Ein energieeffizientes LED-Design

Die vielen Initiativen zum Thema Green Signage bestätigen es: Strom Sparen ist für die gesamte Wertschöpfungskette von LED-Displays ein Zukunftsthema, das bestätigen allein die vielen Initiativen zum Thema Green Signage. Auch invidis und der Großhändler Lang AG aus Lindlar beschäftigten sich mit dem Thema: Sie analysierten die möglichen Quellen für Energieverschwendung und suchten Wege, diese am besten zu vermeiden.

Green Signage: So laufen LED-Displays energieeffizient

invidis und die Lang AG identifizierten dabei drei Säulen, die für die Energieeinsparung relevant sind: Hardware, Betrieb und Content. Dieser erste Teil des zweiteiligen Artikels beschäftigt sich mit der Hardware.

Auch LEDs strahlen Wärme ab

Die eingesetzte Hardware ist ein wesentlicher Punkt, wenn es um Einsparungspotenziale geht. Seit ihrer Einführung wird die LED als besonders stromsparende Lichtquelle gesehen. Doch wenn man sich die Energieeffizienz ansieht, ist diese gar nicht so optimal: „Zwei Drittel der Leistung, die man in eine LED hineinsteckt, gehen normalerweise verloren. Ungefähr ein Drittel wird tatsächlich genutzt“, stellt Benjamin Valbert, Director LED & Displays bei der Lang AG, klar. Der Rest strahlt wie bei anderen Leuchtmitteln als Wärme ab.

Teilweise ist die verlorene Leistung eine Folge der Konstruktion: Beispielsweise werden bei einem Großteil der LED-Produkte alle Grundfarben einer LED (RGB) mit derselben Spannung betrieben, obwohl es für Rot, Grün und Blau unterschiedlicher Spannungen bedarf. Hieraus resultiert durch die notwendige Vorschaltung von Widerständen eine unnötige Verlustleistung.

Gemeinsame Kathode für RGB

Eine Lösung für das Problem: Die Common-Cathode-Fertigung. Hierbei werden die RGB-LEDs nicht mit einer gemeinsamen Anode betrieben, sondern nutzen eine gemeinsame Kathode.

Hierdurch kann jede Grundfarbe eines LED-Chips jeweils mit ihrer spezifischen Spannung betrieben werden. Leistungsverluste durch Vorwiderstände, die bei der Common-Anode-Technologie entstehen, werden auf diese Weise vermieden. Der Produktionsprozess ist hier aufgrund der aufwendigeren Schaltung kostspieliger. Doch lassen sich mit dieser Methode 20 Prozent, unter idealen Bedingungen sogar bis zu 30 Prozent Energie einsparen. Die LED-Hersteller sind noch verhalten, was die Common-Cathode-Methode angeht. Aktuell sind es sehr wenige Hersteller, die sie wirklich nutzen.

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Von den Produkten entfallen rund neunzig Prozent auf Outdoor-Displays, die eine hohe Helligkeit benötigen. Bei den restlichen zehn Prozent handelt es sich um neue Screens, bei denen die Hersteller das Investment eingehen – meistens aber nur, um mehr Helligkeit herauszuholen, die Energieeffizienz steht hier – noch – nicht im Vordergrund.

Schnittstellen verringern Lichtaustritt

Grundsätzlich werden Chips aus einer größeren Fläche geschnitten. Das ist auch bei Micro-LEDs der Fall. Doch an den Schnittstellen fällt der Lichtaustritt geringer aus, was sich bei kleineren LEDs stärker auswirkt.

Hinzu kommt, dass herkömmliche LEDs an der lichtemittierenden Oberseite kontaktiert werden, was zu einem gewissen Verlust der Lichtausbeute führt. Da die Lichtaustrittsfläche bei sinkendem Pixelpitch ebenfalls kleiner wird, die Drähte zur Kontaktierung allerdings nicht, hat das einen negativen Einfluss auf die Energieausbeute.Auch hier gibt es eine technische Lösung: die sogenannte Flip-Chip-Technologie. Dabei findet die Kontaktierung vollständig an der Unterseite statt, sodass durch die wegfallenden Kontaktdrähte an der Oberseite der Lichtaustritt nicht behindert wird.

Samsung nutzt für The Wall mit einem Pixelpitch von 0,8 Millimetern bereits diese Technologie, auch andere Hersteller setzen sie schon ein. Hier wäre eine Möglichkeit zur Einsparung, wenn Hersteller beispielsweise für Pixelpitches unter 2 Millimetern grundsätzlich mit Flip-Chip produzieren würden.

Teil 2 des Artikels, wie LED-Displays möglichst stromsparend betrieben werden können, behandelt die Themen Betrieb und Content.