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Kaltweiß vs. Warmweiß

Buschcamper

Stammgast
18 Januar 2017
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Olight Taschenlampen
Trustfire
Ich hätte mal eine Bitte:

Vielleicht kann mir einer der Experten das Prinzip der Lichtfarbe einer LED erklären.

LEDs gibt es ja meist in kaltweiß (cw), neutralweiß (nw) oder warmweiß (ww) .

Verstanden habe ich, dass eine LED Lichtwellen emittiert, wenn sie durch Stromfluß dazu angeregt wird.

Die Lichtfarbe bzw. Farbtemperatur müsste sich dann in Abhängigkeit der Wellenlänge des emittierten Lichtes definieren (kurze Wellenlänge --> bläulich --> kalt, längere Wellenlänge --> rötlich --> warm) ähnlich wie bei einem Regenbogen.

Wie bekomme ich aber ein und dieselbe LED einmal cw und einmal ww?

Wird dann ein Filter o.ä. über der LED montiert? Wenn ich in den Taschenlampenkopf hineinsehe, kann ich das aber nicht erkennen, oder ?

Außerdem habe ich festgestellt, dass bei Messungen der Farbtemperatur mittels Smartphone (sicherlich nicht exakt, aber zumindest Tendenzen feststelbar) eine geringe Leuchtstufe einer Lampe i.d.R. einen niedrigere Farbtemperatur hat, als die höchste Stufe.

Dies würde aber eigentlich einem Filter widersprechen, denn dann sollte die Farbe immer gleichmäßig erscheinen…..

Ihr seht, viele Fragen, viele Theorien, wenig konkretes….

Gruß

Oli

Falls die Kantine nicht der richtige Ort für meine Frage ist, bitte ich einen Mod. das Thema zu verschieben.
Danke.
 

mkr

Flashaholic***²
2 Februar 2013
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Nanda Parbat
Huhu,

LEDs können nur eine Wellenlänge an Licht emittieren. Also z.B. entweder blau, rot, oder grün. Such' dir eine aus. :)

"Weißes" Licht hingegen ist eigentlich "thermisches Rauschen", also das Abstrahlen von allen (für den Menschen sichtbaren) Wellenlängen zugleich.

In LED-Taschenlampen (und wahrscheinlich auch sonstigen LED-Anwendungen) werden blaue LEDs verbaut. Damit man von dieser blauen Farbe so ungefähr auf Weiß kommt, wird die LED mit einer gelben Phosphor-Schicht überzogen. Und das Blau der LED zusammen mit dem Gelb vom Phosphor ergibt auch so ungefähr Weiß.

Kaltweiß, Neutralweiß und Warmweiß unterschiedet sich, soweit ich weiß, einfach nur durch die Beschaffenheit bzw Dicke der Phosphor-Schicht auf der LED. Je dicker diese Schicht, desto gelber wird das Licht.
 

Buschcamper

Stammgast
18 Januar 2017
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Acebeam
Vielen Dank für die Info.

Deswegen ist dann auch jede LED gelb wenn man hineinsieht.

Dann schliesst sich auch der Kreis zu der Tatsache, daß ww LEDs weniger lm liefern als cw LEDs, da durch die dickere Phosphorschicht weniger Licht austreten kann.

Und auch die Messung der unterschiedlichen Farbtemperatur bei unterschiedlichen Leuchtstufen würde passen, da die Dicke der Phosphorschicht gegeben ist (gleich bleibt) und bei weniger Licht anteilsmäßig mehr absorbiert (bzw. frequenzverschoben) wird als bei höheren Stufen. Somit geht die Farbtemparatur noch oben je heller die LED leuchtet.

Jetzt stellt sich nur noch die Frage bei welcher Lumenleistung die Hersteller die Temperatur messen? Wahrscheinlich bei max. Output.

Gruß
Oli
 

Dagor

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14 Mai 2011
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Jetzt stellt sich nur noch die Frage bei welcher Lumenleistung die Hersteller die Temperatur messen? Wahrscheinlich bei max. Output.
Eher bei dem Strom, der auch für das Binning verwendet wird. Müsste bei Cree meist 700mA sein, wenn ich mich richtig erinnere. Für die stromabhängige Farbabweichung gibt es in den Datenblättern auch Diagramme.
 
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Dagor

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Die Diagramme sind auf Seite 21ff.
Das sind die Binning-Diagramme. Ich meinte die Diagramme auf Seite 14.

