HAW - MT - Lichttechnik Susanne Molter, Benjamin Beyer 1 LED - Light Emitting Diode Funktionsweise...

HAW - MT - Lichttechnik Susanne Molter, Benjamin Beyer

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LED - Light Emitting Diode

Funktionsweise von LED´sund Anwendung in

Theater, Architektur und Lichtdesign


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Geschichte / Entwicklung der LED1907 H.J. Round entdeckte erstmalig, dass Lichterzeugung durch elektrische

Anregung eines Festkörpers, in Verbindung mit einem Siliziumkarbid-Kristalls (SiC), möglich ist. Das so Erzeugte Licht, wurde als “Kaltes Licht” bezeichnet, da bei diesem Vorgang keine nennenswerte

Erwärmung des Kristalls erfolgt. Diese Entdeckung war zu der Zeit aber nicht interessant genug, und wurde erst

1921 von O.V. Lossew wiederentdeckt, der sich dann bis ca. 1942 mit Lichtemission intensiver beschäftigte. Im gleichen Zeitraum, genauer 1935, entdeckte Destriau einen ähnlichen Leuchteffekt beim Zinksulfid (ZnS). Er bezeichnete ihn als Lossew-Licht.

1951 Mit fortschreitender Forschung in der Halbleiterphysik, sowie der Entdeckung und Entwicklung des Transistors, konnten endlich auch Lossews Beobachtung in das Festkörperwissen der damaligen Zeit eingeordnet werden. 1951 konnte die Lichtemission weitgehend geklärt werden.


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Geschichte / Entwicklung der LED1952 bis 1961 wurde der Destriau - Effekt weiter erforscht und entwickelt,

man erkannte die Elemente der 3. bis 5. Hauptgruppe des Periodensystems als Halbleiter, die man mit 3 und 5wertigen Elementen dotierte.

1957 Erforschung der Lichterzeugung mit Halbleitern, sowie die Weiterentwicklung der Technologie zur Herstellung von Kristallen und

Bauelementen .

1962 Die Grundlagen der LED waren geschaffen und wurden dannendgültig, mit der Lichtemission im sichtbaren Bereich

durch Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP) gefestigt.

1971 Es wurden die ersten kommerziellen roten LED´s von General Electric hergestellt. Isoelektronisches Dotieren von GaP und GaAs mit Stickstoff steigerte die Effektivität und führte dazu, dass grüne, gelbe und orange LED´s hergestellt werden konnten.

Ca.1980 Rote LED´s (AlGaAs Dioden) übertrafen in ihrer Effektivität das erstemal farbig gefilterte Glühlampen und lösten sie in einigen Bereichen ab z.B. Signalleuchten, Anzeigentafeln. Ende der 80er wurden die ersten SiC- Dioden eingeführt. Erneut Steigerung der Leistung durch AlInGaP-

Dioden im grünen, gelben bis zum rotorangen Spektralbereich.


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Geschichte / Entwicklung der LED1994 Nichia Chemical stellte InGaN-Dioden vor, die im blauen Spektrum

emittieren. Hewlett Packard entwickelte 1994 ein transparentes GaP Substrat was zu einer zweifachen Steigerung der Lichtausbeute

führte.

Die Entwicklung geht weiter. Heute können alle Spektralbereiche abgedeckt werden, auch weißes Licht ist jetzt Möglich. Das Führt(e) dazu, dass immer mehr Bereiche von LED´s erschlossen werden, und

ihre Möglichkeiten auch verstärkt z.B. im Lichtdesign und anderen künstlerischen Gebieten genutzt werden.


