DE102022129162A1

DE102022129162A1 - Optoelektronisches modul und verfahren zum betrieb eines optoelektronischen moduls

Info

Publication number: DE102022129162A1
Application number: DE102022129162.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dietze
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-11-04
Filing date: 2022-11-04
Publication date: 2024-05-08
Also published as: WO2024094420A1

Abstract

Es wird ein optoelektronisches Modul angegeben, aufweisend:- zumindest eine Leuchtdiode (2), die im Betrieb Licht mit einer Lichtstärke (Iv) emittiert,- einen integrierten Schaltkreis (3), der im Betrieb einen Betriebsstrom (I) der Leuchtdiode (2) einstellt und einen Wert der Vorwärtsspannung (Vf) der Leuchtdiode (2) misst, wobei- der integrierte Schaltkreis (3) eine Degradation der Leuchtdiode (2) durch das Messen des Werts der Vorwärtsspannung (Vf) bestimmt und den elektrischen Betriebsstrom (I) in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung (Vf) derart erhöht oder erniedrigt, dass eine Änderung der Lichtstärke (Iv) auf Grund der Degradation zumindest teilweise kompensiert wird.Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls angegeben.

Description

Es werden ein optoelektronisches Modul und ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls angegeben.
Es soll ein optoelektronisches Modul mit einer verbesserten Stabilität gegenüber alterungsbedingten Änderungen einer Lichtstärke angegeben werden. Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Des Weiteren soll ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls mit einer verbesserten Stabilität gegenüber alterungsbedingten Änderungen der Lichtstärke angegeben werden. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 6 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Moduls sowie des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform weist das optoelektronische Modul zumindest eine Leuchtdiode auf, die im Betrieb Licht mit einer Lichtstärke emittiert. Beispielsweise emittiert die Leuchtdiode im Betrieb elektromagnetische Strahlung. Insbesondere emittiert die Leuchtdiode Licht in einem Spektralbereich zwischen infrarotem Licht und ultraviolettem Licht. Bevorzugt emittiert die Leuchtdiode im Betrieb Licht in einem sichtbaren Spektralbereich. Insbesondere wandelt die Leuchtdiode einen elektrischen Betriebsstrom in Licht um.
Die Lichtstärke bezeichnet hier und im Folgenden einen von der Leuchtdiode pro Raumwinkel erzeugten Lichtstrom und wird insbesondere in der Einheit „Candela“ angegeben. Dabei entspricht der Lichtstrom einer Strahlungsleistung der Leuchtdiode, die mit einer wellenlängenabhängigen Empfindlichkeit des menschlichen Auges gewichtet ist. Die Strahlungsleistung bezeichnet dabei eine Energie pro Zeit, die vom emittierten Licht transportiert wird.
Die Leuchtdiode umfasst insbesondere einen epitaktischen Halbleiterschichtenstapel, der eine aktive Schicht zur Umwandlung des elektrischen Betriebsstroms in elektromagnetische Strahlung aufweist. Die aktive Schicht weist beispielsweise einen pn-Übergang auf, der als Quantentopfstruktur oder als Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet sein kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optoelektronische Modul einen integrierten Schaltkreis auf, der im Betrieb einen Betriebsstrom der Leuchtdiode einstellt und einen Wert der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode misst. Der integrierte Schaltkreis ist beispielsweise ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (Englisch: application specific integrated circuit, kurz: ASIC).
Der integrierte Schaltkreis weist insbesondere eine elektrische Schaltung zum Einstellen des elektrischen Betriebstroms der Leuchtdiode auf. Beispielsweise umfasst die elektrische Schaltung eine einstellbare elektrische Stromquelle.
Des Weiteren weist der integrierte Schaltkreis eine elektrische Schaltung zur Messung der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode auf. Hier und im Folgenden bezeichnet die Vorwärtsspannung insbesondere eine elektrische Spannung, die über dem Halbleiterschichtenstapel der Leuchtdiode abfällt, während ein konstanter elektrischer Betriebsstrom in Durchlassrichtung durch die Leuchtdiode fließt. In anderen Worten entspricht die Vorwärtsspannung einem elektrischen Spannungsabfall zwischen einer Anode und einer Kathode der in Durchlassrichtung betriebenen Leuchtdiode.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Moduls bestimmt der integrierte Schaltkreis eine Degradation der Leuchtdiode durch das Messen des Werts der Vorwärtsspannung. Hier und im Folgenden bezeichnet die Degradation eine alterungsbedingte Änderung der Lichtstärke der Leuchtdiode bei einem vorgegebenen elektrischen Betriebsstrom.
Beispielsweise bilden sich während des Betriebs der Leuchtdiode Defekte in der aktiven Schicht. Des Weiteren können bereits im Halbleiterschichtenstapel vorhandene Defekte während des Betriebs der Leuchtdiode in die aktive Schicht hinein wandern oder aus der aktiven Schicht heraus wandern. Diese Defekte sind beispielsweise Fehlstellen oder Versetzungen in einer kristallinen Ordnung des Halbleiterschichtenstapels. Eine Erhöhung einer Defektdichte in der aktiven Schicht auf Grund der Alterung der Leuchtdiode kann beispielsweise zu einer Verringerung einer internen Quanteneffizienz der Leuchtdiode führen. Somit verringert sich mit zunehmendem Alter der Leuchtdiode insbesondere die Lichtstärke des von der Leuchtdiode emittierten Lichtes bei einem vorgegebenen elektrischen Betriebsstrom. Die Defektdichte in der aktiven Schicht kann mit zunehmendem Alter der Leuchtdiode auch abnehmen, wodurch sich die Lichtstärke der Leuchtdiode beispielsweise erhöht.
Die Vorwärtsspannung der Leuchtdiode bei vorgegebenen Betriebsparametern, insbesondere bei vorgegebenem Betriebsstrom und bei vorgegebener Temperatur, kann sich beispielsweise als Funktion der Defektdichte in der aktiven Schicht ändern. Insbesondere korreliert die Degradation der Leuchtdiode mit einer alterungsbedingten Änderung der Vorwärtsspannung bei vorgegebenen Betriebsparametern. Somit kann eine Änderung der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode bei vorgegebenen Betriebsparametern als ein Maß für die Degradation der Leuchtdiode verwendet werden. Beispielsweise nimmt die Vorwärtsspannung ab, wenn die Lichtstärke auf Grund der Degradation der Leuchtdiode abnimmt, oder umgekehrt
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Moduls erhöht oder erniedrigt der integrierte Schaltkreis den elektrischen Betriebsstrom der Leuchtdiode in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung derart, dass eine Änderung der Lichtstärke auf Grund der Degradation zumindest teilweise kompensiert wird. Der integrierte Schaltkreis erhöht oder erniedrigt beispielsweise einen zeitlich konstanten Betriebsstrom. Der integrierte Schaltkreis kann auch einen zeitlichen Mittelwert des Betriebsstroms erhöhen oder erniedrigen, beispielsweise falls die Lichtstärke der Leuchtdiode durch eine Pulsweitenmodulation des Betriebsstroms eingestellt wird.
Die Kompensation erfolgt insbesondere derart, dass die Änderung der Lichtstärke auf Grund der Degradation durch die Erhöhung oder Erniedrigung des Betriebsstroms und eine damit einhergehende Änderung der Lichtstärke zumindest teilweise ausgeglichen wird. In anderen Worten wird der Betriebsstrom erhöht, wenn die Lichtstärke der Leuchtdiode auf Grund der Degradation abnimmt, und/oder umgekehrt.