Angenommen, du hast eine kaltweiße Cree XHP50 6V, die relativ mittig im 1A-Farb-Bin sitzt.
Also z.B. genau an der Position (0,31|0,32) im CIE-Normfarbsystem. (Siehe Seite 21)
Das entspräche einer Farbtemperatur von 6737.5 K. (Hier ist ein Umrechner)

Bei der XHP50 6V gelten diese Angaben für einen Strom von 1,4 A.
Wenn du die LED mit einem anderen Strom betreibst, verschiebt sich die Farbe entsprechend des Diagramms auf Seite 14.
Angenommen es fließen 3 A. Auf der x-Achse verschiebt sich die Farbe also um ca. -0,005 und auf der y-Achse um ca. -0,002.
Bei 3 A landet man also bei (0,305|0,318), was einer Farbtemperatur von 7066.8 K entspricht.
(Ob es einen Grün- oder Violettstich gibt, bin ich mir noch nicht sicher. Das müsste man aus den Koordinaten eigentlich auch ablesen können)
 
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Flummi

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26 Oktober 2015
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Puh, mit der Phosphorschicht stehe ich wissenstechnisch noch auf Kriegsfuß. Es ist aber nicht so, dass das blaue LED-Licht "frequenzverschoben" wird oder einfach gelbes Licht hinzuaddiert wird. Dann hätten wir nämlich nach wie vor eine bzw. zwei Spektrallinien. Dem ist ja nun nicht so.

Mit meinem Halbwissen bin ich der Meinung, dass die Phosphorschicht mit blauem Licht angeregt wird, dieses aber mit einer Vielzahl Wellenlängen -quasi kontinuierlich- abgestrahlt wird. Da war doch mal was mit dem Bohr'schen Atommodell und den plumpsenden Elektronen...
 

Dagor

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Mit meinem Halbwissen bin ich der Meinung, dass die Phosphorschicht mit blauem Licht angeregt wird, dieses aber mit einer Vielzahl Wellenlängen -quasi kontinuierlich- abgestrahlt wird. Da war doch mal was mit dem Bohr'schen Atommodell und den plumpsenden Elektronen...
Ich werfe noch mal ein bisschen bei Wikipedia zusammengegoogeltes Halbwissen dazu:

Mit dem Element Phosphor hat das ganze überhaupt nichts zu tun. "Phosphor" wird in diesem Zusammenhang nur als anderes (aufregenderes) Wort für "Leuchtstoff" verwendet.


LEDs funktionieren prinzipiell so, dass Elektronen am Übergang einer pn-Halbleiterdiode das "Energielevel" wechseln. Sie springen von einem höheren "Leitungsband" in ein niedrigeres "Valenzband". Der vom Abstand der Bänder (der Bandlücke) abhängige Energieunterschied eines Elektrons wird dabei in Form eines Photons abgegeben. Und die Energie eines Photons bestimmt wiederum die Wellenlänge.
(Besser kann ich das auch noch nicht erklären - Hat halt irgendwas mit Quantenmechanik zu tun)

"Weiße" LEDs basieren meist auf blauen Indiumgalliumnitrid (InGaN) LEDs. Durch die Änderung der Materialzusammensetzung (ein anderes Verhältnis von Galliumnitrid zu Indiumnitrid) lässt sich die Bandlücke des Halbleiters verändern. Diese wiederum bestimmt die Wellenlänge der generierten Photonen. Ich schätze, dass das Spektrum der blauen LEDs nicht monochromatisch ist, da die Materialzusammensetzung nicht überall zu 100% identisch ist. Das Ergebnis ist jedenfalls ein relativ schmaler aber nicht monochromatischer Blau-Peak.

Als Leuchtstoff wird dann üblicherweise Cer dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce3+) verwendet. Das absorbiert einen Teil des blauen Lichts und emittiert ein breitbandiges Spektrum von grün bis rot mit dem Peak im gelben Bereich. Das ganze lässt sich noch weiter anpassen, in dem man das Cer (zu einem (kleinen?) Teil?) durch Terbium oder Gadolinium ersetzt, oder das Aluminium im YAG durch Gallium.