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Funktionsweise der LEDLED´s sind Dioden, die elektrische Energie in Form von Licht abgeben, emittieren. Den Kern bilden zwei verschiedene Halbleiter, die gemeinsam einen pn-Übergang bilden. Der pn-Übergang bildet sich an der Grenze zwischen einer n-leitenden Zone und einer p-leitenden Zone. Die p-Zone zeichnet sich durch Elektronenmangel aus, während die n-Zone einen Elektronenüberschuss besitzt. Innerhalb der Atome gibt es das Modell der Bänder, Valenzbänder und LeitungsbänderDas Valenzband gibt Aufschluss über das Energieniveau dergebundenen Elektronen, das Leitungsband über das der freibeweglichen Elektronen. Wird einem Atom Energie zugeführt,werden Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehobenauf das Leitungsband, und sind dann, frei beweglich, nichtmehr an ihr ursprüngliches Atom gebunden. Sie bewegensich bis sie ein Atom finden dem ein Elektron fehlt, ein soge-nanntes Loch. Mit diesem ionisierten Atom gehen sie eineBindung ein, wobei sie Energie abgeben müssen, um auf das energieärmere Valenzband zu kommen. Diesen Prozess nennt man Rekombination.Die Energie wird in Form von Licht (Photonen) abgegeben, deren Farbe vom Bandabstand abhängig ist.


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Funktionsweise der LEDDer Prozess der Rekombination findet im pn-Übergang statt. Durch Anlegen einer Spannung, d.h. Plus an die p-Zone, wandern frei bewegliche Elektronen von der n-Zone in die p-Zone. LED´s werden in Durchlassrichtung betrieben. Dort findet dann der Prozess der Rekombination statt. Wahrnehmbare Lichtabstrahlung beginnt in etwa bei Stromstärken von 2 mA. Um die Wahrscheinlichkeit von Rekombinationen zu erhöhen werden die Halbleiter dotiert. Dotierung ist eine gezielte Verunreinigung, bei der einem Halbleiter bestimmte Fremdatome zugeführt werden. Halbleiter besitzen einen Kristallaufbau. Wird z.B. ein reines Silizium (Si) Kristall mit Aluminium (Al) dotiert, entstehen dabei Löcher, denn das Al-Atom kann nur drei Bindungen eingehen (Al hat drei Valenzelektronen), eine Bindung innerhalb des Kristallgitters (Si hat vier Valenzelektronen) bleibt frei, es entsteht ein p-Leiter.


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Funktionsweise der LEDBei der n-Leitenden Zone wird nach dem selben Muster verfahren, nur das hier ein Fremdatom eingebaut wird, dass ein Elektron zu viel zur Verfügung stellt, also ein Elektronenüberschuss entsteht. Dies kann z. B. das Phosphoratom (P) sein. Die p-Zone muss ausreichend dünn sein, damit das abgegebene Licht nach außen gelangen kann.Als besonders geeignete Halbleiter für LED´s haben sich die Atome der III. – V Hauptgruppe erwiesen, die sogenannten III – V Halbleiter. Sie ermöglichen eine besonders effektiv strahlende Rekombination.Verwendet werden z.B. GaS, GaAs,InGaN.

Periodensystem III-V Hauptgruppe


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Strom / Spannung bei LED´sStrom / Spannung:Die meisten LED´s werden mit ca. 20 mA betrieben. Bei der Superflux von Lumileds sind es ca. 70 mA. Die Abstrahlung von LED´s ist proportional zum Strom. Je höher der Strom, desto größer der erzeugte Lichtstrom. Gleichzeitig findet dann aber ein Wärmeanstieg statt. Da Halbleiter Temperaturabhängig sind, und bei übersteigen einer bestimmten Temperatur zerstört werden, ist die Kühlung bzw. die Wärmeabfuhr wichtig. Mit steigender Spannung steigt auch der Durchlassstrom, erst langsam dann schneller, an, dadurch entsteht Wärme, die mehr Ladungsträger erzeugt, was einen erneuten Stromanstieg zur Folge hat, bis die Diode an ihre Grenzen gelangt und zerstört wird. Daher wird immer ein Widerstand zur Strombegrenzung vor die Diode gesetzt.Bei der Wärmeableitung ist meist die Bauform ausschlaggebend. Hier treten bei Platinen mit vielen Hochleistung LED ´s noch Probleme auf., da die Temperatur LED´s und Platine schädigt.Die Lebensdauer und die Effizienz von LED´s sinkt bei hohen Temperaturen.


