05$\times$1,05
			Spalt 0,5

Was spätestens bei den Projektionen auffällt: Gerade bei den Side-Emittern wandert, je nach Blickwinkel, der Schwerpunkt der emittierenden Fläche über die optische Achse. Dies macht die Implantation in existierende Scheinwerfer nicht einfacher. Die Höhe $h_{90}$ ist der Abstand Rückenfläche-Vorderseite Phosphor, visuell von der Seite bestimmt. Die Höhe $h_0$ direkt von vorne, möglichst scharfer Eindruck im Zentriermikroskop (Mattscheibenprojektion in einem Zeiss...)

Die K2 ist hier zwar geringfügig kleiner als die PW09. Andere Messungen zeigen leicht größere Chipflächen. Hier dürften Formabweichungen der relativ weichen Silikonlinse der K2 ursächlich sein.^3.81. Zumindest ein Exemplar der K2 zeigt einen deutlich stärkeren Hof bzw. Streuung im Silikon als bisher von den anderen Luxeon LEDs mit hartem Acrylglasdom gewohnt.

Die Cree zeigt einen deutlichen ringförmigen Hof durch den Ring, der den Chip umgibt. Der Lichtstrom dieses Hofes sollte allerdings hinreichend gering sein um nicht zu sehr zur Blendwirkung beizutragen. Von der Seite ist die Cree nicht zu bestimmen, da der Ring (,, Reflektor`` laut Datenblatt) den Chip verdeckt. Die Kuppel ist 4,3mm über der Rückfläche des Keramiksubstrates hoch, der Reflektor endet bei 2,32mm.^3.82 Bedingt durch die Fertigungsstreuung der Glaslinse scheint es zu unterschiedlichen visuellen Chipgrößen zu kommen. Dies wird sich dann aber auch in unterschiedlichen Intensitäten der LEDs äußern.

Die Chipgröße selber wird bei der Cree XR-E mit $0,98\pm0,025$mm angegeben.^3.83. Ohne Glaslinse, frontal durch das Silikon mit Meßuhr am Kreuztisch und Zentriermikroskop werden an einem Exemplar 1,00$\times$1,00mm gemessen. Von der Chipfläche sind noch zweimal 0,1x0,1mm große Flächen in zwei Ecken abzuziehen, dort sitzen bei der Cree die Bond-Drähte.

Bei der Cree MC-E sind die leuchtenden Flächen der Chips, von vorne betrachtet, ca. 0,2mm entfernt. Die dunklen Bonding-Flächen, zwei je Chip, sind ca. 0,35$\times$0,35mm$^2$ groß und seitlich angeordnet. Die gesamte leuchtende Fläche mißt 3,5$\times$3,5mm$^2$. Kleine Strukturen von 0,015mm sind auf den Chips zu sehen. Der ,,Glas``dom hat einen Durchmesser von 6,2mm und eine entsprechende Vergrößerungswirkung. Ein ,,nackte`` bzw mit planer Front versehene MC-E dürfte interessant sein.

An einer Cree wird durch einen Montageunfall die Glaslinse abgeschoben, ohne das Silikon zu trüben. Danach noch Aluspäne beim weiteren Bearbeiten des Kühlkörpers auf das Silikon aufgebracht und mit einer Pinzette abgeschoben (kleben erstaunlich gut). Mit dieser werden dann die Lichtströme in unterschiedlichen Malträtierungsstufen gemessen (vgl. Tabelle 3.26).

Tabelle 3.26: Lichtstrom einer Cree XR-E (bezogen auf Lieferzustand=1)

Zustand	Lichtstrom [-]
Lieferzustand	1,00
Silikon noch leicht verschmutzt, Linse wieder drauf	0,51
Silikon noch leicht verschmutzt	0,607
Silikon weitestgehend entfernt	0,679
Linsenhaltering entfernt

Die Crees lassen sich deutlich schlechter nacktisieren als die Luxeon-LEDs. Das Silikon ist deutlich klebriger als bei den Luxeons, und die Linse aus ihrer Tasche herauszukriegen ist auch Geduldsarbeit. Insofern ruhig die LED so lassen, wie sie daherkommt.

Nach ersten Beobachtungen ist der Halbwertswinkel bzw. das Zonenlichtstromdiagramm bei der XR-E in den unterschiedlichen Sortierungen nicht unterschiedlich. Egal ob P4 oder Q5, die Schnitte sehen vergleichbar aus. Bis $\pm 60$$^{\circ} \:$ bzw. $0,15I_{\mbox{\footnotesize max}}$ genügt eine Annäherung in der Form

$$I(\varphi )=I_{\mbox{\footnotesize max}} \cos(1,4\varphi )$$ (3.63)

aus. Damit hat man laut Bild 3.36 schon ca. 90% des verfügbaren Lichtstromes eingesammelt. Die restlichen 10% verteilen sich bis +-95$^{\circ} \:$.