Man hat in diesem Beispiel also folgende "Regler" zur Festlegung der Lichtfarbe einer LED:
- Zusammensetzung des Halbleiters der LED (Galliumnitrid + Indiumnitrid) --> Wellenlänge der LED
- Menge des Leuchtstoffes --> Anteil des Lichts das "umgewandelt" wird
- Dotierung des Leuchtstoffs (Zusammensetzung / Dichte)
- Grundmaterials des Leuchtstoffs (Zusammensetzung)

Hersteller wie Cree werden sicher gut gehütete "Leuchtstoffrezepte" haben und diese fortlaufend weiter optimieren.
Das ganze ist jedenfalls etwas komplizierter als die nächstbeste Leuchtstoff-Pampe auf einen irgendeinen Halbleiterkristall zu schmieren.

Quellen/Lesetipps:
https://de.wikipedia.org/wiki/Photoelektrischer_Effekt
https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode#Funktionsprinzip
https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode#Wei.C3.9Fe_LED
https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphor#White_LEDs
https://de.wikipedia.org/wiki/Indiumgalliumnitrid
https://de.wikipedia.org/wiki/Yttrium-Aluminium-Granat
 
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Dr.Devil

Flashaholic**
24 Juli 2012
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:augenverdrehen:
Krass, über die Erkenntnis wie eine LED im Grundsatz funktioniert, da habe ich bislang einen gewissen Bogen gemacht :bloedesonne:
Ich folge deinen Ausführungen mit Ehrfurcht...:entsetzt:

Wenn jedenfalls demnächst mal irgendein Bekannter kommt von wegen: "Du kennst dich doch aus mit Taschenlampen". "Die haben ne LED, nicht?" und mich darüber ein gewisser Übermut überkommt folge ich deinen Links und neige dann mein Haupt in Demut :sprachlos:

Spannendes Thema :)

Grüße Jürgen
 

Buschcamper

Stammgast
18 Januar 2017
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So tiefgehende Antworten hatte ich auf meine Frage gar nicht erwartet.
Das grundlegende Funktionsprinzip der LED ist ja der photoelektrische Effekt. Hat Einstein seinen Nobelpreis für bekommen weil man seine sonstigen Theorien noch nicht verstanden hat zu der Zeit.
Das letzte Mal damit zu tun hatte ich vermutlich im LK Physik aber da gab es noch keine blauen LEDs.

Die zahlreichen Links werde ich mir bei Gelegenheit mal ansehen, das Thema ist interessant.

Die Diagramme im Datenblatt bekommen dann auch eine andere Ausdruckskraft wenn man die theoretischen Grundlagen zumindest ganz grob nachvollziehen kann.

Es gibt ja anscheinend auch noch einen Temperatureffekt der ebenso wie der Einfluss der Stromstärke die "Farbwertkoordinaten" verschiebt.

Es stimmt sicherlich das die Hersteller technisch sehr gefordert werden um hier noch Potential für zukünftige Entwicklungen zu haben. Das ganze ist nicht gerade trivial.

Gruß
Oli
 
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Dagor

Moderator & Erschaffer der TL-Smileys
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Buschcamper

Stammgast
18 Januar 2017
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Nein, Raketentechnik ist einfach ("Actio est Reactio" - Newton statt Quantenmechanik),
Rein von den physikalischen Grundlagen her ist das sicherlich so. Schon die alten Chinesen hatten Raketen und man war (angeblich) auf dem Mond bevor es grosse Fortschritte in der Halbleitertechnik gab.
 

light-wolff

Flashaholic***²
14 September 2011
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im Süden
Kaltweiß, Neutralweiß und Warmweiß unterschiedet sich, soweit ich weiß, einfach nur durch die Beschaffenheit bzw Dicke der Phosphor-Schicht auf der LED. Je dicker diese Schicht, desto gelber wird das Licht.
Es ist nicht die Dicke der Schicht, sondern alleine die Beschaffenheit. Es werden andere Leuchtstoffe verwendet oder ihre Anteile verändert.

Dann schliesst sich auch der Kreis zu der Tatsache, daß ww LEDs weniger lm liefern als cw LEDs, da durch die dickere Phosphorschicht weniger Licht austreten kann.
Es liegt nicht an der Dicke. Die Leuchtstoffe für Rot sind einfach weniger effizient. Außerdem "zählt" rotes Licht bei gleicher Strahlungsleistung weniger als gelbes oder grünes.

Wenn ich in den Taschenlampenkopf hineinsehe, kann ich das aber nicht erkennen, oder ?
Doch. Bei CW ist der Leuchtstoff grün-gelb, bei WW orange.
 
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