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Strom / Spannung bei LED´sStrom / Spannung:

Stromkreis mit Widerstand zurStrombegrenzung, zum Schutz der LED

Vergleich der Abhängigkeit des Lichtstromesvom Strom einer Spider LED und einer5mm LED mit dem gleichen LED-Chip TS-AllnGaP.


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Strom / Spannung bei LED´sStrom / Spannung: Der durch die Diode fließende Strom ist von der Spannung abhängig. Die Betriebsspannung beträgt in der Regel 2 V – 4 V. Die Sperrspannung ist mit 5 V relativ gering. Das liegt an den hohen Dotierungsunterschieden bei LED´s.Die Durchlassspannung hängt von der Bandlücke ab, also von der Lichtfarbe.


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Farben der LED´sLED´s gibt es mittlerweile in nahezu allen Farben, selbst blau und weiß strahlende LED´s können nach anfänglichen Problemen gefertigt werden. Durch die Farbenvielfalt kamen immer neue Anwendungsbereiche, von anfangs einfachenKontrolllämpchen hin zu bedeutenden Designelementen.Angefangen hat es mit den roten, grünen und orangen LED´s.


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Farben der LED´sDie Anzahl der Farbe ging einher mit der Entwicklung der Halbleitertechnologie. Die Farbe des Lichtes wird bestimmt vom Bandabstand des Valenzbandes und des Leitungsbandes. Je nach Energiedifferenz strahlen die Elektronen bei Abgabevon Energie in verschiedenen Wellenlängen, größtenteils im nichtsichtbaren Bereich, denn das sichtbare Licht macht nur eine geringe Bandbreite aus.Daraus lässt sich schliessen, dass die Farbe des Lichtes von den verwendeten Halbleitern, minimal auch von deren Dotierung, abhängig ist. Das Spektrum einer LED ist sehr schmal, den grössten Teil macht eine Wellenlänge aus, die sogenannte Dominantwellenlänge. So wird rotes oder gelbes Licht von GaAsP- Halbleitern abgegeben, je nach anteiliger Zusammensetzung. Grünes Licht wird von InGaN-Halbleitern abgestrahlt.


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Farben der LED´sDie Dominantwellenlänge bestimmt die Farbe der LED, beim weißen Licht wird die Farbe durch den Farbort definiert.


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Farben der LED´sBlaues LichtBlau emittierende Dioden wurden im Jahre 1994 von der Firma Nichia entwickelt. Bis dahin war es nicht Möglich, dass für die Weiterentwicklung so wichtige blaue Licht zu erzeugen. Nichia hat GaN-Schichtsysteme auf Saphier aufgetragen,die GalliumNitrid-LED war die erste blau emittierende Diode. Sie ebnete den Weg zur Entwicklung von weißen LED´s.


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Farben der LED´sWeißes LichtWeißes Licht ist nur durch die Mischung der Spektralfarben zu erzeugen.Das war also erst möglich, nachdem blaue LED´s entwickelt wurden. Um weißes Licht mit LED´s zu gewinnen, wurden blau emittierende LED´s auf Galliumnitrid-Basis mitLumineszenz-Farbstoffen kombiniert. Das Licht der blauen LED regt den Farbstoff an, der wiederum die Wellenlänge des Lichtes verändert.Das daraus entstehende Gemisch der Spektralfarben führte zum weißen Licht. Durch Veränderung der Farbstoffe können verschiedenen weißtöne erzeugt und exakt reproduziert werden.Es gibt zwei Möglichkeiten die Farbstoffmischung in die Diode einzubringen, zum einen kann der Farbstoff in Epoxidharz eingebracht werden, mit dem die blaue LED vergossen wird, zum anderen kann der Farbstoff direkt auf den Halbleiter aufgebracht werden. Siemens fing 1998 mit der Massenproduktion von weißen LED´s an.