Zum Beispiel weist die Leuchtdiode zum Zeitpunkt einer Kalibration eine bestimmte Lichtstärke bei einem vorgegebenen ersten Betriebsstrom, sowie eine bestimmte Vorwärtsspannung bei einem vorgegebenen zweiten Betriebsstrom auf. Der erste und der zweite Betriebsstrom können dabei gleich oder unterschiedlich sein. Nach einer gewissen Betriebsdauer der Leuchtdiode im Anschluss an die Kalibration ändert sich beispielsweise die Lichtstärke bei dem ersten Betriebsstrom sowie die Vorwärtsspannung bei dem zweiten Betriebsstrom auf Grund der Degradation der Leuchtdiode. Der integrierte Schaltkreis bestimmt nun insbesondere den Wert der geänderten Vorwärtsspannung beim zweiten Betriebsstrom als Maß für die Degradation der Leuchtdiode. Danach wird beispielsweise der erste Betriebsstrom als Funktion des gemessenen Wertes der Vorwärtsspannung derart erhöht oder erniedrigt, dass die Lichtstärke der degradierten Leuchtdiode beim ersten Betriebsstrom der Lichtstärke beim ersten Betriebsstrom zum Zeitpunkt der Kalibration entspricht, oder so wenig als möglich davon abweicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das optoelektronische Modul:

- zumindest die Leuchtdiode, die im Betrieb Licht mit der Lichtstärke emittiert,
- den integrierten Schaltkreis, der im Betrieb den Betriebsstrom der Leuchtdiode einstellt und den Wert der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode misst, wobei
- der integrierte Schaltkreis die Degradation der Leuchtdiode durch das Messen des Werts der Vorwärtsspannung bestimmt und den elektrischen Betriebsstrom in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung derart erhöht oder erniedrigt, dass die Änderung der Lichtstärke auf Grund der Degradation zumindest teilweise kompensiert wird.

Dem hier beschriebenen optoelektronischen Modul liegt insbesondere die Idee zugrunde, eine Änderung der Lichtstärke der Leuchtdiode auf Grund einer alterungsbedingten Degradation rein elektronisch zu kontrollieren und gegebenenfalls zu kompensieren. Dabei wird die Degradation vorteilhaft durch Messung der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode mit einem integrierten Schaltkreis bestimmt, der auch den Betriebsstrom der Leuchtdiode steuern kann.
Die Vorwärtsspannung korreliert insbesondere bei verhältnismäßig kleinen Betriebsströmen beispielsweise mit der Defektdichte in der aktiven Schicht der Leuchtdiode und somit mit der Degradation der Leuchtdiode. Der gemessene Wert der Vorwärtsspannung kann somit dazu verwendet werden, den Betriebsstrom der Leuchtdiode derart anzupassen, dass die alterungsbedingte Änderung der Lichtstärke zumindest teilweise ausgeglichen wird.
Zum Beispiel kann bei dem hier beschriebenen optoelektronischen Modul vorteilhaft auf ein teures Einbrennen der Leuchtdiode im Rahmen der Herstellung des optoelektronischen Moduls verzichtet werden. Beim Einbrennen wird die Leuchtdiode insbesondere vor einer optischen Kalibrierung der Lichtstärke über einen längeren Zeitraum mit einem maximalen Betriebsstrom betrieben, um eine schnelle anfängliche Degradation während des Betriebs nach der Kalibrierung zu verhindern. Im Gegensatz zum Einbrennen erlaubt das hier beschriebene optoelektronische Modul vorteilhaft eine Überwachung der Degradation während des Betriebs.
Des Weiteren ist bei dem hier beschriebenen optoelektronischen Modul keine aufwendige Aufzeichnung einer Betriebsdauer und/oder eines Temperaturverlaufs während des Betriebs notwendig, um die alterungsbedingte Änderung der Lichtstärke zumindest teilweise zu kompensieren. Insbesondere steht der gemessene Wert der Vorwärtsspannung bei dem hier beschriebenen optoelektronischen Modul vorteilhaft in direkter Beziehung zur Degradation der Leuchtdiode. Im Gegensatz dazu ist beispielsweise die Betriebsdauer oder der Temperaturverlauf nur ein indirektes Maß für die Degradation der Leuchtdiode. Die Betriebszeit oder der Temperaturverlauf weisen insbesondere keine Information über den individuellen Zustand der Degradation der Leuchtdiode im optoelektronischen Modul auf. Im Gegensatz dazu kann bei dem hier beschriebenen optoelektronischen Modul die Degradation in Abhängigkeit vom individuellen Zustand der Leuchtdiode kompensiert werden. Somit kann die Kompensation vorteilhaft mit größerer Genauigkeit erfolgen.
Bei dem hier beschriebenen optoelektronischen Modul kann überdies auf einen optischen Lichtstärkesensor zur Überwachung der Degradation der Leuchtdiode verzichtet werden. Somit ist das hier beschriebene optoelektronische Modul vorteilhaft kostengünstig herstellbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Moduls weist der integrierte Schaltkreis einen Analog-Digital-Wandler auf, der im Betrieb den Wert der Vorwärtsspannung misst. Insbesondere misst und digitalisiert der Analog-Digital-Wandler die Vorwärtsspannung zu vorgegebenen Zeitpunkten. Zum Beispiel misst der Analog-Digital-Wandler elektrische Spannungen bis zu einer maximalen Spannung zwischen einschließlich 1 Volt und einschließlich 3 Volt mit einer Genauigkeit zwischen einschließlich 0,1 Millivolt und einschließlich 10 Millivolt. Entsprechend weist der Analog-Digital-Wandler beispielsweise eine Auflösung zwischen einschließlich 7 Bits und einschließlich 15 Bits auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Moduls weist der integrierte Schaltkreis oder eine Messkontrolleinheit zur Steuerung des integrierten Schaltkreises einen Speicher auf, in dem der gemessene Wert der Vorwärtsspannung gespeichert wird. Die Messkontrolleinheit ist beispielsweise außerhalb des optoelektronischen Moduls angeordnet und zu einer Steuerung des integrierten Schaltkreises zur Messung des Wertes der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode eingerichtet. Des Weiteren kann der integrierte Schaltkreis oder die Messkontrolleinheit auf Basis des gespeicherten Wertes der Vorwärtsspannung die Änderung des Betriebsstroms berechnen, um die alterungsbedingte Änderung der Lichtstärke der Leuchtdiode zumindest teilweise zu kompensieren.
Des Weiteren können im Speicher Kalibrationsdaten des optoelektronischen Moduls gespeichert sein. Die Kalibrationsdaten umfassen insbesondere einen Zusammenhang zwischen der Lichtstärke der Leuchtdiode und dem elektrischen Betriebsstrom der Leuchtdiode. Des Weiteren umfassen die Kalibrationsdaten bevorzugt den Wert der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode als Referenzwert zur Bestimmung der Degradation.
Die Kalibrationsdaten können auch einen Zusammenhang zwischen der Lichtstärke der Leuchtdiode und der Betriebstemperatur der Leuchtdiode umfassen. Die Kalibrationsdaten werden beispielsweise nach einer Kalibrierung des optoelektronischen Moduls im Speicher gespeichert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Moduls weist der integrierte Schaltkreis einen Pulsweitenmodulator auf, wobei der Pulsweitenmodulator den Betriebsstrom der Leuchtdiode zur Steuerung der Lichtstärke moduliert. Insbesondere ändert der Pulsweitenmodulator den Betriebsstrom periodisch als Funktion der Zeit. Dabei kann der Betriebsstrom innerhalb einer Periode beispielsweise zwei unterschiedliche Werte während zwei entsprechender, unterschiedliche langer Zeitintervalle annehmen. Bevorzugt entspricht ein Wert des Betriebsstroms einem maximalen Betriebsstrom der Leuchtdiode, während der andere Wert einem verschwindenden Betriebsstrom entspricht. In anderen Worten emittiert die Leuchtdiode bei einem Wert des Betriebsstroms Licht mit maximaler Lichtstärke, während bei dem anderen Wert des Betriebsstroms kein Licht emittiert wird. Die Periode beträgt beispielsweise weniger als 20 Millisekunden, um ein wahrnehmbares, störendes Flackern des optoelektronischen Moduls zu vermeiden.
