LED-Klasseneinteilung (Binning) im Pulsbetrieb

LED ist die Lichttechnologie der Zukunft und bietet gegenüber herkömmlichen Leuchtmitteln deutliche Vorteile, vor allem in puncto Energieverbrauch und Lebensdauer. Mit zunehmender Lichtstärke verdrängen LEDs klassische Leuchtmittel in vielen Anwendungen, von der Verkehrsampel über Großdisplays bis zur Operationsleuchte. Für diese LEDs sind in vielen Einsatzgebieten durch Normen genau definierte Lichtfarben und Intensitäten vorgegeben. Bei der Produktion von LEDs sind jedoch Fertigungstoleranzen durch kleine Parameterschwankungen unvermeidlich. Um den Kunden trotzdem einheitliche LEDs bieten zu können, werden die LEDs nach der Fertigung entsprechend ihrer Werte und Eigenschaften durch das sog. ‘Binning’ in Klassen eingeteilt. Dabei fallen alle LEDs, die ähnliche Werte aufweisen, in den gleichen Behälter (engl.: bin). Bei weißen LEDs umfasst die Klasseneinteilung hauptsächlich den Lichtstrom, die Farbe (nach dem CIE-1931-Normfarbsystem) sowie die Farbtemperatur. Um die Messzeit kurz zu halten und thermische Einflüsse auszuschließen, werden LEDs für das Binning mit einem kurzen Stromimpuls betrieben. Der Betriebsstrom entspricht dabei dem späteren Anwendungsgebiet. Je enger die Toleranzen beim Binning gesetzt werden, umso höher ist die Farb– und Intensitätshomogenität von Systemen, die aus mehr als einer LED bestehen.

Dieser Fachartikel beschreibt die Eignung des Testers BTS256-LED und des Netzteils LPS20 aus dem Produktsortiment der Gigahertz-Optik GmbH für das LED-Binning im Kurzzeitbetrieb mit 20 ms Lichtpulsdauer. Als Prüfling wurde eine ‘Diamond Dragon’ der Firma Osram verwendet. Diese Hochleistungs-LED vom Typ LUW W5AP-MYNY-4C8E ist laut Datenblatt mit einem minimalen Betriebsstrom von 200 mA spezifiziert, kann aber auch mit einem Betriebsstrom von bis zu 2000 mA betrieben werden. Im Rahmen des Artikels werden zusätzlich die Auswirkungen der Stromimpulslänge und die Einflüsse der Wärmeabfuhr über den
Heatsink-Kontakt der LED untersucht. Zum Schluss wird der Lichtstrombereich bestimmt, in dem das Binning mit dem Tester
BTS256-LED im 20 ms-Betrieb durchgeführt werden kann sowie ob sich dieser mit einer größeren Ulbrichtschen Kugel erweitern lässt.

Bild 1: Test-LED auf Platine mit Öffnung zur Wärmesenke

Zur Durchführung der Messungen für diesen Fachartikel wurde weitestgehend auf Standardprodukte von Gigahertz-Optik zurückgegriffen. Der Fachartikel ist damit auch ein schönes Beispiel für den praktischen Einsatz des BTS256-LED Testers und des LPS-20-1500 LED-Netzteils der Gigahertz-Optik. Nachfolgend beschriebene Produkte wurden eingesetzt:

Der BTS256-LED Tester ist ein kompaktes und trotzdem hochwertiges Messgerät für die präzise lichttechnische und farbmetrische Qualifizierung von Leuchtdioden. Das Gerät bietet durch seinen Bi-Technologie-Lichtsensor zwei verschiedene Lichtdetektoren. Die fotometrisch korrigierte Fotodiode ermöglicht die exakte und schnelle Messung des Lichtstromverlaufs über einen weiten Intensitätsbereich. Das Diodenarray-Spektrometer liefert spektrale Messdaten zur Berechnung radiometrischer und farbmetrischer Messwerte. Die Ansteuerung des LED-Testers erfolgt mittels eines Laptops oder PCs mit USB-Schnittstelle

Das LPS-20 LED-Netzteil ist alternativ als Strom– oder Spannungsquelle zu betreiben wurde speziell dafür konstruiert, Halbleiterlichtquellen wie LEDs zu betreiben. Das LPS-20-1500 kann eine Stromstärke zwischen 30 μA und 1500 mA bzw. eine Spannung zwischen 0,5 mV und 24 V liefern. Sowohl Strom als auch Spannung können jeweils mit 16-Bit-Auflösung abgefragt werden. Neben dem Konstantstrombetrieb kann das LPS-20 auch nur für eine vorgegebene Zeit (einzelne Pulse) betrieben werden, was für die Messungen, die dieser Fachartikel behandelt, konkret benötigt wurde.

