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LED verdrängt Halogen

Halogenlampen waren in der Vergangenheit die gängigen Leuchtmittel für viele Bildverarbeitungs-Beleuchtungen. Nun steht die LED mit ihrer höheren Lebensdauer, ihren geringeren Betriebskosten und der damit verbundenen erhöhten Betriebssicherheit als Wachablösung bereit.

Energiekosten und Wartungsintervalle sowie Betriebskosten wurden bei der Bewertung von Bildverarbeitungs-Systemen in der Vergangenheit kaum betrachtet. Hauptsache war, dass das System die Aufgabenstellung erfüllte. Heute werden jedoch die Betriebskosten zunehmend stärker gewichtet.

Die Beleuchtung hat einen wesentlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des gesamten Systems. Sie ist für ein industrielles Bildverarbeitungs-System so wichtig wie der Standort für eine Immobilie. Die Auswahl des Leuchtmittels beim Design neuer Lichtquellen ist somit ebenso entscheidend für die Wirtschaftlichkeit. Hier steht nicht nur die optische Performance im Vordergrund, sondern auch die zu erwartende Lebensdauer und die Effizienz.

In den vergangenen Jahren wurden in Lichtquellen überwiegend Halogenlampen als Leuchtmittel verwendet. Typischerweise haben diese eine Farbtemperatur von ca. 3200 K und eine Lebensdauer von wenigen 1000 Stunden. Diese relativ kurze Lebensdauer von Halogenlampen und die damit verbundene Betriebssicherheit reicht für moderne Applikationen heute jedoch oft nicht mehr aus.

Effiziente Alternativen zu Halogenlampen finden sich in Langbogen- Entladungslampen (z.B. Leuchtstoffröhren), Kurzbogen-Entladungslampen (z.B. Metalhalid-Lampen als Scheinwerfer) und LEDs. Da bei vielen Bildverarbeitungs- Anwendungen ein zeitlich stabiler Lichtstrom Voraussetzung ist, sind Entladungslampen jedoch nur bedingt einsetzbar. Somit verbleibt die LED als optimale Alternative.


Die LED als optimale Alternative

Die Vorteile der LED liegen unter anderem in der deutlich höheren Lebensdauer von bis zu 50.000 Stunden, einer einfachen Ansteuerung, ihrer mechanischen Robustheit, ihren kleinen Abmessungen, dem sehr flexiblen Design von Beleuchtungs-Bauformen sowie den geringeren Betriebskosten und einem ausgezeichneten Preis/Leistungsverhältnis. Dies sind überzeugende Argumente für die Wahl einer LED als Leuchtmittel. Im Bereich von Ringleuchten und ähnlichen Beleuchtungs-Bauformen hat sich die LED daher inzwischen bereits als am häufigsten eingesetztes Leuchtmittel etabliert.

Aufgrund der Vorteile der LED gegenüber herkömmlichen Halogen-Lichtquellen setzte sich der Schweizer Beleuchtungs-Spezialist Volpi das Ziel, diese zukunftsweisende Technologie auch im Bereich faseroptischer Beleuchtungen zu nutzen, wo bislang vor allem so genannte Kaltlichtquellen auf Halogen- oder Metall-Halid-Basis eingesetzt wurden. Das erzeugte Licht wird bei diesem Lichtquellen-Typ über flexible Glasfaseroptik-Lichtleiter an den Einsatzort geführt. Diese Technik bietet zwei wesentliche Vorteile gegenüber einer direkten Beleuchtung: Da die Glasfasern keine Wärmestrahlung übertragen, wird das Prüfobjekt geschont. Zudem sind oft nur auf diese Weise auch schwer zugängliche Stellen erreichbar.

Das Entwicklungs-Team bei Volpi wollte also die Vorteile der LED mit denen der faseroptischen Beleuchtungen verknüpfen, in ein industrietaugliches Produkt umsetzen und somit eine neuartige LED-Lichtquelle entwickeln. Die verwendete Faseroptik zur Lichtleitung stand dabei nicht zur Debatte, da sie nach wie vor tadellos funktioniert. Gesucht war also ein neues LED-Leuchtmittel für die neue Lichtquellen-Generation, das den hohen Anforderungen des Marktes entspricht.

Die Auswahl fiel nach intensiven Voruntersuchungen auf Mehrchip-LEDs vom Typ OSTAR von OSRAM, die das beste Verhältnis von Leuchtdichte, Helligkeit und Lebensdauer boten. Als Leuchtmittel kommen dabei Halbleiter-Chips aus Galliumnitrit (GaN) zum Einsatz, die blaues Licht abstrahlen, das durch eine Konversionschicht in weißes Licht umgewandelt wird. Im Gegensatz zum früher angewandten Verfahren, bei dem der Konversionsfarbstoff einfach der Vergussmasse beigemengt wurde, kommt bei den OSTAR-LEDs eine neue Technologie namens ThinGaN zu Einsatz: Bei dieser hocheffizienten Dünnfilm-Technologie wird die Konversionschicht direkt auf den Halbleiter-Chip aufgedruckt. Dies bewirkt eine bessere Farbtreue und Homogenität, eine deutliche Steigerung der Effizienz sowie eine wesentlich längere Lebensdauer des Leuchtmittels. Alle Halbleiterchips sind dabei in Reihe geschaltet, um einen gleich hohen Strom durch alle Chips zu gewährleisten und so eine gleichmäßige Helligkeit über die Fläche zu erreichen.