Durch Einstellen eines Tastverhältnisses (Englisch: dutycycle) zwischen den beiden Werten des Betriebsstroms kann der Pulsweitenmodulator insbesondere einen beliebigen zeitlichen Mittelwert des Betriebsstroms zwischen 0 Ampere und dem maximalen Betriebsstrom bereitstellen. Dabei gibt das Tastverhältnis ein zeitliches Verhältnis zwischen den beiden Zeitintervallen an, während denen der Betriebsstrom die zwei jeweiligen unterschiedlichen Werte annimmt. Das Tastverhältnis wird bevorzugt in Prozent angegeben. Beispielsweise emittiert die Leuchtdiode bei einem Tastverhältnis von 0 % im zeitlichen Mittel kein Licht, während bei einem Tastverhältnis von 100 % im zeitlichen Mittel Licht mit maximaler Lichtstärke emittiert wird. Durch das Einstellen des zeitlichen Mittelwertes des Betriebsstroms mit dem Pulsweitenmodulator kann im Vergleich zu einem Einstellen eines entsprechenden zeitlich konstanten Betriebsstroms vorteilhaft eine Farbverschiebung des von der Leuchtdiode emittierten Lichtes verringert oder vermieden werden. Des Weiteren ist die Lichtstärke des von der Leuchtdiode emittierten Lichtes direkt proportional zum Tastverhältnis.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optoelektronische Modul drei Leuchtdioden auf, die im Betrieb elektromagnetische Strahlung in einem roten, grünen, beziehungsweise blauen Spektralbereich emittieren. Insbesondere emittiert eine erste Leuchtdiode rotes Licht, eine zweite Leuchtdiode emittiert blaues Licht und eine dritte Leuchtdiode emittiert grünes Licht. Beispielsweise kann das optoelektronische Modul Licht einer beliebigen Mischfarbe emittieren, in dem die relativen Lichtstärken der drei Leuchtdioden entsprechend eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Moduls steuert der integrierte Schaltkreis elektrische Betriebsströme der drei Leuchtdioden getrennt voneinander und misst die Werte der Vorwärtsspannungen der drei Leuchtdioden zur Bestimmung der Degradation unabhängig voneinander. Somit wird insbesondere die Degradation jeder der drei Leuchtdioden unabhängig voneinander bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des optoelektronischen Moduls kompensiert der integrierte Schaltkreis die Änderung der Lichtstärke jeder der drei Leuchtdioden auf Grund der Degradation zumindest teilweise. Somit kann vorteilhaft eine Farbstabilität des optoelektronischen Moduls erhöht werden, wenn die drei Leuchtdioden unterschiedlich degradieren. Durch die Kompensation der alterungsbedingten Änderungen der jeweiligen Lichtstärken der drei Leuchtdioden kompensiert der integrierte Schaltkreis insbesondere eine alterungsbedingte Änderung der Farbkoordinaten des vom optoelektronischen Modul emittierten Mischlichtes zumindest teilweise.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls angegeben. Mit dem Verfahren kann insbesondere ein hier beschriebenes optoelektronisches Modul betrieben werden. Alle Merkmale des optoelektronischen Moduls sind auch für das Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls offenbart und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls wird zunächst eine Lichtstärke zumindest einer Leuchtdiode durch Steuerung eines elektrischen Betriebsstroms mit einem integrierten Schaltkreis eingestellt. Bevorzugt wird der Betriebsstrom pulsweitenmoduliert. Die Lichtstärke wird beispielsweise durch Vorgabe des Tastverhältnisses oder des zeitlichen Mittelwerts des pulsweitenmodulierten Betriebsstroms eingestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Degradation der Leuchtdiode durch Messung eines Werts einer Vorwärtsspannung mit dem integrierten Schaltkreis bestimmt. Bevorzugt wird die Vorwärtsspannung bei vorgegebenen Betriebsparametern der Leuchtdiode gemessen, beispielsweise bei einem vorgegebenen elektrischen Betriebsstrom und/oder bei einer vorgegebenen Temperatur. Beispielsweise weist die Vorwärtsspannung neben einer Abhängigkeit von der Degradation auch eine Abhängigkeit von der Temperatur der Leuchtdiode auf. Durch Messung der Vorwärtsspannung bei gleichen Betriebsparametern kann insbesondere der Einfluss der Degradation auf die Vorwärtsspannung von anderen Effekten getrennt werden. Dadurch wird beispielsweise eine Genauigkeit der Kompensation der alterungsbedingten Lichtstärkeänderung verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird beim Einstellen der Lichtstärke eine Änderung der Lichtstärke auf Grund der Degradation durch Erhöhen oder Erniedrigen des elektrischen Betriebsstroms als Funktion des gemessenen Werts der Vorwärtsspannung kompensiert. Durch das Erhöhen oder Erniedrigen wird der Betriebsstrom insbesondere geändert. Beispielsweise wird der elektrische Betriebsstrom der Leuchtdiode als Funktion des gemessenen Wertes der Vorwärtsspannung derart geändert, dass die Lichtstärke des von der degradierten Leuchtdiode emittierten Lichts zumindest annähernd der Lichtstärke der Leuchtdiode bei dem ungeänderten Betriebsstrom zum Zeitpunkt der Kalibration entspricht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Moduls die Schritte:

- Einstellen der Lichtstärke zumindest einer Leuchtdiode durch Steuerung des elektrischen Betriebsstroms mit dem integrierten Schaltkreis,
- Bestimmen der Degradation der Leuchtdiode durch Messung des Werts der Vorwärtsspannung mit dem integrierten Schaltkreis, wobei
- beim Einstellen der Lichtstärke die Änderung der Lichtstärke auf Grund der Degradation durch Erhöhen oder Erniedrigen des elektrischen Betriebsstroms als Funktion des gemessenen Werts der Vorwärtsspannung kompensiert wird.

Bevorzugt werden die Schritte des Verfahrens in der oben genannten Reihenfolge durchgeführt. Die oben genannten Schritte des Verfahrens können beliebig oft durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Bestimmen der Degradation der Leuchtdiode bei einem Einschalten der Leuchtdiode und/oder zu vorgegebenen Zeitpunkten. Beispielsweise wird der Wert der Vorwärtsspannung bei jeder Inbetriebnahme des optoelektronischen Moduls und/oder nach festgelegten Service-Intervallen ermittelt.
Ferner ist es auch möglich, den Wert der Vorwärtsspannung beispielsweise kontinuierlich während des Betriebs des optoelektronischen Moduls zu messen. Zum Beispiel kann bei der Pulsweitenmodulation einer der beiden Werte des Betriebsstroms zur Messung der Vorwärtsspannung eingerichtet werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der vorgegebene Wert des Betriebsstroms zur Messung der Vorwärtsspannung derart klein ist, dass die Leuchtdiode kein Licht oder kein wahrnehmbares Licht emittiert. In diesem Fall wird die Vorwärtsspannung der Leuchtdiode während einer Teilperiode der Pulsweitenmodulation gemessen, bei der die Leuchtdiode kein wahrnehmbares Licht emittiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Vorwärtsspannung bei einem vorgegebenen Wert des Betriebsstroms gemessen. Bevorzugt wird die Vorwärtsspannung an mehreren Zeitpunkten gemessen, wobei der vorgegebene Wert des Betriebsstroms bei jeder Messung der Vorwärtsspannung den gleichen Wert hat. Dadurch wird beispielsweise eine Genauigkeit der Kompensation der alterungsbedingten Änderung der Lichtstärke verbessert. Der vorgegebene Betriebsstrom zur Messung der Vorwärtsspannung wird insbesondere derart gewählt, dass die Änderung der Vorwärtsspannung auf Grund der Degradation besonders sensitiv auf die Degradation der Leuchtdiode ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der vorgegebene Wert des elektrischen Betriebsstroms zur Messung der Vorwärtsspannung derart gewählt, dass eine statistische Korrelation zwischen einer Änderung der Vorwärtsspannung und einer Änderung der Lichtstärke auf Grund der Degradation der Leuchtdiode nach einer vorgegebenen Betriebsdauer am größten ist. Beispielsweise werden die Vorwärtsspannung und die Lichtstärke sowohl zu Beginn als auch am Ende der vorgegebenen Betriebsdauer bei einer Vielzahl von gleichen optoelektronischen Modulen für eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebsströmen gemessen. Die Änderung der Vorwärtsspannung wird beispielsweise als Verhältnis der gemessenen Werte der Vorwärtsspannung zu Beginn und am Ende der vorgegebenen Betriebsdauer bei einem vorgegebenen Betriebsstrom bestimmt. Ebenso wird die Änderung der Lichtstärke beispielsweise als Verhältnis der gemessenen Werte der Lichtstärke zu Beginn und am Ende der vorgegebenen Betriebsdauer bei dem vorgegebenen Betriebsstrom bestimmt. Aus der gemessenen Änderung der Vorwärtsspannung und aus der gemessenen Änderung der Lichtstärke von jeder der Vielzahl optoelektronischer Module kann ein Maß für deren statistische Korrelation für unterschiedliche Betriebsströme berechnet werden. Die vorgegebene Betriebsdauer beträgt beispielsweise zwischen einschließlich einer Stunde und einschließlich 48 Stunden.
