Leuchtdioden

BAU ELEMENTE
Ti t e l s t o r y
Leuchtdioden
auch heute noch beliebtes Anzeigeinstrument
Tim Herklots
Dieser Beitrag diskutiert eine bereits 35 Jahre alte Display-Technologie, die sich gerade in der letzten Zeit
stark gewandelt hat: die Leuchtdiode. Die weltweite Produktion von LEDs beträgt etwa 4 Mrd. Einheiten –
pro Monat! Dieser Überblick beschreibt die Ursprünge der LED, die traditionellen Anwendungen sowie Entwicklungen, die neue Anwendungsgebiete erschlossen haben.
D
600
740
Red
625
565
590
Orange
Yellow
520
500
Green
500
Cyan
435
400
Blue
Violet
380
ie Erforschung der LED-Technologie begann im Jahre 1962 bei
Bell Labs, Hewlett-Packard, IBM,
Monsanto und RCA. Im Jahre 1968
kam die erste kommerzielle Leuchtdiode auf Gallium-Arsenid-Phosphid
(GaAsP)-Basis auf den Markt; ein bei
655 nm rot strahlender Typ. 1971 dann
kündigte Hewlett-Packard den ersten
tragbaren Frequenzzähler mit LED-Anzeige an. Anfang der Siebzigerjahre
hatten numerische Displays ihre Blütezeit in Taschenrechnern von HewlettPackard, TI, Sinclair und anderen. Dank
der bald eingeführen Flüssigkristallanzeige (LCD) wurden LEDs in DigitalArmbanduhren nur für sehr kurze Zeit
eingesetzt. Dennoch ersetzten LEDs
bald Glüh- oder Neonlampen als Statusanzeigen; als (alpha)numerische Anzeigen wurden sie bald die erste Wahl.
Eine ernstzunehmende Alternative zur
Leuchtdiode wurden in den Siebziger- und Achtzigerjahren die Vakuum-
700
Wavelength in nanometres (nm)
Bild 1: Das sichtbare Licht reicht von
violett bis rot, dies entspricht einem
Wellenlängenbereich von etwa
380 nm bis 740 nm.
Floureszenz-Anzeigen
fahrzeuge. LCDs benöti(VFDs), deren helles,
gen sehr wenig Strom,
blau-grünes Licht in Verkönnen einfach kunTop Bond Wire
bindung mit einem grüdenspezifisch
hergeDie Mounted in
Reflective Cavity
nen oder blauen Filter
stellt werden und sind
Translucent Case
hohe Intensität und
erste Wahl in batterieKontrast bot. VFDs wurbetriebenen Geräten.
Post
den erstmals von ISE
Obwohl LCDs kein Licht
Anvil
Electronic Corp. (auch
ausstrahlen, gibt es viele
unter Noritake bekannt)
Anwendungen, wo das
im Jahre 1967 entUmgebungslicht zum
wickelt und daraufhin
Erkennen ausreicht. Alzusammen mit Futaba
ternativ kommt das Licht
und NEC hergestellt. Zu
von ein paar LeuchtBeginn wurden einstellidioden, die als Hinterge VFDs angeboten; der
grundbeleuchtung einschnell
wachsende
gesetzt werden.
Rechnermarkt ließ je- Bild 4: Querschnitt durch Wer stellt Leuchtdioden
doch vielstellige Anzei- ein LED-Lämpchen. Der her? Laut Aussage des
getypen folgen. Hier- Kristall befindet sich in ITIS (Industrial Technolodurch wurden die Her- der Vertiefung des Am- gy Information Service)
stellkosten deutlich ge- boss (Anvil).
in Taiwan kommt von
drückt; und einigen Leden dort ansässigen, etsern sind sicherlich noch die populären wa 30 LED-Herstellern derzeit etwa die
Casio-Taschenrechner in Erinnerung, Hälfte der weltweit produzierten
die mit diesen VFDs ausgestattet wa- Leuchtdioden; gefolgt von Japan und
ren. Später begann auch Samsung, den USA. Vor zehn Jahren führte Japan
Fluoreszenzröhren für den Einsatz in diese Rangliste an, und Taiwan steuerte
den eigenen Konsumgütern herzustel- nur etwa 10% zum Weltbedarf bei. Die
len. 1993 verkaufte NEC ihre komplette meisten LED-Hersteller kaufen HalbleiVFD-Fertigung an ZEC in China. Von terscheiben oder -kristalle von Halbleidort kommt mittlerweile 95% der Jah- terwerken in Japan, USA und Taiwan,
resproduktion an VFD-Anzeigen.
