Energieeffiziente Beleuchtung mit LED Energieeffiziente Beleuchtung mit LED Thomas Jüstel FH Mü t FH Münster FB Chemieingenieurwesen / Institut für Optische Technologien Institut für Optische Technologien Lion’s Club Osnabrück 10 November 2010 Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 1 Osnabrück, 10. November 2010
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Energieeffiziente Beleuchtung mit LEDEnergieeffiziente Beleuchtung mit LED
Thomas Jüstel
FH Mü tFH MünsterFB Chemieingenieurwesen /
Institut für Optische TechnologienInstitut für Optische Technologien
Lion’s ClubOsnabrück 10 November 2010
Prof. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 1
Osnabrück, 10. November 2010
19% der erzeugten elektrischen Energie wird für Beleuchtung verwendet!
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Quelle: NASA
InhaltInhalt1. Entwicklung künstlicher Lichtquelleng q
2. Prinzipien der Lichterzeugungp g g
3. Leuchtstoff LED
4. LED in der Beleuchtungstechnik
Edison-Glühlampe1879
5. Neue LED Anwendungen
6. Zusammenfassung und AusblickLEDs Fraunhofer
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LEDs Fraunhofer-Gesellschaft 1999
1 Entwicklung künstlicher Lichtquellen1. Entwicklung künstlicher LichtquellenWechselwirkung
Kulturgeschichte Entwicklung künstlicher Lichtquellen
Kü tli h Li htKünstliches Licht
• spendet Wärme (Gesundheit) und Sicherheitp ( )
• ermöglicht Aktivität unabhängig vom natürlichen Tageslicht
• ist ein Designelement
h t Si l i k d K ik ti f kti• hat Signalwirkung und Kommunikationsfunktion
• ermöglicht neuartige technische Prozesse, wie z.B. Photochemie,
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Materialbearbeitung und Trennung komplexer Biomoleküle
1 Entwicklung künstlicher Lichtquellen1. Entwicklung künstlicher Lichtquellen
Ur und Frühgeschichte 19 Jhdt 20 Jhdt 21 JhdtUr- und Frühgeschichte 19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt.
Zeit bzw. Grad der Kontrolle
LagerfeuerF k l
KerzenÖll
Glüh- undH l l
Gasentladungsl
Chemische LichtquellenAnorganische + organische LED
Fackel Öllampen Halogenlampen -lampen
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Elektrische Lichtquellen
2 Prinzipien der Lichterzeugung2. Prinzipien der LichterzeugungEinteilung der Lichtquellen nach der Art der Lichterzeugung
Glüh- undHalogenglüh-
Nieder – und Hoch-druckgasent-
Anorganische und organische
ChemischeLichtquellen
g g g
Halogenglühlampen
druckgasentladungslampen
und organische Leuchtdioden
Verbrennung
Lichtquellen
Chemo- bzw. Biolumineszenz
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2 Prinzipien der Lichterzeugung
1 2
Thermische Strahler+ Sehr gute Lichtqualität
2. Prinzipien der Lichterzeugung
1.2
I ( )
+ Sehr gute Lichtqualität+ Einfache Handhabung- geringe Lebensdauer
V z( ) - hoher Energieverbrauch- Farbvariationen benötigen Filter
Wendel- Licht- Energie-temp. ausbeute ausbeute
0 5
1 T [K] [lm/W] [%]2700 13 62800 16 93000 22 11
500 1000 1500 20000
0.5
Augenempfindlichkeitskurve
3000 22 113200 29 153400 36 18
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500 1000 1500 2000
2000.200 z380 780 Wellenlänge [nm] 2000
2 Prinzipien der Lichterzeugung2. Prinzipien der LichterzeugungLeuchtstoffschicht Gasentladungen
G i E i b h
e-
+ Geringer Energieverbrauch+ Hohe Lebensdauer- Vorschaltgerät notwendigHg*
Kathode
g g- Mäßige Lichtqualität- Enthalten Hg und Ba
Hg
0,3
0,35
m]
Lampen Licht- Energie-typ ausbeute ausbeute
0,15
0,2
0,25
tät [
W/n
m [lm/W] [%]Energie- 40 – 70 15 - 20Sparlampe
ff ö 0 80 20 2
0
0,05
0,1
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Inte
nsit Leuchtstoffröhre 70 – 80 20 - 25
„Standard“Leuchtstoffröhre 90 – 100 27 - 30D ib d “
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350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wellenlänge [nm]„Dreibanden“
2 Prinzipien der Lichterzeugung2. Prinzipien der LichterzeugungElektrolumineszenz (Organische LED)+ Geringer Energieverbrauch+ Hohe Flexibilität+ Einfache Skalierbarkeit- Bisher mäßige Lebensdauer- Geringe Leuchtdichte
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Weißes Licht
2 Prinzipien der Lichterzeugung2. Prinzipien der LichterzeugungElektrolumineszenz (Anorganische LED)+ Geringer Energieverbrauch+ Sehr hohe Lebensdauer + Leuchtdichte+ Einfache Ansteuerungg- Bisher Mäßige bis gute Lichtqualität
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3 Leuchtstoff LED - Komponenten3. Leuchtstoff LED - Komponenten
Level 0 Level 1 Level 2 Level 3 Level 4
H lbl it + P i ä tik + L it l tt + S k dä tik + R hHalbleiter + Primäroptik + Leiterplatte + Sekundäroptik + Rahmen+ Kontakte + Netzteil + Halterung+ Kühlkörper + „Design“
L ht t ff F bk i P i i i ll f ll L l i t bProf. Dr. T. Jüstel, FB Chemieingenieurwesen, FH Münster, Abt. Steinfurt Folie 11
+ Leuchtstoffe zur Farbkonversion - Prinzipiell auf allen Level einsetzbar
3 Leuchtstoff LED Halbleitermaterialien3. Leuchtstoff LED – HalbleitermaterialienChemische Zusammensetzung Typische LED-Spektren
(Al,In,Ga)P 580 nm – 650 nm 0,30
0,35
tät
Gelb Orange Rot
(Al In Ga)N0,20
0,25
onsi
nten
sit
(Al,In,Ga)N 210 – 530 nm UV Blau Grün
0 05
0,10
0,15
Emis
sio
400 450 500 550 600 650 700 7500,00
0,05
Wellenlänge [nm]
Alle Spektralfarben sind direkt mit LED zugänglich!
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Aber wie erzeugt man weißes Licht mit LED?
3 Leuchtstoff LED3. Leuchtstoff LED –Wie erzeugt man weißes Licht?
Prinzip: Additive FarbmischungThermische Strahler sichtbares weißes Licht + IRGasentladungen UV + sichtbares farbiges LichtEl k l i H lbl i i h b f bi i h
Nick Holonyak, jr. (2000)Es ist überlebenswichtig zu realisieren, dass die Leuchtstoff LED die ultimative Lichtquelle im Hinblick auf das Prinzip der Lichterzeugung und den Möglichkeiten der Anwendung ist und ihre Entwicklung solange fortschreiten wird bis ihre
Zeit
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der Anwendung ist und ihre Entwicklung solange fortschreiten wird bis ihre Effizienz und Lichtausbeute die aller anderen Lichtquellen übertreffen wird.
Literatur und Internet-LinksLiteratur und Internet-LinksLiteratur
• R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung – von der Glühlampe bis zumR. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight-Verlag, 2004
• M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294
Internet-Links
• Homepage T. Jüstel www.fh-muenster.de/fb1/personal/Juestel.php
• GELcore http://www.gelcore.com/p g
• Global Light Industries http://www.globallight.de/index.html