Support für effizientes LED-Leuchten-Design

Noch vor gut einem Dutzend Jahren dienten LEDs überwiegend als Indikatorlampen. Inzwischen sind die Effizienz und der Lichtstrom so gestiegen, dass praktisch jeder Hersteller auf LED-Technologie setzt. Doch mit diesem Wandel betreten Leuchtenentwickler die Welt der Elektronik. Für diesen Paradigmenwechsel brauchen sie spezifisches Know-how in den Bereichen Elektronik, Thermodesign und Optik; ihre Erfahrungen aus den bisherigen Technologien sind kaum übertragbar. Dazu kommen Unsicherheiten bei Themen wie der Einteilung in Schüttgutgruppen/Farbortklassen (Binning), der Auswahl der richtigen Bauteile und ihrer Langzeitverfügbarkeit, der korrekten Entwärmung über den gesamten thermischen Pfad, der Einhaltung von Normen sowie Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Effizienz des gesamten LED-Systems. In Sachen LED-Treiber stellt sich die „Make or Buy“-Frage.

Das EBV-Lightspeed-Team hilft Leuchtenherstellern, LED-Technologie in ihren Produkten einsetzen – auch dann, wenn sie bisher noch keinerlei Erfahrung im Elektronikbereich haben.EBV

Hilfe für die Leuchtenhersteller

Passend dazu unterstützt EBV Elektronik die Leuchtenhersteller rund um LED-Designs: vom Design der Elektronik, Optik und Kühlung bis hin zur Überführung von der Entwicklung in die Produktion. Hierfür hat der Distributor ein eigenes Technologiesegment namens „EBV Lightspeed“ geschaffen – dieses dedizierte Team hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Marktsegmente Allgemeinbeleuchtung sowie Automotive, Healthcare und Consumer mit Systemlösungen zu bedienen.

EBV Lightspeed bietet entwicklungsnahe Dienstleistungen, fachspezifische Publikationen, Technologiedemonstratoren, die EBV Lighting Academy sowie komplette, bausteinbasierte Systemlösungen. Der Leuchtenhersteller kann von Mid- und High-Power-LEDs über COB- und LED-Module, COB-Halter, Optiken und Reflektoren, Kühlkörper, Konstantstromtreiber, DMX-, DALI- und KNX-Steuerungen bis hin zu Funksteuerungen alle elektrotechnischen Bauteile und Baugruppen beziehen, die er zum Bau einer Leuchte benötigt.

Elektronisches Design

LEDs sollen einen gleichmäßigen Lichtstrom liefern, doch es gibt in der Realität keine absolut konstanten Spannungsquellen und Dioden unterliegen einer Exemplarstreuung der Vorwärtsspannung. Daher werden LEDs mit Konstantstromtreibern versorgt. Diese Vorschaltgeräte müssen Sicherheitsnormen und Richtlinien wie EN 61347-1, EN 61347-2-13, EN55015, EN61547, EN 61000-3-2, EN 62384 entsprechen, Prüfzeichen wie ENEC / VDE / EMC / EL / CE aufweisen, Gegentakt- und Gleichtaktstörungen vermeiden und vieles mehr.

Für die Entwicklung eines serienproduzierbaren, EMV-gerechten Schaltnetzteils können leicht ein halbes Jahr bis zu einem Jahr vergehen, da es sich hier um einen iterativen Prozess handelt. Zudem sind die Tests im EMV-Testlabor aufwendig und teuer, so dass die meisten Kunden auf fertige Lösungen zurückgreifen, etwa von HEC, Lumotech und Osram. Diese liefern meist 350, 700 oder 1050 mA oder andere Vielfache von 350 mA, bei einer Gesamtleistungsaufnahme von typischerweise 3 bis 200 W. Sind spezielle Features gefragt, zum Beispiel Phasenan- und abschnitts-, 1…10-V- und DALI-Dimming in einem Gerät, besondere Formfaktoren oder höchste Effizienz, minimale Stromrestwelligkeit, besonders kleine Leerlaufleistung, dann kann EBV Elektronik gemeinsam mit seinen Anbietern von Schaltregler-ICs passende Lösungen entwickeln. Je nach Wattage und Zielvorgaben sind Buck-, Boost-, Flyback- oder Resonanzkonverterdesigns zum Beispiel für Deckeneinbauleuchten und Langfeldleuchten im Indoor-Bereich oder Straßenleuchten und Flutlichter im Outdoor-Bereich möglich. Diese Entwicklungen in Form von ICT-Daten dienen dann EMS-Partnern der Kunden als Vorlage zur Serienfertigung.

