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Bild 1: LED mit Kühlkörper und Reflektor.
Bild 2: Die LED-Dies sind über einen thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Kleber direkt mit dem Aluminiumsubstrat verbunden, was zu einer besseren Wärmeverteilung im Kühlkörper führt.
Bild 3: Einfluss unterschiedlicher Linsen auf die Lichtausbeute.
Formel 1: Bei größeren Leistungen entsteht ein immer kleinerer Wert Rthermal heatsink und somit muss ein immer größerer Kühlkörper verwendet werden.

Citizen präsentierte kürzlich ein komplett überarbeitetes Produktportfolio. Vor allem im Bereich der höheren Leistungsklassen kann der Hersteller nun Applikationen mit sehr hohen Anforderungen bedienen: Der maximale Helligkeitswert bei der CLL050-1825A1 liegt bei 17600 Lumen bei einer maximalen Bestromung von 3 A. Die Helligkeit wird bei dieser LED über 450 einzelne LED-Dies erzeugt. Für diese Helligkeit wird eine Leistung von etwa 178 W benötigt. LEDs werden insgesamt für die Beleuchtungstechnik immer wichtiger, dies gilt aber vor allem für  High-Power-LEDs, deren Leistung kontinuierlich steigt. Dies führt dazu, dass – neben  Eigenschaften, wie Lebensdauer, Lichtqualität und somit Binning und CRI – die Kühlung immer wichtiger wird.

Zur Berechnung eines Kühlkörpers kann Formel 1 verwendet werden. Während die maximale zulässige Sperrschichttemperatur Tjunction und Außentemperatur Tambient nur bedingt beeinflussbar sind, muss als Lösungsansatz  Rthermal total und Ptotal möglichst klein gehalten werden, damit ein kleiner und somit auch kostengünstiger Kühlkörper zum Einsatz kommen kann. Eine Reduzierung von Ptotal kann durch den Einsatz von effizienten LEDs erreicht werden. Deshalb ist es für den Anwender durchaus sinnvoll, eine sehr leistungsstarke LED unterhalb des Nennstromes zu betreiben, um eine höhere Effizienz zu erreichen. Die Citizen-LED CLL050-1825A1 zum Beispiel hat bei 500 mA eine Helligkeit von 3600 lm und eine Lichtausbeute von 145 lm/W. Diese hohe Effizienz eröffnet neue Möglichkeiten für den Einsatz heller LEDs, sofern keine ausreichende Möglichkeit für die notwendige Kühlung besteht: Die fehlende Kühlmöglichkeit wird mit erhöhter Effizienz kompensiert.

Rthermal total ist der gesamte Wärmewiderstand der einzelnen LED-Dies bis zur Anbindung an den Kühlköper. Als Rthermal LED wird der thermische Widerstand der LED (LED-Dies und LED-Trägermaterial) bezeichnet, als Rthermal PCB bezeichnet man den thermischen Widerstand zwischen der LED und dem Kühlkörper. Bild 2 zeigt den schematischen Aufbau. Wichtig ist, den Rthermal PCB möglichst gering zu halten und die LED thermisch gut mit dem Kühlkörper zu verbinden. Wärmeleitfolien mit einem geringen Wärmewiderstand bis 0,09 K/W (so genannte wärmeleitende Acrylfolien) sind hierfür gut geeignet. Endrich bietet solche Folien, angepasst an die jeweiligen LED-Bauformen, an. Je nach Applikation gibt es dazu Kühlkörper aus Aluminium oder Keramik. Auch Kupferplatinen sind zur Kühlung geeignet, sie dienen dann als Wärmespreizung.

Endrich bietet eine weitere Möglichkeit, wie der RthermalPCB-Wert niedrig gehalten werden kann: das Sinterverfahren. Es ermöglicht eine direkte Verbindung der High-Power-LED auf einem Aluminium-Kühlkörper und übernimmt außerdem, wenn nötig, das Wärmemanagement durch elektrische Regelkreise, beispielsweise durch Stromreduzierung bei erhöhter Temperatur.

Sperrschicht-Temperatur einer LED

Jede High-Power-LED muss in der jeweiligen Applikation getestet werden, um sicher zu stellen, dass eine ausreichende Kühlung erfolgt und die LED unterhalb der zulässigen Tjunction (Tj) betrieben wird. Zu der gemessen Temperatur Tc an der LED muss noch das Produkt aus Wärmewiderstand der LED Rj und Leistung Pd hinzu addiert werden: Tj = Tc + Rj x Pd. Sofern die Sperrschichttemperatur Tj unterhalb des angegeben Wertes liegt, kann eine entsprechende Lebensdauer garantiert werden.