die sie dann nur noch weiterverarbeiten
Seit den Achtzigerjahren konkurrieren und in entsprechende Gehäuse packen.
monochrome LCDs sehr stark mit
Leuchtdioden und VFDs. Haupteinsatz- Die CIE, Lumen
gebiete sind Konsumgüter und Kraft- und Candela
0.25mm
0.25mm
0.1mm
Emission area
Top contact metallization
Bild 2: Die Empfindlichkeit des Auges ist bei der Farbe grün am höchsten.
26
Bild 3: Ein typischer LED-Kristall verfügt in der Mitte über eine Kontaktfläche für einen Bonddraht; die grau
gezeigte Fläche ist der Emissionsbereich.
Sicherlich ist es sinnvoll, an dieser Stelle
kurz auf Radiometrie und Photometrie
einzugehen. Die Radiometrie erfasst die
abgestrahlte Energie bei allen Wellenlängen (sichtbar und unsichtbar),
während die Photometrie die Helligkeit
angibt, wie sie vom menschlichen Auge
aufgenommen wird. Das Auge sieht
nämlich nur den Wellenlängenbereich
von 380 nm bis 740 nm – dies entspricht dem bekannten Farbspektrum
(Bild 1).
Die Commission Internationale de
l’ Eclairage (internationale Beleuchtungskommision, kurz CIE) formulierte
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die Standards zur Messung von Licht
und die Empfindlichkeit des menschlichen Auges bereits in den Dreissigerjahren. Diese Standards charakterisieren
die Veränderung der Augenempfindlichkeit über den gesamten sichtbaren
Bereich unter verschiedenen Lichtbedingungen wie bespielsweise Tagesoder Nachtlicht. Die CIE definierte auch
die Primärfarben.
In Bezug auf Displays ist es wichtig zu
wissen, dass das Auge die Farbe Grün
bei 555 nm am intensivsten wahrnimmt; es folgt Gelb und fällt nach Blau
bei 400 nm und nach Rot bei 700 nm
stark ab. Dies kann auch dem photopischen Farbendiagramm bei Tageslicht,
erstellt im Jahre 1931, entnommen
werden, das in vereinfachter Form in
Bild 2 dargestellt ist.
Die Intensität von abgestrahltem Licht
(alle Wellenlängen) wird in Lumen gemessen. 683 Lumen entsprechen einem
abgestrahlten
monochromatischem
Licht von 1 W bei einer Wellenlänge
von 555 nm. Die Leuchtintensität, gemessen in Candela (cd), resultiert aus
der Anwendung der Augenempfindlichkeit gemäß CIE und stellt die Messvorschrift für den sichtbaren Anteil einer Lichtquelle dar. Die Displayintensität
wird deswegen in cd oder mcd angegeben und zeigt die Lichtausbeute an, die
für den Betrachter brauchbar ist.
(Bild 4). Der Kristall wird über leitfähiges Epoxid in einer Vertiefung mit der
einen Hälfte des Trägers verbunden;
wegen der Form Amboss genannt. Die
Vertiefung im Amboss ist so geformt,
dass das Licht nach vorne abgestrahlt
wird. Der Oberflächenkontakt des Kristalls wird über einen Draht mit dem
anderen Anschluss des Trägers verbunden (gebondet).
Die mechanische Konstruktion des
Lämpchens bestimmt die Form der
Lichtstreuung. Eine enge Lichtstreuung
(Bild 5) erscheint axial betrachtet sehr
hell, aber der Blickwinkel ist nicht sehr
weit. Ein auf breiteren Blickwinkel ausgelegte Bauform hat eine reduzierte
axiale Lichtstärke. Helle LEDs mit Winkeln von 15° bis 30° sind gut geeignet
für eine Frontblende direkt vor einem
Bediener, während eine weiter leuchtende LED oder eine Anzeige in einem
Kfz einen Winkel von bis zu 120°
benötigt.
