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Zukünftige Entwicklung der maximalen Leuchtdichte von LEDs

The_Driver

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22 März 2012
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Innerhalb der letzten 1 1/2 Jahre hat sich die höchst-mögliche Leuchtdichte, die man ohne externe Hilfsmittel mit LEDs in Taschenlampen erreichen kann, um ca. 50% erhöht. Sie wird in Candela pro Quadratmillimeter Die-Fläche (cd/mm^2) angegeben. Zusammen mit der Fläche des Reflektors (oder der Optik) bestimmt sie die Lichtstärke einer Lampe. Der aktuelle Spitzenreiter schafft ca. 300cd/mm^2. Da ist zwar im Vergleich zu früher gar nicht so schlecht, aber immer noch deutlich weniger als selbst kleine Kurzbogen HID Birnen es schaffen. Die 75W Xenon Kurzbogen Birne in der Maxabeam schafft z.B. ca. 1000cd/mm^2. Die 120-350W starken UHP Birnen in Beamern schaffen ohne Probleme auch 2000cd/mm^2.

Ich möchte hier mal besprechen warum manche LEDs eine höhere Leuchtdichte erzielen als Andere und, was man da noch verbessern könnte (außer einfach die LEDs effizienter zu machen).

Generell kann man hier in @sma s Leuchtdichten Thread und hier in den Tests von @Köf3 gemessene Leuchtdichten finden. In den meisten LED Datenblättern gibt es dazu leider keine Angaben. Bei denen, wo es doch mit angegeben wird, fehlen dann Messwerte beim maximal möglichen Strom.

Wie kriegt man nun eine hohe Leuchtdichte?
Man braucht eine kalt-weiße LED mit niedrigem CRI (hoher grün-gelb Anteil) und ohne Linse/Dom, welche eine möglichst hohe Leistungsdichte toleriert (Watt pro Quadratmillimeter Die-Fläche).

Begrenzende Faktoren:
  • Temperatur der LED und alles, was diese beeinflusst
  • Temperatur des Phosphors
  • Nicht vollständig erforschte Strombegrenzung von manchen LEDs (siehe z.B. Luxeon V)
Mit Abstand am Wichtigsten ist hier die Temperatur der LED. Die meisten LEDs sind bis 150°C zugelassen, manche auch nur bis 135°C.

Hier eine Tabelle, wo ich die aktuell besten LEDs in diesem Bereich miteinander vergleiche:
LED | max. Leuchtdichte [cd/mm^2] | Die-Fläche [mm^2] | max. Leistung [W] | Leistungsdichte in Bezug auf Die-Fläche [W/mm^2] | Stromdichte in Bezug auf Die-Fläche [A/mm^2] | Fläche des Wärmeleitenden Lötpads [mm^2] | Leistungsdichte in Bezug aufs das mittlere Lötpad [W/mm^2] |Wärmewiderstand [°C/W] | min. LED-Temperatur bei max. Leuchtdichte und 25°C Lampentemperatur [°C] | max. Betriebstemperatur Tj [°C]
Osram SYNIOS P2720 DMLN31.SG | 298 | 0,225 | 3,17 | 14,1 | 4,22 | 2,58 | 1,23 | 20 | 88 | 150 |
Osram Black Flat HWQP | 258 | 1,122 | 22,1 | 19,7 | 4,99 | 3,06 | 6,44 | 4,3 | 120 | 150 |
Luminus CFT-90 | 230 | 9 | 178 | 19,8 | 5 | 45,9 oder 747,6 | 3,88 oder 0,24 | 0,45 electrical | 105 | 150 |
Cree XP-G3 S5 shaved| ~220 | 2,06 | 34 | 16,5 | 4,13 | 4,245 | 8,01 | 3 | 127 | 150 |
Osram Ostar LE UW Q8WP NB | 206 | 1,91 | ~32 | 16,8 | 4,45 | 5,26 | 6,08 | 2,6 | 108 | 150 |
Cree XP-G2 R5/S4 de-domt| 197 | 2,16 | ~24 | 11,1 | 2,78 | 4,245 | 5,65 | 4 | 121 | 150 |
Cree XP-L HI V3| 177 | 3,55 | ~31,5 | 8,87 | 2,11 | 4,11 | 7,66 | 2,2 | 94 | 150 |
Lumileds Luxeon Z ES | 173 | 1,774 | 16,3 | 9,2 | 2,59 | 1,81 | 9,01 | 3 | 73,9 | 135 |
Luminus SST40 dedomt| 173 | 3,994 | 31 | 7,8 | 2,1 | 13,44 | 2,31 | 2,5 | 103 | 150 |
Cree XHP35 HI E2| 151 | 5,32 | 49 | 9,2 | 2,41 | 4,11 | 11,92 | 1,8 | 113 | 150 |
Cree XP-E2 Torch U5 dedomt| >141 | <0,85 | ~9,75 | 11,5 | >3,06 | 4,11 | 2,37 | 9 | 113 | 150 |
Lumileds Luxeon V mit Dom| ~150-200 | ~4 | 34 | 8,5 | 2,38 | 7,63 | 4,46 | 0,8 | 52,5 | 135 |