Versuchsaufbau:

Bild 2: Versuchsaufbau              

Bild 3: Versuchsaufbau        

Thermisches Verhalten der LED:

Bild 4: Pulsverläufe des 20-ms-Lichtpulses

Zunächst wird untersucht, ob bei den 20-ms-Lichtpulsen, in deren Verlauf die Messungen für das Binning erfolgen sollen, schon thermische Einflüsse auftreten. Dazu wird die Fotodiode des LED-Testers im schnellen Datenlogger-Modus betrieben. Für die Messung wurden der LED-Tester und das LPS-20 zeitlich so aufeinander abgestimmt, dass die Fotodiode des LED-Testers wenige Millisekunden vor dem Lichtpuls mit der Messung startet, um dann den ganzen Lichtpuls abzutasten. Diese Pulsmessung wurde mit aktivem Heatsink bei Betriebsströmen von 200 mA, 350 mA, 600 mA, 1000 mA und 1400 mA durchgeführt. Die Fotodiode des LED-Testers zeichnete dabei den Lichtstrom in einem 1-ms-Takt auf. Die Ergebnisse der Messungen zeigen, wie man an den konstanten und übereinstimmenden Plateaus in nachfolgendem Diagramm des Pulsverlaufes (Ergebnisse normiert dargestellt) schön sehen kann, dass bei einer Pulsdauer von 20 ms und den oben genannten Strömen noch keine thermischen Auswirkungen festzustellen sind.
Die Unterschiede der Kurven vor und nach dem Plateau basieren auf den Zeitkonstanten der Messelektronik. Für die (im Diagramm übereinanderliegenden) schwachen Ströme (200 mA und 350 mA) verwendet die Messelektronik eine andere Verstärkungsstufe als für die
höheren Ströme (im Diagramm ebenfalls übereinanderliegend).

Bild 5: Lichtstromverläufe über 60 s im Vergleich

Im nächsten Schritt sollen zum Vergleich die Auswirkungen von längeren Betriebszeiten auf die LED untersucht werden. Da logischerweise die Temperatur bei längeren Leuchtzeiten steigt, ist zu erwarten, dass sich das bei Lichtstrom und Farbe bemerkbar macht. Der Lichtstrom und die Farbdaten der LED werden also bei gleichbleibender Stromstärke (350 mA) 60 Sekunden lang von dem LED-Tester bestimmt. Dies wird einmal mit und einmal ohne aktiven Heatsink gemessen. Wie erwartet, liefern die zwei Messreihen (siehe nachfolgende Diagramme) eindeutige Ergebnisse:
Zunächst fällt auf, dass sowohl mit als auch ohne Heatsink die Erwärmung der LED Auswirkungen auf Lichtstrom und Farbdaten bewirkt. Offensichtlich ist aber auch, dass die Veränderungen in den Werten bei der ohne Heatsink betriebenen Test-LED deutlich gravierender sind. Während der Lichtstrom der Test-LED mit Heatsink im Laufe einer Minute lediglich 0,6% seines Anfangswertes einbüßt und die Farbtemperatur dabei um 30 K steigt, sinkt der Lichtstrom der ohne Heatsink betriebenen LED auf ca. 93 % des Ausgangswertes. Gleichzeitig steigt die Farbtemperatur um 310 K, die Farbe der LED verändert sich also in Richtung blau.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Veränderungen der Lichtwerte der Messreihe ohne Heatsink um ein 10-faches höher sind als bei der anderen. Bei allen Verläufen in den Diagrammen sind aber Gleichgewichtszustände absehbar.

Bild 6: Farbtemperaturverläufe über 60 s im Vergleich

Klasseneinteilung der Test-LED:

Laut Datenblatt soll die Diamond Dragon LUW W5AP-MYNY-4C8E bei 1400 mA eine typische Farbtemperatur von 6500 K aufweisen, in den Helligkeitsgruppen von MY bis NY liegen, also einen Lichtstrom zwischen 210 lm und 390 lm aufweisen, und in den im Datenblatt festgelegten Farbortgruppen 4C bis 8E liegen. Engere Eingrenzungen werden vom Hersteller bei den Farbortgruppen und dem Lichtstrom nicht gemacht. Die LEDs werden nur für Farbortgruppen und Helligkeitsgruppen angeboten. Im Folgenden wird überprüft, ob aus dem eigenem Binning, eine identische Klasseneinteilung des Prüflings folgt. Die Farb - und Lichtdaten der LED werden dazu während eines 20-ms-Lichtpulses (Stromstärke 1400 mA) von dem BTS256–LED Tester ermittelt.  
Das LPS20 Netzteil und der BT256-LED Tester werden dabei mittels Software zeitlich so aufeinander abgestimmt, dass das Diodenarray-Spektrometer seine Messung jeweils 10 ms vor dem 20 ms langen Lichtpuls startet und auch nach dem Lichtpuls beendet. Die Fotodiode des LED-Testers hingegen tastet den gesamten Lichtpuls in einem 1ms-Takt ab. Dabei startet es 3 ms vor und stoppt 3 ms nach dem Lichtpuls (siehe Diagramm).

Bild 7: Zeitskala der Pulsmessung

Die Messung liefert folgende Daten:

Farbtemperatur: 6570 K
Lichtstrom (max.): 250 lm
Farbkoordinate x: 0.312
Farbkoordinate y: 0.323

Schon der erste Blick zeigt, dass all diese Werte in den auf dem Datenblatt angegebenen Bereichen liegen. Es können sogar noch engere Eingrenzungen gemacht werden. So liegt die vermessene LED in Helligkeitsgruppe MZ (240 lm–280 lm) und in Farbortgruppe 5D (siehe Bild 10).