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Farben der LED´sWeißes LichtWeißes Licht ist nur durch die Mischung der Spektralfarben zu erzeugen und wird durch den Farbort definiert .


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Farben der LED´sBeispiele verschiedenfarbiger LED´s


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Farben der LED´sBeispiele verschiedenfarbiger LED´s


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Bauformen von LED´sAllgemein:

Die Bauformen lassen sich in grundsätzlichzwei Gruppen einteilen:

- bedrahtete LED´s- oberflächenmontierbare LED´s

Allgemeiner Aufbau: In allen Bauformen wird jeweils der Halbleiter auf ein Leadframe aufgebracht. Das Leadframe / Metallfassung erfüllt mehrere Aufgaben, zum einen sorgt esfür die elektrische Kontaktierung durch Anode und Katode, so dass die Diode mit Strom versorgt werden kann. Zum anderen wird über das Leadframe auch Wärme abgeleitet.Desweiteren kann es in Form eines Reflektors ausgeführt sein, um so die LED-Eigenschaften noch zu verbessern. Reflektorsysteme setzten sich immer mehr durch, um eine effizientere und kontrollierbarere Abstrahlcharakteristik zu erzielen.


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Bauformen von LED´sAllgemeiner Aufbau:


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Bauformen von LED´sAllgemeiner Aufbau:Das Gehäuse besteht aus Glas oder Plastik/Epoxidharz. Epoxidharz eignet sich noch besser als Glas, da es extrem widerstandsfähig ist und so maximalen Schutz vor Beschädigungen durch äussere Einflüsse gewährleistet. Das Glas- oder Plastikgehäuse gibt es in eingefärbter oder in klarer Ausführung und hat so Einfluss auf die Farbe der LED. Durch die Krümmung der Oberfläche wirkt dasGehäuse als eine Art Linse, die die Strahlung der LED in Achsrichtung bündelt.Mittlerweile werden auch hier verschiedene Linsen entwickelt, ähnlich dem herkömmlichen Scheinwerferbereich, um die Abstrahlcharakteristik der LED zu variieren, z.B. Reihe von LED´s mit TIR-LinsenNahaufnahmeTIR-Linse


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Bauformen von LED´sStandard Bauform:

3mm, 5mm LED, Standard Bauform, bedrahtet

Besonderheit: Abführung der Wärme durch die beidenKontaktierungen. Verarbeitung durch einfachereBestückungsmaschinen, dafür aufwendigere Ausrichtungauf der Platine.


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Bauformen von LED´sSMT-LED (Surface Mount Technology)

Besonderheit: sehr klein und kompakt,gut maschinell verarbeitbar, darum kosten- und zeitsparend, bessere automatische Bestückung,weniger Bohrungen auf der bestückten Platine


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Bauformen von LED´sSpider LED / Super Flux (Lumileds)

Besonderheit: Werden mit höherem Strom betrieben, um einen höheren Lichtstrom zu erreichen. Die dadurch ent-stehenden höheren Temperaturen werden durch zusätzlicheLötkontakte abgeleitet. So kann eine lange Lebensdauergewährleistet werdenLeider konnten wir für die SuperFlux keine LVK bekommen.


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Bauformen von LED´sSmartLED (Osram OptoSemiconductors)

Abwandlung der SMT LED

Besonderheit: Extrem klein, kommt einer idealen punktförmigenLichtquelle sehr nahe.


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Bauformen von LED´sEinige Beispiele:

3mm Standard LED

Smart LED

SMT LED


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Linsen/Optiken für LED´sLINSEN SYSTEME Durch die vielfältigen Anwendungsbereiche treten auch immer neue Anforderungen auf, was zur Entwicklung von Linsen und Optiken führte. Mit ihnen soll das Abstrahlverhalten der LED´s verbessert werden.