Zur Berechnung der statistischen Korrelation werden die Änderung der Vorwärtsspannung und die Änderung der Lichtstärke insbesondere als zwei statistische Zufallsvariablen betrachtet. Beispielsweise kann ein Pearsonscher Korrelationskoeffizient zwischen den gemessenen Änderungen der Lichtstärke und den gemessenen Änderungen der Vorwärtsspannung als Maß für deren statistische Korrelation berechnet werden. Der Pearsonsche Korrelationskoeffizient entspricht insbesondere einer Kovarianz zwischen den zwei Zufallsvariablen geteilt durch Standardabweichungen der beiden Zufallsvariablen. Dabei entspricht die Kovarianz einem Erwartungswert des Produktes aus der Differenz zwischen der ersten Zufallsvariable und deren Mittelwert und der Differenz zwischen der zweiten Zufallsvariable und deren Mittelwert.
Die statistische Korrelation zwischen der Änderung der Vorwärtsspannung und der Änderung der Lichtstärke ist insbesondere eine Funktion des elektrischen Betriebsstroms der Leuchtdiode. Bevorzugt wird derjenige elektrische Betriebsstrom bei der Messung des Wertes der Vorwärtsspannung zur Bestimmung der Degradation gewählt, bei dem die statistische Korrelation zwischen der Änderung der Vorwärtsspannung und der Änderung der Lichtstärke am größten ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens liegt der vorgegebene elektrische Betriebsstrom zur Messung der Vorwärtsspannung zwischen einschließlich 50 Mikroampere und einschließlich 5 Milliampere.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird beim Einstellen der Lichtstärke der Leuchtdiode der elektrische Betriebsstrom mit einem Kompensationsfaktor korrigiert, der linear von dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung abhängt. Zum Beispiel wird zur Kompensation der Degradation ein Wert eines zeitlich konstanten Betriebsstroms durch den Kompensationsfaktor geändert. Zur Kompensation der Degradation kann auch das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation des Betriebsstroms durch den Kompensationsfaktor geändert werden. Beispielsweise wird das Tastverhältnis invers proportional zum Kompensationsfaktor erhöht oder erniedrigt. Das Tastverhältnis kann auch proportional zum Kompensationsfaktor erhöht oder erniedrigt werden.
Der Kompensationsfaktor ist insbesondere eine lineare Funktion des gemessenen Wertes der Vorwärtsspannung. Der Kompensationsfaktor kann auch eine beliebige Funktion des Wertes der Vorwärtsspannung sein. Beispielsweise ist der Kompensationsfaktor ein Polynom, also eine Summe aus Vielfachen von Potenzen des gemessen Wertes der Vorwärtsspannung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens hängt der Kompensationsfaktor von vorbestimmten Kompensationsparametern ab. Die Kompensationsparameter sind zum Beispiel Koeffizienten in dem Polynom, das aus Potenzen des gemessenen Wertes der Vorwärtsspannung gebildet ist. Im Falle eines linearen Zusammenhangs zwischen dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung und dem Kompensationsfaktor umfasst der Kompensationsfaktor zum Beispiel zwei Kompensationsparameter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Kompensationsparameter durch Messung der Änderung der Lichtstärke auf Grund der Degradation bei einer Vielzahl gleicher Leuchtdioden und eine nachfolgende statistische Auswertung bestimmt. Beispielsweise wird für die Vielzahl gleicher Leuchtdioden sowohl die Änderung der Lichtstärke, als auch die Änderung des Wertes der Vorwärtsspannung nach einer vorgegebenen Betriebsdauer gemessen. Mittels einer Regressionsanalyse wird nachfolgend ein Zusammenhang zwischen der Änderung der Lichtstärke und der Änderung der Vorwärtsspannung ermittelt. Insbesondere wird ein polynomialer, beispielsweise linearer, Zusammenhang zwischen der Änderung der Lichtstärke und der Änderung der Vorwärtsspannung angenommen und die Koeffizienten des Polynoms, also die Kompensationsparameter, werden durch die Regressionsanalyse bestimmt. Zum Beispiel werden die Kompensationsparameter durch eine Minimierung einer mittleren quadratischen Abweichung der gemessenen Änderungen der Lichtstärke und der Vorwärtsspannung von dem angenommenen polynomialen Zusammenhang bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird unmittelbar vor oder nach der Messung des Werts der Vorwärtsspannung zur Bestimmung der Degradation eine Temperatur der Leuchtdiode bestimmt. Zum Beispiel wird die Temperatur der Leuchtdiode mit einem Temperatursensor gemessen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Temperatur der Leuchtdiode über eine Messung des Werts der Vorwärtsspannung bei einem vorgegebenen elektrischen Betriebsstrom, der größer als der elektrische Betriebsstrom zur Bestimmung der Degradation ist. Die Vorwärtsspannung der Leuchtdiode bei einem vorgegebenen elektrischen Betriebsstrom hängt insbesondere von der Temperatur der aktiven Schicht ab. Somit kann aus einer Messung der Vorwärtsspannung bei einem vorgegebenen Betriebsstrom insbesondere die Temperatur der Leuchtdiode bestimmt werden. Beispielsweise wird die Temperatur der Leuchtdiode bei einem für einen Dauerbetrieb der Leuchtdiode empfohlenen Wert des Betriebsstroms gemessen. Je größer der vorgegebene Betriebsstrom ist, desto größer ist beispielsweise die Änderung der Vorwärtsspannung auf Grund einer Änderung der Temperatur. Dadurch kann vorteilhaft eine Genauigkeit der Temperaturmessung erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der gemessene Wert der Vorwärtsspannung korrigiert, wenn die Temperatur bei der Bestimmung der Degradation der Leuchtdiode von einer vorgegebenen Temperatur abweicht. Insbesondere wird der gemessene Wert der Vorwärtsspannung zur Bestimmung der Degradation derart korrigiert, dass der korrigierte Wert zumindest ungefähr dem Wert der Vorwärtsspannung bei der vorgegebenen Temperatur entspricht. Somit können Temperaturunterschiede bei verschiedenen Messungen der Vorwärtsspannung zur Bestimmung der Degradation zumindest teilweise ausgeglichen werden. Dadurch wird vorteilhaft eine Genauigkeit der Kompensation der Degradation verbessert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Korrektur des gemessenen Werts der Vorwärtsspannung anhand eines bekannten Zusammenhangs zwischen der Vorwärtsspannung und der Temperatur der Leuchtdiode bei einem vorgegebenen Betriebsstrom. Beispielsweise nimmt die Vorwärtsspannung bei Erhöhung der Temperatur der Leuchtdiode um ein Grad Celsius um einen bekannten Betrag ab oder zu. Durch Multiplikation der Temperaturabweichung, also der Differenz zwischen der gemessenen Temperatur der Leuchtdiode und der vorgegebenen Temperatur, mit dem bekannten Betrag der Zu- oder Abnahme der Vorwärtsspannung pro Grad Celsius kann insbesondere der korrigierte Wert der Vorwärtsspannung bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das optoelektronische Modul vor einem ersten Betrieb kalibriert. Insbesondere wird das optoelektronische Modul vor dem ersten Betrieb optisch kalibriert. Die Kalibration kann auch nach einer bestimmten Betriebsdauer des optoelektronischen Moduls oder an mehreren Zeitpunkten nach unterschiedlichen Betriebsdauern erfolgen. Bei der Kalibration werden beispielsweise die Lichtstärke des emittierten Lichts und/oder Farbkoordinaten des optoelektronischen Moduls bei vorgegebenen Betriebsparametern, beispielsweise Betriebsstrom und Temperatur, gemessen. Die gemessenen Werte werden insbesondere im Speicher des integrierten Schaltkreises gespeichert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird beim Kalibrieren ein Zusammenhang zwischen dem elektrischen Betriebsstrom und der Lichtstärke der Leuchtdiode bestimmt. Insbesondere wird für eine Mehrzahl vorgegebener Werte des Betriebsstroms die Lichtstärke des emittierten Lichts gemessen. Des Weiteren kann ein Zusammenhang zwischen der Temperatur und der Lichtstärke bei einem vorgegebenen Betriebsstrom gemessen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird beim Kalibrieren der Wert der Vorwärtsspannung der Leuchtdiode unter gleichen Bedingungen gemessen, wie bei der Bestimmung der Degradation zu späteren Zeitpunkten. Der gemessene Wert der Vorwärtsspannung wird anschließend gespeichert. Insbesondere wird der bei der Kalibration gemessene Wert der Vorwärtsspannung im Speicher des integrierten Schaltkreises oder im Speicher der externen Messkontrolleinheit gespeichert.