Stellt sich noch die Frage, welche Ergebnisse erzielt werden, wenn die die LED betreibende Stromstärke variiert. Also wird das Binning mit 200 mA, 350 mA, 600 mA und 1000 mA wiederholt. Wie in den nachfolgenden Diagrammen klar zu sehen ist, ändern sich dabei nicht nur der Lichtstrom der LED, sondern auch die Farbtemperatur und die Farbortkoordinaten. Somit wechselt die LED auch die Farbortgruppen. Liegt der Farbort bei 1400 mA noch in Gruppe 5D, liegt er bei 1000 mA und 600 mA schon in 6D und bei 350 mA und 200 mA schon in 6E (im Bild 10 eingezeichnet).

Bild 8: Farbtemperatur bei variierenden Stromstärken

Bild 9: Farbkoordinaten bei variierenden Stromstärken

Bild 10:Farbortgruppen des Prüflings gemäß Datenblatt

Plausibilitäts-Check der Spektrometermessung:
Bei Diodenarrays wird die Empfindlichkeit durch Veränderung der Integrationszeit an unterschiedliche Lichtintensitäten angepasst. Wegen der fest eingestellten Integrationszeit von 20 ms bei den Kurzzeitmessungen mit unterschiedlichen Stromstärken ist sicherzustellen, dass die Messsignale einen ausreichenden Störabstand haben und nicht zu einer Übersteuerung führen. Die Überprüfung lässt sich anhand der digitalen Rohdaten der Array-Pixelsignale vornehmen, die in der Software des LED-Testers angezeigt werden können. Die Überprüfung der durchgeführten Messungen ergaben Rohdaten bei 46 lm (200 mA) von 475 Counts und bei 250 lm (1400 mA) von 2850 Counts jeweils bei der spektralen Peak-Intensität.

LED-Binning mit Ulbrichtkugel:

Da der LED-Tester in Kombination mit Ulbrichtschen Kugeln von bis zu einem Meter Durchmesser verwendet werden kann, soll der Einfluss einer solchen Kugel auf das LED-Binning betrachtet werden. Dazu wird der BTS256-LED Tester mit seinem Bajonettanschluss an eine Ulbrichtkugel ISD-21-V01 der Gigahertz-Optik GmbH befestigt. Diese Kugel hat einen Durchmesser von 21 cm und eine Messöffnung mit 50 mm Durchmesser, die bei Bedarf auf 75 mm vergrößert oder durch Lochblenden im Durchmesser reduziert werden kann. Die Detektoröffnung ist durch eine Blende zur Messöffnung hin abgedeckt, um einen direkten Lichteinfall vom Prüfling auf das Messgerät zu vermeiden. Die Ulbrichtsche Kugel ist mit einer Hilfslampe ausgeführt, die es ermöglicht, den Absorptionseinfluss des Prüflings auf das Messsignal zu ermitteln und zu kompensieren.

Bild 11: Versuchsaufbau mit Ulbrichtkugel

Der Lichtstrom und die Lichtfarbe der Test-LED werden mit 200 mA, 350 mA, 600 mA, 1000 mA und 1400 mA Betriebsstrom bestimmt. Der Vergleich der Messsignale in Counts bei den verschiedenen Lichtströmen zeigt, dass die Dämpfung der Ulbrichtschen Kugel einen Faktor von 53 hat. Mit dieser Dämpfung sinken die Messsignale unter 100 Counts. Ein Signal-Rausch-Verhältnis von 100 : 1 ist damit nicht gegeben. Für Lichtströme bis ca. 500 lm ist daher beim Binning mit 20-ms-Pulslängen der BTS256-LED Tester ohne Ulbrichtkugel zu verwenden. Bei LEDs und LED-Leuchten mit größeren Abmessungen, bei denen eine Ulbrichtkugel mit größerer Abmessung verwendet werden muss, kann das Messsignal durch Verlängerung der Pulslänge vergrößert werden.

Für den Betrieb der LED mit größeren Pulslängen sollte der Einfluss der Temperatur auf den Lichtstrom wie in diesem

Bild 12: Spektraler Lichtstrom in Counts bei verschiedenen Messungen

Zur Durchführung der Messungen und zur Dokumentation der Messwerte wurde auf die Software S-BTS256-LED zurückgegriffen, die zum Lieferumfang des Messgerätes BTS256-LED gehört. Bei dieser Software kann der Benutzer die grafische Benutzeroberfläche entsprechend seinen Bedürfnissen konfigurieren. Das abgebildete Konfigurationsbeispiel zeigt eine Oberfläche mit dem CIE-1936-x,y-Farbortdiagramm und numerische Daten kombiniert mit einer großflächigen Darstellung des Spektrums. Optional ist das Entwicklungswerkzeug S-SDK-BTS256-LED erhältlich. Es bietet DLLs für C‑ und C++-Programmierung und LabVIEW VI für Kunden, die das Messgerät in ihre eigene Software einbinden wollen.