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Linsen/Optiken für LED´sLINSEN SYSTEMEDurch Linsen können die diffus strahlenden LED´s gebündelteres Licht abstrahlen.Dadurch kann die Abstrahlcharakteristik variiert und dem Anwendungszweck angepasst werden.


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Linsen/Optiken für LED´sLINSEN SYSTEME Optiken von OSRAM Semiconductors

Aufsatz zum Mischen von RGB Farben.mit drei LED´s

Durch spezielle Aufsätze können verschiedene Effekte und Designs erreicht werden.


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Vor-/Nachteile für von LED´sVorteile: - kleine Abmessungen, geringer Platzbedarf, geringes Gewicht- lange Lebensdauer mit niedriger Ausfallrate bei geringer

Abnahme der Lichtleistung- zuverlässig, geringer Wartungsbedarf- weder IR noch UV Strahlung im Spektrum- mittlerweile alle Farben möglich, Filterung kann entfallen- Dimmbarkeit von 0-100%, Blinken möglich- kein Flackern, keine Stroboskopeffekte- sehr geräuscharm- ungefährliche Betriebsspannung, Betrieb an Schutzspannung (SELV)

möglich- keine Wärme auf den beleuchteten Flächen- keine Farbveränderung auf den beleuchteten Flächen- durch kleine Optiken gut steuerbar- problemloser Einsatz, flexibel einsetzbar- gute Farbwiedergabe bei RGB Mischung


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Vor-/Nachteile für von LED´sNachteile: - Wärmeentwicklung kann Platine schädigen- die angestrebte Effizienz ist noch nicht erreicht- hohe Stückkosten- geringere Lebensdauer bei High-Brightness-LED- große Zahl von LED´s nötig, um Leuchtstärke konventioneller Leuchtmittel zu erreichen- Entwicklungskosten der Platinen- hoher Energiebedarf bei der Fertigung- Effizienz und Lichtfarbe ist mehr oder wenig temperaturabhängig- Farbwiedergabe einiger weißer LED (blaue LED + Leuchtstoff) ist nicht in allen Anwendungsfällen ausreichend- Vorschaltgeräte notwendig


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Kostenvergleich LED /LeuchtstofflampeVergleich Preis Leistungsverhältnis von Leuchtstofflampen und LED´s


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Anwendung: EinleitungLED´s haben sich in der Architektur, sowohl innen als auch aussen, bereits häufig als sehr flexibel und vielseitig erwiesen, was dazu führte, dass sie im kreativen Bereich vielfach Verwendung finden. Desweiteren überwiegen die Vorteile meist gegenüber den Nachteilen Sie sind eine brauchbare Ergänzung zu herkömmlichen Leuchtmitteln. Im folgend gibt es jetzt einige Beispiele, von LED´s im Bereich der Architektur.Im Theaterbereich werden LED´s kaum verwendet, wenn dann nur zur Ergänzung für kleinere Effekte. Einige Beleuchter meinten, die Leuchtstärke sei noch nicht ausreichend für´s Theater und die Kosten übersteigen das Budget von staatlichen Theatern. Mama Mia in Tokio verwendet z.B. LED-Platten auf dem Bühnenboden, in Hamburg werden hierfür noch herkömmliche Leuchstoffröhren verwendet.LED´s fangen erst langsam an sich in Theatern durchzusetzen.


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Anwendung: ArchitekturStrassenbahn in Witten an der Ruhr: In den Boden wurden alle 3m rutschhemmende überrollbare Einbauleuchten in den Boden eingelassen. Die Einbauleuchten stammen von der Firma Bega mit Platinen mit blauen LED von Insta. 200 dieser Leuchten wurden für die Innenstadt verwendet. Dies dient der Sicherheit und sieht gut aus. Während der Fahrt der Bahn gehen die Leuchten vor ihr an und aus.Bei Stillstand leuchten sie vor undhinter der Bahn permanent.