Der bei der Kalibration gemessene Wert der Vorwärtsspannung stellt insbesondere einen Referenzwert dar, bezüglich dem die Degradation der Leuchtdiode bestimmt wird. Beispielsweise wird zur Bestimmung der Degradation der Leuchtdiode der Wert der Vorwärtsspannung nach einer bestimmten Betriebsdauer gemessen und mit dem Referenzwert verglichen. Die Änderung der Vorwärtsspannung ist beispielsweise proportional zur Degradation der Leuchtdiode.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Moduls sowie des Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls ergeben sich aus dem im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 und 3 zeigen schematische Blockschaltbilder von optoelektronischen Modulen gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
4 und 5 zeigen schematische Schaltbilder optoelektronischer Module gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7 zeigt beispielhaft ein schematisches Diagramm einer internen Quanteneffizienz einer Leuchtdiode als Funktion eines Betriebsstroms.
8 zeigt beispielhaft ein Diagramm einer statistischen Korrelation zwischen einer degradationsbedingten Änderung der Vorwärtsspannung und einer degradationsbedingten Änderung der Lichtstärke als Funktion eines Betriebsstroms einer Leuchtdiode.
9 zeigt beispielhaft ein Diagramm einer degradationsbedingten Änderung der Lichtstärke als Funktion einer degradationsbedingten Änderung der Vorwärtsspannung einer Leuchtdiode.
10 zeigt beispielhaft ein Diagramm einer kompensierten Degradation als Funktion einer unkompensierten Degradation für eine Vielzahl von optoelektronischen Modulen.
11, 12 und 13 zeigen kompensierte Degradationen von optoelektronischen Modulen gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele als Funktion der Betriebsdauer des optoelektronischen Moduls.

Gleiche, gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Das optoelektronische Modul 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 weist eine Leuchtdiode 2 und einen integrierten Schaltkreis 3 auf, die auf einer Hauptfläche eines gemeinsamen Trägers 8 angeordnet sind. Der Träger 8 weist elektrische Kontaktflächen auf, über die die Leuchtdiode 2 und der integrierte Schaltkreise 3 elektrisch kontaktiert sind. Des Weiteren weist der Träger 8 auf einer der Hauptfläche gegenüberliegenden Fläche elektrische Anschlusskontakte für eine externe elektrische Kontaktierung des optoelektronischen Moduls 1 auf. Der Träger 8 weist beispielsweise einen Kunststoff, eine Keramik, und/oder ein Metall auf, oder besteht aus einem dieser Materialien. Insbesondere ist das optoelektronische Modul 1 oberflächenmontierbar.
Die Leuchtdiode 2 umfasst einen Halbleiterschichtenstapel mit einer aktiven Schicht zur Umwandlung eines elektrischen Betriebsstroms I in elektromagnetische Strahlung. Insbesondere emittiert die Leuchtdiode 2 im Betrieb Licht im sichtbaren Spektralbereich. Eine Lichtstärke Iv des von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichts ist über den elektrischen Betriebsstrom I einstellbar.
Der integrierte Schaltkreis 3 umfasst eine elektrische Schaltung zum Einstellen des elektrischen Betriebsstroms I der Leuchtdiode 2, sowie eine elektrische Schaltung zur Messung einer Vorwärtsspannung Vf der Leuchtdiode 2. Der integrierte Schaltkreis 3 ist dazu eingerichtet, eine alterungsbedingte Degradation der Leuchtdiode 2 mittels einer Messung eines Wertes der Vorwärtsspannung Vf zu bestimmen. Insbesondere wird zur Messung der Vorwärtsspannung Vf ein vorgegebener konstanter Betriebsstrom I an die Leuchtdiode 2 angelegt, bei dem die Vorwärtsspannung Vf besonders sensitiv auf die Degradation der Leuchtdiode 2 ist. In anderen Worten besteht bei dem vorgegebenen Betriebsstrom I eine hohe statistische Korrelation zwischen einer degradationsbedingten Änderung der Lichtstärke Iv und einer degradationsbedingten Änderung der Vorwärtsspannung Vf der Leuchtdiode 2.
Des Weiteren ist der integrierte Schaltkreis 3 dazu eingerichtet, die degradationsbedingte Änderung der Lichtstärke Iv des von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichts anhand des gemessenen Wertes der Vorwärtsspannung Vf zumindest teilweise auszugleichen. Dazu erhöht oder erniedrigt der integrierte Schaltkreis 3 den Betriebsstrom I der Leuchtdiode 2 in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung Vf. Insbesondere wird der Betriebsstrom I derart geändert, dass die Lichtstärke Iv des von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichts zumindest annähernd der Lichtstärke Iv zum Zeitpunkt einer optischen Kalibrierung der Leuchtdiode 2 bei dem ungeänderten Betriebsstrom I entspricht.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines optoelektronischen Moduls 1 gemäß dem in Verbindung mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels. Die Anode der Leuchtdiode 2 ist an eine elektrische Versorgungsspannung VLED angeschlossen, während die Kathode der Leuchtdiode 2 über eine Stromquelle 10 im integrierten Schaltkreis 3 mit einem Referenzpotential GND verbunden ist. Die Stromquelle 10 ist insbesondere zur Bereitstellung des elektrischen Betriebsstroms I der Leuchtdiode 2 eingerichtet.
Der integrierte Schaltkreis 3 umfasst weiterhin eine elektrische Schaltung, insbesondere einen Analog-Digital-Wandler 4, zur Messung der Vorwärtsspannung Vf der Leuchtdiode 2, sowie einen Pulsweitenmodulator 7, eine Kontrolleinheit 9 und einen Speicher 6. Der Analog-Digital-Wandler 4 zur Messung der Vorwärtsspannung Vf ist mit der Anode und der Kathode der Leuchtdiode 2 elektrisch verbunden und übermittelt den gemessenen Wert der Vorwärtsspannung Vf an die Kontrolleinheit 9, die den Wert im Speicher 6 speichert.
Die Kontrolleinheit 9 steuert den Pulsweitenmodulator 7, der den Betriebsstrom I der Leuchtdiode 2 pulsweitenmoduliert. Insbesondere gibt die Kontrolleinheit 9 ein Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Betriebsstroms I zum Einstellen der Lichtstärke Iv der Leuchtdiode 2 vor.
Des Weiteren berechnet die Kontrolleinheit 9 aus dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung Vf und aus vorgegebenen Kompensationsparametern A, B einen Kompensationsfaktor F. Insbesondere wird das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Betriebsstroms I invers proportional zu dem Kompensationsfaktor F geändert, um die degradationsbedingte Änderung der Lichtstärke Iv der Leuchtdiode 2 zumindest teilweise zu kompensieren. Die Kompensationsparameter A, B werden beispielsweise während der Herstellung des optoelektronischen Moduls 1 im Speicher 6 gespeichert.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines optoelektronischen Moduls 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu dem in Verbindung mit 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel weist das optoelektronische Modul 1 zusätzlich eine externe Messkontrolleinheit 5 auf. Beispielsweise ist die externe Messkontrolleinheit 5 nicht auf dem gemeinsamen Träger 8 angeordnet, sondern räumlich vom integrierten Schaltkreis 3 und von der Leuchtdiode 2 getrennt. Des Weiteren kann die externe Messkontrolleinheit 5 beispielsweise mehrere integrierte Schaltkreise 3 mit zugehörigen Leuchtdioden 2 steuern. Insbesondere ist der Speicher 6 Teil der Messkontrolleinheit 5 anstatt des integrierten Schaltkreises 3. Die Messkontrolleinheit weist eine Kontrolleinheit 9 auf, die den gemessenen Wert der Vorwärtsspannung Vf von der Kontrolleinheit 9 des integrierten Schaltkrieses 3 empfängt und im Speicher 6 speichert. Insbesondere berechnet in diesem Ausführungsbeispiel die Kontrolleinheit 9 der Messkontrolleinheit 5 den Kompensationsfaktor F aus den Kompensationsparametern A, B und dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung Vf und sendet diesen an die Kontrolleinheit 9 des integrierten Schaltkreises zur Änderung des Tastverhältnisses des Pulsweitenmodulators 7. Des Weiteren steuert die Messkontrolleinheit 5 die Zeitpunkte, an denen der Wert der Vorwärtsspannung Vf vom integrierten Schaltkreis 3 gemessen wird.