Numerische und alphanumerische Displays
Die bekannten 7-Segment-Anzeigen
leiden unter einem falschen Namen –
fast immer existiert ein achtes Segment
für den Dezimalpunkt (DP). Die weniger
verbreiteten, alphanumerischen Starburst-Anzeigen sind auch als 14-Segment- oder 16-Segment-Anzeigen be-
Was sind Leuchtdioden?
Eine Leuchtdiode (LED) ist eine Halbleiterdiode mit pn-Übergang, die Photonen aussendet, sobald sie vorgespannt
wird. Die Wellenlänge des von einer
LED abgestrahlten Lichts hängt vom
Halbleitermaterial ab, da die Bandlückenenergie mit dem Material variiert. Selbst in einem perfekten Halbleiterkristall rekombinieren nicht alle Minoritätsladungsträger unter Lichtemission; nicht-emittierende Rekombinationen, die bei Defekten und Versetzungen im Halbleiter auftreten, führen zu
hohen Unterschieden in ansonsten
identischen Dioden. In der Praxis werden Leuchtdioden daher durch Sortieren und Einteilen in Lose mit ähnlicher
Leuchtstärke zusammengefasst. LEDs
werden auf Siliziumscheiben hergestellt
und in Einzelkristalle gesägt. Die Kristallgröße für im sichtbare Bereich
leuchtenden LEDs beträgt etwa
0,18 mm2 bis 0,36 mm2 (Bild 3). Infrarot-LEDs sind oft größer, um Leistungsspitzen zu verarbeiten, und LEDs für Beleuchtungszwecke sind noch größer.
Die einfachste LED in einem Gehäuse ist
das Lämpchen. Diese besteht aus dem
Kristall, einem Kristallträger und der
Vergussmasse, die den Kristall umgibt,
schützt und für die Lichtstreuung sorgt
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7-Segment plus DP
14-Segment plus DP
Bild 5: Abstrahlcharakteristik für eine eng strahlende LED (ca. 20°).
kannt, auch hier wird der DP ignoriert.
Starburst-Anzeigen bieten einen einfachen Weg, um alle 26 Zeichen des Alphabets und die zehn Ziffern anzuzeigen. Bei der 16-Segment-Anzeige ist
der obere und untere Balken jeweils geteilt, einige Zeichen können so besser
dargestellt werden (Bild 6). Die 5x7Matrix ist noch vielseitiger, da zusätzlich
Groß- und Kleinschreibung möglich ist
und einige Sonderzeichen dargestellt
werden können. Der Unterschied der
Anzeigequalität ist in Bild 7 dargestellt.
Diese vergleicht die Zeichen, wie sie
zum einen mit dem 5x7-Matrixzeichensatz der Displaytreiber MAX6952 und
53 und zum anderen mit dem identi- 16-Segment plus DP
5 x 7 Matrix
Bild 6: Hier sind die gebräuchlichsten Displaytypen gezeigt (von links nach
rechts): Siebensegmentanzeige, „Starburst”-14-Segment-Anzeige, „Starburst”-16-Segment-Anzeige sowie die 5x7-Matrix.
.
Bild 7: Vier moderne Display-Treiber von Maxim haben bereits den 104 Zeichen umfassenden ASCII-Zeichensatz als Speichertabelle integriert. Links
die Darstellung mit einer 5x7-Matrix (MAX6952 und 53), rechts auf einem
16-Segment-„Starburst”-Display (MAX6954 und 55).
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die Kristalle entweder
auf einem Träger oder
Front plate
einer Platine montiert
und über Drähte auf ein
Reflector
Verbindungsmuster geConductor
bondet. Die Kristalle
werden mit Leitpaste
Substrate
LED die mounted with conductive epoxy
montiert, weil das Kristallsubstrat eine der
zwei Diodenanschlüsse
Bild 8: Der Querschnitt durch ein Einzelsegment darstellt (Bild 8).
zeigt den LED-Chip, wie er im Reflektor eingebet- Das Verbindungsmuster
tet ist.