Durch die Zusammensetzung der Konversionschicht kann zudem die Farbtemperatur der weißen LED gewählt werden. In der Regel wird eine Farbtemperatur von 5000 bis 6000 K angestrebt, da der Mensch diesen als "kaltweiß" bezeichneten Bereich als weißes Licht empfindet. Im Gegensatz dazu bieten verschiedene Hersteller auch "warmweiße" LEDs an. Deren Farbtemperatur liegt zwischen 3000 und 4000 K und entspricht somit der Farbtemperatur einer Halogenlampe.


Gesteigerte Effizienz

Der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz weißer LEDs, d.h. die Anzahl von Photonen bezogen auf die verbrauchte Energie, wurde in der Vergangenheit erfreulich gesteigert. Vor wenigen Jahren lag die Effizienz noch bei ca. 10 Lumen/Watt. Aktuell liefern verschiedene Hersteller LEDs mit einer Effizienz von 40 bis 70 lm/W, und für Sommer/Herbst 2007 sind sogar weiße LEDs mit 70 bis 90 lm/W angekündigt. Zum Vergleich: Eine Halogenlampe hat eine Effizienz von ca. 30 lm/W, eine Entladungslampe liegt bei etwa 90 lm/W.

Die Vorteile der OSTAR-LEDs setzten die Volpi-Entwickler in die neue LED- Lichtquelle mit der Bezeichnung IntraLED 2020 um.

Aufgrund der hohen Effizienz der LEDs erzeugt sie mehr als 3,5 MLux weißes Licht bei einer Leistungsaufnahme von nur 15 W. Zum Vergleich: Eine DC- Lichtquelle mit einer 150 W-Halogenlampe verbraucht ca. 180 bis 200 W elektrische Leistung und erzeugt ca. 9 MLux gelbes Licht. Da die LED- Lichtquelle im Vergleich zu einer Halogen-Lichtquelle über ein ausgewogeneres Verhältnis von Rot-, Grün- und Blauanteilen des Lichtes verfügt, beträgt der resultierende Beleuchtungsunterschied etwa den Faktor zwei. Es genügt daher, das Objektiv der Kamera um eine Blende zu öffnen, um die Halogen-Lichtquelle durch die LED-Lichtquelle ersetzen zu können.

Je nach Betriebsmodus erreicht die IntraLED 2020 eine Lebensdauer von über 30.000 Stunden. Die Intensität der Beleuchtung ist in 5%-Schritten über Tasten auf der Frontplatte oder über eine RS232-Schnittstelle digital steuerbar. Aufgrund ihres kompakten, industrietauglichen Gehäuses ist die neue LED- Lichtquelle einfach in Automatisierungsanlagen integrierbar.

Die IntraLED 2020 wird mit 12 VDC mit universalem Steckernetzteil (100-240 V 50/60 Hz) geliefert. Sie arbeitet ohne Streulicht und ist für Reinraum- Applikationen geeignet. Da das neuartige Beleuchtungs-System mit wesentlich weniger Energie auskommt als herkömmliche Lichtquellen, ist die IntraLED 2020 geradezu prädestiniert für den Einsatz in klimatisierter Umgebung. Da der Preis des neuen Beleuchtungs-Systems deutlich unterhalb bisheriger Halogen- Lichtquellen angesiedelt ist, amortisiert es sich bereits innerhalb weniger Monate.


Erste erfolgreich realisierte Applikationen

Die neue entwickelte LED-Technologie ist bereits erfolgreich im Einsatz: Volpi hat unter anderem eine automatisierte Filterprüfanlage mit einer IntraLED 2020 ausgerüstet, bei der Prüflinge von innen mittels einer Licht-Probe beleuchtet werden. Die LED-basierte Beleuchtung ersetzt dabei eine 150W-Halogen- Lichtquelle.

Ein weiteres Beispiel ist ein hochauflösendes Kalotten-Oberflächen-Prüfsystem von Volpi, das ebenfalls mit einer IntraLED 2020 arbeitet.


Fazit:

Die eingesparten Energie- und Wartungskosten amortisieren die Investition für den Ersatz von Halogenlampen-Lichtquellen durch LED-Lichtquellen in kurzer Zeit. Das Potential für den Austausch veralteter Halogen-Lichtquellen dürfte bei einigen zehntausend Halogen-Leuchten liegen.