Das optoelektronische Modul 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 4 weist einen integrierten Schaltkreis 3 sowie drei Leuchtdioden 21, 22, 23 auf, die auf einem gemeinsamen Träger 8 angeordnet sind. Die Anoden der drei Leuchtdioden 21, 22, 23 sind an eine gemeinsame elektrische Versorgungsspannung VLED angeschlossen, während die Kathoden der drei Leuchtdioden 21, 22, 23 mit entsprechenden Anschlüssen des integrierten Schaltkreises 3 elektrisch verbunden sind. Im Betrieb emittiert die erste Leuchtdiode 21 Licht im roten Spektralbereich, während die zweite Leuchtdiode 22 Licht im grünen Spektralbereich und die dritte Leuchtdiode 23 Licht im blauen Spektralbereich emittiert.
Der integrierte Schaltkreis 3 steuert die Betriebsströme I der drei Leuchtdioden 21, 22, 23 unabhängig voneinander, so dass relative Lichtstärken Iv des von den drei Leuchtdioden 21, 22, 23 emittierten Lichtes eingestellt werden können. Insbesondere kann das optoelektronische Modul 1 im Betrieb Mischlicht einer beliebigen Farbe emittieren.
Des Weiteren bestimmt der integrierte Schaltkreis 3 durch Messung der jeweiligen Vorwärtsspannung Vf die Degradation jeder der drei Leuchtdioden 21, 22, 23 unabhängig voneinander. Anhand der gemessenen Vorwärtsspannungen Vf kompensiert der integrierte Schaltkreis alterungsbedingte Änderungen der Lichtstärken Iv der drei Leuchtdioden 21, 22, 23. Insbesondere wird dadurch vorteilhaft eine alterungsbedingte Farbverschiebung des optoelektronischen Moduls 1 zumindest teilweise kompensiert.
Das optoelektronische Modul 1 weist Anschlusskontakte 11 zum Anschluss des integrierten Schaltkreises 3 an einen seriellen Bus auf. Über den seriellen Bus tauscht der integrierte Schaltkreis 3 beispielsweise Daten mit der externen Messkontrolleinheit 5 aus (hier nicht gezeigt, siehe beispielsweise 3).
Das optoelektronische Modul 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 5 weist im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in 4 einen integrierten Schaltkreis 3 auf, der nicht gemeinsam mit den drei Leuchtdioden 21, 22, 23 auf dem Träger 8 angeordnet ist, sondern räumlich von diesen getrennt ist. Beispielsweise können dadurch die Leuchtdioden 21, 22, 23 mehrerer optoelektronischer Module 1 besonders kompakt nebeneinander angeordnet werden, während die zugehörigen integrierten Schaltkreise 3 abseits der Leuchtdioden 21, 22, 23 angeordnet werden.
6 zeigt unterschiedliche Schritte 101, 102, 103, 104 eines Verfahrens zum Betrieb des optoelektronischen Moduls 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2. In einem ersten Schritt 101 wird das optoelektronische Modul 1 kalibriert. Dabei wird insbesondere die Lichtstärke Iv des von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichts in Abhängigkeit vom elektrischen Betriebsstrom I bei einer konstanten Temperatur gemessen und als Referenzwert der Lichtstärke Iv₀ gespeichert. Des Weiteren wird die Vorwärtsspannung Vf der Leuchtdiode bei einem vorgegebenen elektrischen Betriebsstrom I und bei einer konstanten Temperatur gemessen und gespeichert. Dabei wird der vorgegebene Betriebsstrom I derart gewählt, dass die Änderung der Vorwärtsspannung Vf besonders sensitiv auf die Degradation der Leuchtdiode 2 ist. Die Auswahl des vorgegebenen Betriebsstroms I ist beispielsweise in Verbindung mit 8 beschrieben. Der gemessene Wert der Vorwärtsspannung Vf wird als Referenzwert Vf₀ im Speicher 6 des integrierten Schaltkreises 3 gespeichert.
In einem zweiten Schritt 102 ist das optoelektronische Modul 1 in Betrieb und die Leuchtdiode 2 emittiert Licht mit einer einstellbaren Lichtstärke Iv. Die Lichtstärke Iv wird dabei durch eine Pulsweitenmodulation des Betriebsstroms I mit dem integrierten Schaltkreis 3 eingestellt. Insbesondere ist die Lichtstärke Iv proportional zum Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Betriebsstroms I.
In einem dritten Schritt 103 wird nach einer vorgegebenen Betriebsdauer des optoelektronischen Moduls 1, beispielsweise nach einem Service-Intervall, der Wert der Vorwärtsspannung Vf der Leuchtdiode 2 bei den gleichen Betriebsbedingungen wie bei der Kalibration gemessen. Insbesondere wird Vf bei dem gleichen vorgegebenen Betriebsstrom I und bei der gleichen Temperatur des optoelektronischen Moduls 1 wie bei der Kalibration gemessen. Durch Messung dieses Wertes der Vorwärtsspannung Vf wird die Degradation der Leuchtdiode 2 bestimmt. Beispielsweise ist die degradationsbedingte Änderung der Lichtstärke Iv/Iv₀ des von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichtes zumindest annähernd proportional zur Änderung des Wertes der Vorwärtsspannung Vf/Vf₀, wobei die Änderungen relativ zu den Referenzwerten Iv₀, Vf₀ aus der Kalibration bestimmt werden.
In einem vierten Schritt 104 wird die Änderung der Lichtstärke Iv auf Grund der Degradation der Leuchtdiode 2 während dem weiteren Betrieb des optoelektronischen Moduls 1 vom integrierten Schaltkreis 3 zumindest teilweise kompensiert. Dazu berechnet der integrierte Schaltkreis 3 einen Kompensationsfaktor F, der von dem in Schritt 103 gemessenen Wert der Vorwärtsspannung Vf, von dem in Schritt 101 gemessenen Referenzwert und von Kompensationsparametern A, B abhängt. Insbesondere hat der Kompensationsfaktor F die Form $F = A \frac{V ƒ}{V ƒ_{0}} + B,$
wobei A und B die Kompensationsparameter sind, Vf den gemessenen Wert der Vorwärtsspannung aus Schritt 103 bezeichnet und Vf₀ den Referenzwert der Vorwärtsspannung aus Schritt 101 bezeichnet. Der Kompensationsfaktor F beschreibt insbesondere eine Änderung der Lichtstärke Iv des von der degradierten Leuchtdiode 2 emittierten Lichtes relativ zur Lichtstärke Iv zum Zeitpunkt der Kalibration des optoelektronischen Moduls 1. Die Bestimmung der Kompensationsparameter A, B erfolgt beispielsweise wie in Verbindung mit 9 beschrieben. Insbesondere werden die Kompensationsparameter A, B bei der Herstellung des optoelektronischen Moduls 1 im Speicher 6 des integrierten Schaltkreises 3 gespeichert.
Das Tastverhältnis PWM des pulsweitenmodulierten Betriebsstroms I wird während des weiteren Betriebs des optoelektronischen Moduls 1 mit dem Kompensationsfaktor F korrigiert: $P W M_{c} = \frac{P W M}{A \frac{V ƒ}{V ƒ_{0}} + B} .$
Dabei bezeichnen PWM_c das korrigierte und PWM das ursprüngliche Tastverhältnis. Durch die Pulsweitenmodulation des Betriebsstroms I der Leuchtdiode 2 mit dem korrigierten Tastverhältnis PWM_c wird die degradationsbedingte Änderung der Lichtstärke Iv der Leuchtdiode 2 zumindest teilweise ausgeglichen. Insbesondere entspricht die Lichtstärke Iv des mit dem korrigierten Tastverhältnis PWM_c erzeugten Lichtes zumindest ungefähr der Lichtstärke Iv des zum Zeitpunkt der Kalibration mit dem Tastverhältnis PWM erzeugten Lichtes. Da die zeitlich gemittelte Lichtstärke Iv des von der Leuchtdiode 2 emittierten Lichtes direkt proportional zum Tastverhältnis PWM des pulsweitenmodulierten Betriebsstroms I ist, kann die Degradation vorteilhaft durch die oben beschriebene Korrektur des Tastverhältnisses PWM_c auf einfache Weise zumindest teilweise kompensiert werden.