führt entweder die Anoden- oder Kathodenanschen Starburst-Zeichensatz der Dis- schlüsse der LEDs zusammen, um die
playtreiber MAX6954 und 55 darge- Anschlussanzahl für ein Digit zu verrinstellt werden. Die meisten auf LEDs ba- gern. Daher sind Anzeigen sowohl als
sierenden numerischen und alphanu- Common Anode (CA)- und als Commerischen Anzeichen sind in Wirklich- mon Cathode (CC)-Typen erhältlich,
keit Hybride, bei denen viele Einzel- und integrierte Displaytreiber-Bausteine
LEDs in einem Gehäuse montiert wer- sind entweder für den einen oder andeden. Nur einige sehr kleine Anzeigen ren Typ spezifiziert (Bild 9).
sind wirklich monolithisch ausgeführt, Der Aufbau mittels Träger ist ähnlich
z.B. die Bubble-Top-Rechnerdisplays dem, der in der Herstellung von inteaus den Siebzigerjahren. In jedem Fall grierten Halbleitern angewandt wird.
wird die Form jedes einzelnen Seg- Der Träger besteht üblicherweise aus
ments von einem Reflektor und einer silberbeschichtetem Stahl und bietet
Lichtröhre bestimmt, die um den LED- gute Wärmeableitung und LichtreflexiKristall montiert wird. Kleine Anzeigen on. Der Reflektorkanal bildet den Lichtbenutzen einen Kristall pro Displayseg- leiter für jedes Segment und wird
ment, während große Anzeigen zwei während der Herstellung mit Epoxid geoder noch mehr Kristalle pro Segment füllt. Dies sorgt für mechanische Stabieinsetzen, um das Licht wirkungsvoll zu lität und bietet einen Schutz gegen Bestreuen und einheitliche Helligkeit in- schädigung.
nerhalb des Segments zu erreichen.
Eine preiswerte Herstellmethode nutzt
Während des Herstellprozesses werden anstatt der Träger platinenähnliche
Anode 1
Anode 2
Anode 3
Anode 4
Anode 5
Anode 6
Anode 7
Anode 8
Cathode 1
Cathode 2
Cathode 3
Cathode 4
Cathode 5
Cathode 6
Cathode 7
Cathode 8
Common
Anode
Common
Cathode
Bild 9: Siebensegment-Anzeigen mit gemeinsamer Anode werden Common
Anode genannt (links), die mit gemeinsamer Kathode heißen Common Cathode (rechts).
100
LED Intensity Normalised to 20mA
LED Forward Current (mA)
3.5
80
60
40
20
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
0
0
1
2
3
4
LED Forward Voltage (V)
Bild 10: Die Vorwärtsspannung verschiedenfarbiger Leuchtdioden ändern sich mit der Farbe und dem
Vorwärtsstrom.
28
3.0
0
10
100
LED Forward Current (mA)
Bild 11: Mit höherem Diodenstrom
erhöht sich auch die Lichtintensität
der LED. Bei hohen Strömen wird eine Sättigung erreicht.
Substrate. Anzeigen, die damit hergestellt werden, kennt man als Stick-Typen, weil die Methode meist für
mehrstellige Anzeigen genutzt wird,
wie z.B. für vierstellige LED-Uhrendisplays. Stick-Aufbauten ermöglichen die
Herstellung ohne Epoxidfüllung, was
Kosten spart, aber die Anzeige anfällig
für Umwelteinflüsse macht.
Eigenschaften
Das elektrische Verhalten von LEDs ist
vergleichbar mit dem anderer Halbleiterdioden. Die Flussspannung ist höher
und ändert sich mit der Farbe, da hier
verschiedene Materialien verwendet
werden (Bild 10). Die Flussspannung
steigt mit dem Strom und fällt mit der
Temperatur um etwa 2 mV/°C. Und,
wie bei allen Halbleitern, wird die zulässige Verlustleistung bei höheren Arbeitstemperaturen geringer. Das optische
Verhalten der Leuchtdiode ändert sich
über Temperatur signifikant. Zunächst
fällt die Menge des abgestrahlten Lichts
mit steigender Chiptemperatur, weil
mehr Rekombinationen von Löchern
und Elektronen ohne Lichtemission
stattfinden. Außerdem ändert sich die
Wellenlänge, bedingt durch die Veränderung der Energiebandlücke über der
Temperatur.