Bitte sagt Bescheid, wenn ihr dort Fehler findet. Die Werte habe ich aus den Datenblättern, den Tests und teilweise selbst berechnet.

Was mir hier auffällt:
  1. Ihre maximale Leuchtdichte erreichen fast alle der LEDs bei ungefähr 100°C (beim Einschalten), wenn man sie nicht aktiv auf unter Zimmertemperatur kühlt
  2. Nur die LEDs von Lumileds erreichen ihre maximale Leuchtdichte bei deutlich niedrigeren Temperaturen
  3. Die Luminus CFT-90 ist den anderen LEDs technologisch einen Schritt voraus, ihre Leuchtdichte ist für so einen großen Die geradezu unglaublich, sie hat allerdings auch das größte Wärmeleitpad
  4. Die Black Flat hat eine hohe Leistungsdichte in Bezug auf die Die-Fläche, nicht aber in Bezug auf die Fläche des mittleren Lötpads
Was ich mir wünsche ist eine LED mit kleinem Die (z.B. 2mm^2), ohne Dome und direkt auf einer Kupferplatine, wie die CFT-90. Diese Platine am besten im 16mm Standardformat.
 
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Ernsthaft, mitten in der Nacht von Sonntag auf Montag?:D
Aber gut, ich hab' noch Urlaub und davon...
...Was ich mir wünsche ist eine LED mit kleinem Die (z.B. 2mm^2), ohne Dome und direkt auf einer Kupferplatine, wie die CFT-90. Diese Platine am besten im 16mm Standardformat.
...würde ich auch 2 oder 3 nehmen. Idealerweise bestrombar mit bis zu 3-4A, dann könnte man mit geringem Aufwand aus jeder kleinen Lampe mit XM-L2 leicht einen Minithrower machen. Dann nur noch einen klappbaren Diffusor draufstecken und man hätte eine ultraflexible EDC, die sowohl Flood als auch Throw kann. Denn nur um noch einen weiteren sinnlosen Megathrower zu bauen, wäre so eine LED doch viel zu schade;).
 
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...würde ich auch 2 oder 3 nehmen. Idealerweise bestrombar mit bis zu 3-4A, dann könnte man mit geringem Aufwand aus jeder kleinen Lampe mit XM-L2 leicht einen Minithrower machen. Dann nur noch einen klappbaren Diffusor draufstecken und man hätte eine ultraflexible EDC, die sowohl Flood als auch Throw kann. Denn nur um noch einen weiteren sinnlosen Megathrower zu bauen, wäre so eine LED doch viel zu schade;).

3-4A reicht bei einer 2mm^2 LED (XP-G2/3 Größe) aber bei weitem nicht aus, wenn die LED nicht gerade viel effizienter ist als bisherige. Es müssten schon mindestens 12-15A sein, damit es interessant wird.
 
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Stimmt, die Effizienz muss sich deutlich steigern...erst dann hole ich den Lötkolben wieder raus:D.
 

The_Driver

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Ich habe noch die Stromdichte der LEDs eingefügt. Diese wird in der Wissenschaft oft genutzt.
 

The_Driver

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Nur ein keiner Hinweis am Rande:
Die Werte der Osram Synios LEDs sind durch einen Messfehler deutlich zu hoch. In echt schaffen sie nur 200cd/mm^2. Diese ubnd weitere aktualisierte Angaben findet man in meiner Tabelle im BLF (kann ich immer wieder bearbeiten).