Die Schritte 101 bis 104 werden bevorzugt in dieser Reihenfolge durchgeführt. Die Schritte 103 und 104 können während des Betriebs des optoelektronischen Moduls 1 mehrfach wiederholt werden. Dadurch kann die Degradation der Leuchtdiode 2 während des Betriebs des optoelektronischen Moduls 1 vorteilhaft genauer bestimmt und in Folge mit höherer Genauigkeit kompensiert werden.
7 zeigt beispielhaft eine schematische interne Quanteneffizienz IQE einer Leuchtdiode 2 als Funktion des Betriebsstroms I. Die interne Quanteneffizienz IQE entspricht einer Anzahl der von der aktiven Schicht der Leuchtdiode 2 emittierten Photonen pro Anzahl der in die aktive Schicht injizierten Ladungsträger. Dabei wird die interne Quanteneffizienz IQE beispielsweise durch nicht-radiative Rekombinationsprozesse von Ladungsträgern in der aktiven Schicht limitiert. Bei kleinen Betriebsströmen I dominiert beispielsweise die nicht-radiative Shockley-Read-Hall (SRH) Rekombination, während bei großen Betriebsströmen die nicht-radiative Auger (AUG) Rekombination dominiert. Bei der Shockley-Read-Hall Rekombination rekombinieren die Ladungsträger beispielweise an einem Defekt im Kristallgitter der aktiven Schicht.
Durch die Degradation ändert sich beispielsweise die interne Quanteneffizienz IQE der Leuchtdiode 2. Dabei verringert sich die interne Quanteneffizienz IQE insbesondere bei kleinen Betriebsströmen I (siehe Pfeil und strichlierte Linie in 7), wo die Shockley-Read-Hall Rekombination dominiert, besonders stark. Die Vorwärtsspannung Vf der Leuchtdiode 2 ist vorteilhaft bei diesen kleinen Betriebsströmen I besonders sensitiv auf die Defektdichte in der aktiven Schicht und somit auf die Degradation der Leuchtdiode 2. Dabei wird der Betriebsstrom I zur Messung der Vorwärtsspannung Vf vorteilhaft nicht zu klein gewählt, damit der gemessene Wert der Vorwärtsspannung Vf nicht oder möglichst wenig durch ein Rauschen beeinflusst wird. Des Weiteren ist der Betriebsstrom I zur Messung der Vorwärtsspannung Vf vorteilhaft nicht zu groß, damit die Degradation einen möglichst großen Effekt auf den gemessenen Wert der Vorwärtsspannung Vf hat. Ein bevorzugter Bereich 12 von Betriebsströmen I, bei dem die Degradation der Leuchtdiode 2 aus dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung Vf bestimmt werden kann, ist in 7 markiert.
8 zeigt den Pearsonschen Korrelationskoeffizienten PC zwischen der relativen Änderung der Vorwärtsspannung Vf/Vf₀ und der relativen Änderung der Lichtstärke Iv/Iv₀. Der Pearsonsche Korrelationskoeffizient PC ist aus den gemessenen Änderungen der Vorwärtsspannung Vf/Vf₀ und der Lichtstärke Iv/Iv₀ für eine Vielzahl gleicher Leuchtdioden 2 nach einer Betriebsdauer von 24 Stunden als Funktion des Betriebsstroms I. Der Pearsonsche Korrelationskoeffizient PC wird beispielsweise aus gemessenen Werten der Änderung der Vorwärtsspannung Vf/Vf₀ und der Änderung der Lichtstärke Iv/Iv₀ von zumindest einhundert gleichen Leuchtdioden 2 berechnet. Insbesondere sind in 8 Pearsonsche Korrelationskoeffizienten PC für drei verschiedene Typen von Leuchtdioden 21, 22, 23 gezeigt. Die erste Leuchtdiode 21 emittiert rotes Licht, während die zweite Leuchtdiode 22 grünes Licht emittiert und die dritte Leuchtdiode 23 blaues Licht emittiert.
Bei der ersten Leuchtdiode 21 und der zweiten Leuchtdiode 22 ist der Pearsonsche Korrelationskoeffizient PC bei einem Betriebsstrom I von ungefähr 100 Mikroampere am größten, während der Pearsonsche Korrelationskoeffizient PC bei der dritten Leuchtdiode 23 bei einem Betriebsstrom I von ungefähr 3 Milliampere am größten ist. Vorteilhaft wird der vorgegebene Betriebsstrom I zur Bestimmung der Degradation der Leuchtdioden 21, 22, 23 auf Basis der Messung des Wertes der Vorwärtsspannung Vf derart gewählt, dass der Pearsonsche Korrelationskoeffizient PC bei diesem vorgegebenen Betriebsstrom I am größten ist. Dadurch kann die degradationsbedingte Änderung der Lichtstärke Iv der lichtemittierenden Dioden 21, 22, 23 durch die Messung der Vorwärtsspannung Vf mit hoher Genauigkeit kompensiert werden.
9 zeigt Messwerte einer relativen Änderung der Lichtstärke Iv/Iv₀ als Funktion der relativen Änderung des Wertes der Vorwärtsspannung Vf/Vf₀ bei einem vorgegebenen Betriebsstrom I nach einer Betriebsdauer der Leuchtdiode 2 von 24 Stunden. Insbesondere sind Messwerte für eine Vielzahl von ersten, zweiten und dritten Leuchtdioden 21, 22, 23 gezeigt, die Teil eines optoelektronischen Moduls 1 sind, bei dem keine Kompensation der Degradation erfolgt. Der vorgegebene Betriebsstrom I zur Messung des Wertes der Vorwärtsspannung Vf ist wie in Verbindung mit 8 beschrieben gewählt.
Insbesondere zeigt 9 lineare Zusammenhänge zwischen der relativen Änderung der Vorwärtsspannung Vf/Vf₀ und der relativen Änderung der Lichtstärke Iv/Iv₀, die durch lineare Regression der entsprechenden Messwerte für jeweils die erste, zweite und dritte Leuchtdiode 21, 22, 23 erhalten wurden. Der lineare Zusammenhang wird durch die Gleichung $\frac{I v}{I v_{0}} = A \frac{V ƒ}{V ƒ_{0}} + B,$
parametrisiert, wobei A und B die Kompensationsparameter sind und die rechte Seite der Gleichung (G3) dem Kompensationsfaktor aus Gleichung (G1) entspricht, die in Verbindung mit 6 beschrieben wurde. Durch die lineare Regression werden insbesondere die Kompensationsparameter A und B bestimmt, die im Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Moduls zur Kompensation der Degradation verwendet werden.
Die in 9 gezeigten linearen Zusammenhänge sind insbesondere vom Punkt (Iv/Iv₀, Vf/Vf₀) = (1, 1) weg verschoben. In anderen Worten kann im statistischen Mittel eine Änderung der gemessenen Lichtstärke Iv vorliegen, obwohl sich die Vorwärtsspannung Vf der Leuchtdiode 2 nicht geändert hat. Diese Abweichung kann beispielsweise durch eine alterungsbedingte Änderung eines Absorptionskoeffizienten des Trägers 8 oder anderer Teile des optoelektronischen Moduls 1 entstehen, welcher die gemessene Lichtstärke Iv beeinflusst.
10 zeigt Messwerte der relative Änderung der Lichtstärke Iv_c/Iv₀ einer Vielzahl optoelektronischer Module 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die Degradation entsprechend dem hier beschriebenen Verfahren kompensiert wurde, als Funktion der relative Änderung der Lichtstärke Iv/Iv₀ ohne Kompensation der Degradation. Insbesondere sind die Messwerte entlang der vertikalen Achse um Iv_c/Iv₀ = 1 zentriert. Dies zeigt, dass die Degradation durch das hier beschriebene Verfahren zumindest teilweise kompensiert werden kann.