Ansteuerung
Der einfachste Weg, Mehrfach-LEDs
wie Anzeigensegmente anzusteuern,
ist, jede einzelne LED über einen Vorwiderstand oder mit einer Stromquell einzeln zu treiben. Man spricht von statischer Ansteuerung, weil der Diodenstrom kontinuierlich fließt. Diese Methode bietet sich zum Ansteuern von
wenigen Leuchtdioden an; eine kritische Grenze liegt im Bereich von zweistelligen
Siebensegment-Anzeigen.
LEDs mit hohem Wirkungsgrad erreichen eine gute Helligkeit bereits bei einem Strom von etwa 2 mA und können
direkt von einem Mikrocontroller-Port
angesteuert werden.
Sobald viele Segmente angesteuert
werden müssen, erfordert die statische
Ansteuerung eine unökonomisch hohe
Anzahl von Treiberausgängen – nämlich
einen pro LED! Eine gemultiplexte oder
gepulste Ansteuerung reduziert die Anzahl von Anschlüssen, indem nur eine
geringe Anzahl von Segmenten, üblicherweise nur genau eines, mittels Auftastimpulsen angesteuert werden. Das
Auftasten geschieht bei einer Wiederholrate, die das menschliche Auge bereits als kontinuierliche Ausleuchtung
wahrnimmt.
Die LEDs müssen jedoch mit einem
höheren Strom betrieben werden, um elektronik industrie 10-2002
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Red Cathode
Cathode 1
Cathode 2
Cathode 3
Cathode 4
Cathode 5
Cathode 6
Cathode 7
Cathode 8
Common
Anode
Bild 13: Moderne Leuchtdioden sind
oberflächenmontierbar und als Module erhältlich (hier von der Firma
Everlight).
Bild 14: Anzeigetafeln im Außenbereich setzen meist sog. LED-Cluster
ein, die aus vielen verschiedenfarbigen Einzeldioden bestehen.
30
Seg a
Seg b
Seg c
Seg d
Seg e
Seg f
Seg g
Seg dp
CC
Seg a
Seg b
Seg c
Seg d
Seg e
Seg f
Seg g
Seg dp
CC
Anode 1
Anode 2
Anode 3
Anode 4
Anode 5
Anode 6
Anode 7
Anode 8
Common
Cathode
Bild 12: Der Displaytreiber MAX6951 wechselt die Betriebsart während des
Multiplexens. Daher lässt sich die Anzahl der Anschlüsse weiter reduzieren.
Die Standardverdrahtung bei der gemultiplexten Ansteuerung arbeitet mit
nur einem Anschluss für die gemeinsame Kathode eines jeden Digits,
während die Anodensegmente jeweils
über alle Digits zusammengefasst sind.
Die Anzahl der benötigten Anschlüsse
beträgt einer pro Digit plus einer für jedes Segment innerhalb eines Digits.
Während des Multiplex-Betriebs wird
immer gerade nur ein Digit angesteuert; dies macht man sich zunutze, um
weitere Anschlüsse einzusparen. Indem
die LED-Treiberanschlüsse die Betriebsart zwischen dem Treiben von Digits
und Segmenten wechseln, können n
Treiberanschlüsse n Digits mit jeweils n1 Segmenten treiben. Diese Technik
wird im LED-Treiber MAX6951 benutzt.
Er treibt acht numerische Digits mit nur
neun Anschlüssen (Bild 12).
Anwendungen für LEDs
Blue Cathode
Seg a
Seg b
Seg c
Seg d
Seg e
Seg f
Seg g
Seg dp
CC
Segment a
Segment b
Segment c
Segment d
Segment e
Segment f
Segment g
Segment dp
Cathode 8
Cathode 7
Cathode 6
Cathode 5
Cathode 4
Cathode 3
Cathode 2
Cathode 1
Green Cathode
Common Anode
Seg a
Seg b
Seg c
Seg d
Seg e
Seg f
Seg g
Seg dp
CC
Seg a
Seg b
Seg c
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Seg g
Seg dp
CC
Seg a
Seg b
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Seg g
Seg dp
CC
Seg a
Seg b
Seg c
Seg d
Seg e
Seg f
Seg g
Seg dp
CC
das reduzierte Tastverhältnis zu kompensieren.