Nun sind LEDs als Leuchtmittel nicht so einfach auszutauschen wie Glühlampen. Deshalb spielt die Lebensdauer bei der Auswahl eine wichtige Rolle. So hat zum Beispiel die gemessene Lichtintensität der Citizen-LED CL-L102-C3N nach mehr als 40.000 Stunden Dauerbetrieb bei einer maximal zulässigen Chiptemperatur Tj von 120 °C um lediglich 13 % abgenommen. Das ist nur durch sehr gute Materialeigenschaften der LED-Dies und eine hohe Verarbeitungsqualität erreichbar.

Die Genauigkeit der verwendeten Farbtemperatur ist ebenfalls ein wichtiges Kriterium. Citizen bietet für fast alle LEDs durchgängig die Farbortselektion gemäß der engen McAdam Step3-Selektionsmethode an. Hierbei werden sehr eng beieinander liegende Farborte ausgeliefert, die das menschliche Auge fast nicht mehr wahrnehmen kann. Citizen will in diesem Jahr das noch engere  McAdam Step-2-Binning einführen.

LED, Optik und Kühlkörper aus einer Hand

Während die Lichtqualität und die Effizienz von LEDs immer weiter entwickelt werden, ergeben sich für den Kunden nun zusätzliche Kriterien für den lang währenden Einsatz als Leuchtmittel. Ein Beleuchtungssystem ist nur dann effizient, wenn zusätzlich zur LED auch alle anderen Komponenten – wie Vorschaltgerät und verwendete Optiken – aufeinander abgestimmt sind. In der Vergangenheit wurde vor allem im Außenbereich, wie der Straßenbeleuchtung, auf eine möglichst hohe Effizienz geachtet. Mittlerweile gelten auch höhere Anforderungen für den Innenbereich, etwa für größere Gebäude.

Eine optimale Effizienz lässt sich nur dadurch erreichen, dass sowohl die Stromversorgung, als auch die Kühlkomponenten und Optik optimal auf die LED angepasst werden. Das garantiert Effizienzsteigerungen bis 30 %. Von Endrich kommt ein abgestimmtes Lieferprogramm von High-Power-LED bis komplette Beleuchtungssystemen, bestehend aus LED, Optik, Kühlkörper und Vorschaltgerät. Unter anderem vertritt Endrich die niederländische Firma Lumo Tech in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Lumo Tech hat sich auf LED-Netzteile mit Ausgangsleistungen bis 40 W spezialisiert. Diese Netzteile haben einen Wirkungsgrad bis 90 % und einen Powerfaktor von 0,97. Doch entscheidend ist die erwartete Lebensdauer, die aufgrund sorgfältiger Materialauswahl mit 50.000 h angegeben werden kann, Testverfahren haben dies ergeben. Damit sind diese Netzteile dazu geeignet, LEDs so effizient und langlebig wie möglich zu betreiben. Endrich wird in diesem Jahr eine neue Linie einstellbarer Vorschaltgeräte anbieten. Bei diesen Vorschaltgeräten kann der verwendete Strom über eine USB-Schnittstelle am PC verändert werden.

Der Einfluss der Linse auf die LED

Bei den Optiken arbeitet Endrich eng mit dem Hersteller LEDIL zusammen, der für die jeweiligen High-Power-LEDs effiziente Standard- oder kundenspezifische Lösungen entwickelt. Viele Applikationen benötigen optische Systeme, um den gewünschten Lichteffekt zu erreichen. Für Multichip-Lösungen kommen häufig Linsen als Reflektoren zum Einsatz. Im Bild 3 ist eine LED dargestellt, die mit zwei unterschiedlichen Linsen ausgestattet ist. Bei der blauen Kurve wird doppelt so viel Licht in Vorwärtsrichtung abgestrahlt als bei der roten Kurve. Durch eine optimale Anpassung der Linse an die LED kommt es zu einem signifikanten Unterschied in der Lichtausbeute in der gewünschten Richtung. Im Fall der roten Kurve wird das Licht entweder gar nicht in die Linse eingekoppelt, sondern lediglich reflektiert, oder es wird in eine andere als die gewünschte Richtung gestreut.

Zusammen mit seinen Systempartnern kann Endrich kundenspezifisch angepasste Lösungen anbieten, damit auch LEDs mit sehr hohen Leistungen in einem stabilen Prozess betrieben werden können.