Die 11, 12 und 13 zeigen eine relative Änderung der Lichtstärke Iv_c/Iv₀ der Leuchtdiode 2 in einem optoelektronischen Modul 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die Degradation zumindest teilweise kompensiert wird, als Funktion der Betriebsdauer. Dabei zeigt 11 die Änderung der Lichtstärke Iv für eine erste Leuchtdiode 21, 12 für eine zweite Leuchtdiode 22 und 13 für eine dritte Leuchtdiode 23 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 4. Die Kompensation erfolgt dabei wie in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel in 6 beschrieben. Die punktierte Linie zeigt als Vergleich die relative Änderung der Lichtstärke Iv/Iv₀ ohne Kompensation der Degradation der Leuchtdiode 2. Insbesondere zeigen die 11, 12 und 13 Mittelwerte der relativen Änderung der Lichtstärke Iv_c/Iv₀, wobei die Lichtstärke Iv über 280 gleiche Leuchtdioden 2 gemittelt wurde. Des Weiteren ist eine dreifache Standardabweichung (±3σ) der relativen Änderung der Lichtstärke Iv für eine Vielzahl von gleichen Leuchtdioden 2 gezeigt. Insbesondere zeigen die 11, 12 und 13, dass die Kompensation der Degradation gemäß dem hier beschriebenen Verfahren insbesondere bei langen Betriebsdauern wirkt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronisches Modul
2: Leuchtdiode
21: erste Leuchtdiode
22: zweite Leuchtdiode
23: dritte Leuchtdiode
3: integrierter Schaltkreis
4: Analog-Digital-Wandler
5: Messkontrolleinheit
6: Speicher
7: Pulsweitenmodulator
8: Träger
9: Kontrolleinheit
10: Stromquelle
11: Anschlusskontakt
12: Bereich
101: erster Schritt
102: zweiter Schritt
103: dritter Schritt
104: vierter Schritt
A,B: Kompensationsparameter
AUG: Auger Rekombination
I: Betriebsstrom
IQE: interne Quanteneffizienz
Iv: Lichtstärke
Iv0: Referenzwert der Lichtstärke
Ivc: kompensierte Lichtstärke
PC: Pearsonscher Korrelationskoeffizient
SRH: Shockley-Read-Hall Rekombination
t: Zeit
Vf: Vorwärtsspannung
Vf0: Referenzwert der Vorwärtsspannung
VLED: Versorgungsspannung
GND: Referenzpotential

Claims

Optoelektronisches Modul (1), aufweisend: - zumindest eine Leuchtdiode (2), die im Betrieb Licht mit einer Lichtstärke (Iv) emittiert, - einen integrierten Schaltkreis (3), der im Betrieb einen Betriebsstrom (I) der Leuchtdiode (2) einstellt und einen Wert der Vorwärtsspannung (Vf) der Leuchtdiode (2) misst, wobei - der integrierte Schaltkreis (3) eine Degradation der Leuchtdiode (2) durch das Messen des Werts der Vorwärtsspannung (Vf) bestimmt und den elektrischen Betriebsstrom (I) in Abhängigkeit von dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung (Vf) derart erhöht oder erniedrigt, dass eine Änderung der Lichtstärke (Iv) auf Grund der Degradation zumindest teilweise kompensiert wird.
Optoelektronisches Modul (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der integrierte Schaltkreis (3) einen Analog-Digital-Wandler (4) aufweist, der im Betrieb den Wert der Vorwärtsspannung (Vf) misst.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der integrierte Schaltkreis (3) oder eine Messkontrolleinheit (5) zur Steuerung des integrierten Schaltkreises (3) einen Speicher (6) aufweist, in dem der gemessene Wert der Vorwärtsspannung (Vf) gespeichert wird.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der integrierte Schaltkreis (3) einen Pulsweitenmodulator (7) aufweist, und - der Pulsweitenmodulator (7) den Betriebsstrom (I) der Leuchtdiode (2) zur Steuerung der Lichtstärke (Iv) moduliert.
Optoelektronisches Modul (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - das optoelektronische Modul (1) drei Leuchtdioden (21, 21, 22) aufweist, die im Betrieb Licht in einem roten, grünen, beziehungsweise blauen Spektralbereich emittieren, - der integrierte Schaltkreis (3) elektrische Betriebsströme (I) der drei Leuchtdioden (21, 22, 23) getrennt voneinander steuert und die Werte der Vorwärtsspannungen (Vf) der drei Leuchtdioden (21, 22, 23) zur Bestimmung der Degradation unabhängig voneinander misst, und - der integrierte Schaltkreis (3) die Änderung der Lichtstärke (Iv) jeder der drei Leuchtdioden (21, 22, 23) auf Grund der Degradation zumindest teilweise kompensiert.
Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Moduls (1) mit den Schritten: - Einstellen einer Lichtstärke (Iv) zumindest einer Leuchtdiode (2) durch Steuerung eines elektrischen Betriebsstroms (I) mit einem integrierten Schaltkreis (3), - Bestimmen einer Degradation der Leuchtdiode (2) durch Messung eines Werts einer Vorwärtsspannung (Vf) mit dem integrierten Schaltkreis (3), wobei - beim Einstellen der Lichtstärke (Iv) eine Änderung der Lichtstärke (Iv) auf Grund der Degradation durch Erhöhen oder Erniedrigen des elektrischen Betriebsstroms (I) als Funktion des gemessenen Werts der Vorwärtsspannung (Vf) kompensiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bestimmen der Degradation der Leuchtdiode (2) bei einem Einschalten der Leuchtdiode (2) und/oder zu vorgegebenen Zeitpunkten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Vorwärtsspannung (Vf) bei einem vorgegebenen Wert des Betriebsstroms (I) gemessen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der vorgegebene Wert des elektrischen Betriebsstroms (I) zur Messung der Vorwärtsspannung (Vf) derart gewählt wird, dass eine statistische Korrelation zwischen einer Änderung der Vorwärtsspannung (Vf) und einer Änderung der Lichtstärke (Iv) auf Grund der Degradation der Leuchtdiode (2) nach einer vorgegebenen Betriebsdauer am größten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der vorgegebene elektrische Betriebsstrom (I) zur Messung der Vorwärtsspannung (Vf) zwischen einschließlich 50 Mikroampere und einschließlich 5 Milliampere liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei beim Einstellen der Lichtstärke (Iv) der Leuchtdiode (2) der elektrische Betriebsstrom (I) mit einem Kompensationsfaktor korrigiert wird, der linear von dem gemessenen Wert der Vorwärtsspannung (Vf) abhängt.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei - der Kompensationsfaktor von vorbestimmten Kompensationsparametern (A, B) abhängt, und - die Kompensationsparameter (A, B) durch Messung der Änderung der Lichtstärke (Iv) auf Grund der Degradation bei einer Vielzahl gleicher Leuchtdioden (2) und eine nachfolgende statistische Auswertung bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei unmittelbar vor oder nach der Messung des Werts der Vorwärtsspannung (Vf) zur Bestimmung der Degradation eine Temperatur der Leuchtdiode (2) bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Bestimmung der Temperatur der Leuchtdiode (2) über eine Messung des Werts der Vorwärtsspannung (Vf) bei einem vorgegebenen elektrischen Betriebsstrom (I) erfolgt, der größer als der elektrische Betriebsstrom (I) zur Bestimmung der Degradation ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei - der gemessene Wert der Vorwärtsspannung (Vf) korrigiert wird, wenn die Temperatur bei der Bestimmung der Degradation der Leuchtdiode (2) von einer vorgegebenen Temperatur abweicht, und - die Korrektur des gemessenen Werts der Vorwärtsspannung (Vf) anhand eines bekannten Zusammenhangs zwischen der Vorwärtsspannung (Vf) und der Temperatur der Leuchtdiode (2) bei einem vorgegebenen Betriebsstrom (I) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei das optoelektronische Modul (1) vor einem ersten Betrieb kalibriert wird und das Kalibrieren folgende Schritte umfasst: - Bestimmung eines Zusammenhangs zwischen dem elektrischen Betriebsstrom (I) und der Lichtstärke (Iv) der Leuchtdiode (2), und - Messung und Speicherung des Werts der Vorwärtsspannung (Vf) der Leuchtdiode (2) unter gleichen Bedingungen, wie bei der Bestimmung der Degradation zu späteren Zeitpunkten.