Den Vorteil, dass das menschliche Auge
teilweise als Integrator und teilweise als
Spitzenwert lesendes Photometer arbeitet, macht sich die gepulste Ansteuerung zunutze. Als Ergebnis nimmt
das Auge schnell gepulstes Licht irgenwo zwischen maximaler und durchschnittlicher Helligkeit auf. Ein intensiver Puls mit niedrigem Tastverhältnis erscheint heller als ein dem Durchschnitt
des gepulsten Signals entsprechendes
Gleichstromsignal. Daher ist die Verbesserung der Displayintensität bei gemultiplexter Ansteuerung ein Vorteil bei einer gegebenen, durchschnittlichen Leistungsaufnahme.
Der Wirkungsgrad einer LED steigt üblicherweise mit dem Vorwärtsstrom, vorausgesetzt, die Chiptemperatur bleibt
konstant. Dies ist jedoch nicht immer
der Fall, daher sollten LED-Datenblätter
sorgfältig in Bezug auf den optimalen Spitzenstrom verglichen werden
(Bild 11).
Bei gemultiplexter Ansteuerung steigen
die internen Chiptemperaturen mit
dem Treiberstrom. Ab einem bestimmten Punkt bewirkt der Temperaturanstieg einen erhöhten Abfall an Lichtausbeute, der die eigentlich erwünschte,
erhöhte Lichtausbeute durch den höheren Strom überwiegt. Ab da kann
höherer Treiberstrom sogar einen Rückgang der Lichtstärke bewirken.
Seg a
Seg b
Seg c
Seg d
Seg e
Seg f
Seg g
Seg dp
CC
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Die Herstellprozesse für LEDs änderten
sich in den Achtzigerjahren schnell
durch Einführung von Typen mit hohen Wirkungsgraden wie GaAlAs- oder
InGaAlP-LEDs. Innerhalb kürzester Zeit
erreichten Leuchtdioden einige Prozent
an Wirkungsgrad, alle Primärfarben
(RGB) waren verfügbar, und die Zuverlässigkeit war zumindest genauso gut
wie bei anderen Displaytechnologien.
Oberflächenmontierbare LEDs sind verfügbar in Einzelfarben (inklusive weiß),
zweifarbig (meist rot und grün) und
dreifarbig (Bild 13); deren Einsatz
schließt Hintergrundbeleuchtung für
kleine LCD-Panels, Gerätepanels und
Hinweistafeln innerhalb von Gebäuden
ein. Hinweistafeln außerhalb von Gebäuden auf LED-Basis arbeiten mit LEDClustern, wo Einzel-LEDs so dicht angeordnet werden, dass die Lichtpunkte
sich bündeln und einen Pixel von etwa
25 mm2 erzeugen (Bild 14). Diese Hinweistafeln werden für Werbung oder als
Verkehrszeichen eingesetzt. Ein anderer,
schnell wachsender Markt ist der Einsatz
in Ampeln. Bisher benötigte eine Ampelglühlampe – abhängig von Größe
und Farbe – eine Leistung von 75 W bis
150 W und wurden aus Sicherheitsgründen jedes Jahr einmal gewechselt.
LED-basierende Leuchtscheiben benötigen nur etwa 7 W bis 15 W und müssen
nur alle fünf Jahre ausgetauscht werden.
Zukünftige Anwendungen
Derzeitige, superhelle LEDs übertreffen
die Lichtausbeute von Glüh- und Halogenlampen und müssen weniger gewartet und seltener ausgetauscht werden wie dies bei herkömmlichen Birnen
der Fall ist. Weiterhin können LEDs
durch Pulsbreitenmodulation oder andere Techniken einfach gedimmt werden. Das Ziel von LED-Entwicklern ist eine extrem helle, weiße Leuchtdiode, die
ökonomisch genug ist, um für Hausbeleuchtungen eingesetzt werden zu können. Derzeit besteht bei Hotel- oder
auch Firmenbetreibern hohes Interesse
an effizienten Beleuchtungskörpern mit
hoher Lebensdauer, da nicht nur die
Elektrizität für die Beleuchtung ein Kostenfaktor ist, sondern auch der Aufwand für Austausch, Pflege und Wartung von Leuchtkörpern.
Maxim
727
Tim Herklots arbeitet bei Maxim Integrated Products in Sunnyvale, Kalifornien als Corporate Application Engineer.
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