Detail


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Anwendung: ArchitekturStrassenbahn in Witten an der Ruhr, Leuchten auf Dauerbeleuchtung


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Anwendung: ArchitekturU-Bahnhof Ziegelstein in NürnbergLauflicht und Leitsystem für ein- und ausfahrende Züge

Technische Daten:Deckenelement: 216m gekanntetes farbiges BlechbandLED-Lichtband in der Nut, 4reihiges 15mm Raster,alle Metersegmente einzeln mit Optokopplernansteuerbar,Lauflicht abhängig von der Zuggeschwindigkeit


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Anwendung: ArchitekturU-Bahnhof Ziegelstein in NürnbergLauflicht und Leitsystem für ein- und ausfahrende Züge

Leitsystem Wand: 36 vertikaleLED Elemente, mit je 600 weißen Dioden (5mm) bestückt2reihig im 16mm Raster,bruchsichere Glasrohre


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Anwendung: ArchitekturFolkwangbrücke in EssenBlaue Leuchtdioden am Geländer mitspeziell struckturierter Glasoberflächeangebracht


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Anwendung: ArchitekturNord LB in Braunschweig:warmes weißes Licht am Altbau, blaues Licht am HochhausFenster und Konturen werden durch LED Rohrsystem (ca. 680m) unterstrichen,Wirkung ähnlich der von Neonröhren


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Anwendung: ArchitekturBrücke in Duisburg:Jede 10te Strebe ist mit 15 winzigen, weißen Leuchtdioden bestückt.140 filigrane Lichtketten umrahmen den schwebenden Steg


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Anwendung: ArchitekturBrücke in Duisburg:


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Anwendung: ArchitekturDonaukai in Neuburg: 225m lange LED-Lichtband im Promenadengeländer, bestückt mit 16000 weißen smd-LED´s, Farbtemperatur ca. 5400K


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Anwendung: DekorationSpacebar, Hamburg Altona: Bunte LED-Wand und Tannenzäpfle


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Anwendung: DekorationBarbarabar, Hamburg Kiez:


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Anwendung: TheaterFußleiste: Sicherheit bei Stufen und Kanten und gleichzeitig ein echter Blickfang im Zuschauerraum


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Anwendung: TheaterStaatsoper, Hamburg: Regenschirm mit weißen LED´s bestückt, Herr Gruber präsentiert


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Anwendung: TheaterSternenhimmel des Titanic-Musicals (Stageholding). Verwendet wurden ca. 400-500 weiße LED´s. Es wurden verschieden leistungsstarke LED´s (3600 – 5600 cd) benutzt, um den Himmel möglichst realistisch zu gestalten. Die LED´s sind in Reihe geschaltet und werden mit Sicherheitsnadeln befestigt. Die Kabel sind an Dimmernangeschlossen. Vor die LED´s wurden Gase gespannt, um ihr Licht diffuser erscheinen zu lassen.


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Anwendung: FilmeSternenhimmel des Titanic-Musicals (Stageholding).


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Anwendung: ModuleEinige LED-Elemente verschiedener Anbieter


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Anwendung: FilmeFilm von G-Lec


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Anwendung: FilmeChroma Range von Pulsar Light


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Anwendung: FilmeChroma Range von Pulsar Light


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QuellennachweisLiteratur: Licht Spezial 3 LED, Pflaum Verlag

Elektronik Band 2 Bauelemente, Vogel Verlag

Internet: www.G-lec.dewww.licht.dewww.osram.dewww.pulsarlight.comwww.lumileds.comwww.led-info.dewww.infineon.com/led

Theater: Staatsoper, HamburgTitanic, Stageholding

http://www.g-lec.de/

http://www.licht.de/

http://www.osram.de/

http://www.pulsarlight.com/

http://www.lumileds.com/

http://www.led-info.de/

http://www.infineon.com/led

http://www.infineon.com/led

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