Optisches Design und Lichtmessungen

Zur punktuellen und diffusen Abstrahlung des Lichts verwenden Leuchtenentwickler Diffusionslinsen, Reflektoren, Kollimatoren, Hybridlinsen sowie weitere lichtleitende und -lenkende Elemente. Die TIR-Linse (Total Internal Reflection) kombiniert einen Reflektor mit einer Linse: durch Lichtbrechung und Reflexion entsteht ein paralleler Lichtstrahl.

Mit seinen Ulbricht-Kugeln misst EBV die Leistung oder den Gesamt-Lichtstrom verschiedener Lichtquellen.EBV

Aufgrund der optischen Eigenschaften bestehen Linsen in der Regel aus PMMA (umgangssprachlich als Plexiglas bezeichnet, dies ist jedoch ein eingetragenes Warenzeichen), das eine hohe UV-Verträglichkeit und Transmission aufweist und wenig kratzempfindlich ist. Eine Alternative ist PC (Polycarbonat), das schlagzäh ist und eine hohe Wärmeformbeständigkeit aufweist. In jüngster Zeit kommt auch immer mehr Silikon zum Einsatz, das eine besonders hohe Alterungsstabilität bei rauen Umgebungsparametern mit sich bringt.

In seinem hausinternen Lightlab verfügt EBV über zwei Ulbricht-Kugeln – eine 2π-Kugel mit 250 mm Durchmesser und eine 4π-Kugel mit 1000 mm Innendurchmesser – sowie ein Photogoniometer und Spektrometer, mit denen das Labor die üblichen photometrischen Messungen von diskreten Bauelementen bis hin zu fertigen Leuchten für Kunden durchgeführt. Sinnvoll ist das zum Beispiel, um den wahren Lichtstrom sowie die wahre Lichtstärke von LEDs zu erfassen und diese mit den im Datenblatt angegebenen Werten zu vergleichen. Darüber hinaus werden die Lichtverteilungskurven, spektrale Verteilung inklusive Farbwiedergabeindex, Angabe des Farbortes im CIE (1931)-Farbraum und weitere Parameter ganzer Leuchten vermessen. Ergänzend bietet EBV Lichtplanungen auf der Basis von Software wie Dialux an. Damit lassen sich auch Prototypendesigns von Leuchten validieren, bevor diese in Serie gehen. Das Lichtlabor erzeugt dazu Eulumdat- oder IES-Files und untersucht die Lichtstärkeverteilungen um zu verifizieren, ob sich mit diesen Leuchten bei vorgegebener Raumgeometrie bestimmte Beleuchtungsaufgaben lösen lassen.

Per Photogoniometer und Spektrometer ermittelt EBV die Lichtverteilungskurven und spektrale Verteilung inklusive Farbwiedergabeindex.EBV

Thermisches Design und Lebensdauer

Neben dem elektronischen und optischen Design spielt das thermische Design eine entscheidende Rolle, denn nur wenn die Halbleiterbauelemente richtig entwärmt werden, ist auch im Langzeitbetrieb ein langer Lichtstromerhalt gewährleistet. Als Lebensdauer (Degradation des Lichtstroms) einer LED wird in der Regel die Zeit bezeichnet, nach der der Lichtstrom im Mittel auf 70 % des Anfangswertes abgesunken ist, das ist die Bemessungslebensdauer Lx, hier L70. Lichtstromrückgang By wiederum beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass y % der LED-Leuchten am definierten Lebensdauerende Lx den Lichtstrom von x % unterschreiten. B50 gilt automatisch wenn kein anderes By angegeben ist. Da LED- und Leuchtenhersteller unterschiedliche Verfahren für ihre Lebensdauertests anwenden, hat die IESNA (Illuminating Engineering Society of North America) die Standards LM-80-08 zum Messen von diskreten LEDs und LED-Modulen über 6000 bis 10.000 Stunden bei drei Oberflächentemperaturen (55 °C, 85 °C, frei) sowie TM-21-11 zum Extrapolieren des Lichtstromabfalls der gesamten LED-Leuchte auf die maximal sechsfache reale Messdauer ins Leben gerufen.

Als Kühler kommen überwiegend schwarz anodisierte, passive Kühlkörper zum Einsatz, die in den meisten Fällen der Kunde selbst extrudiert. Für spezielle Anwendungen, wie High-Bay-Lighting jenseits von 10.000 lm mit hoher Wärmeverlustleistung von 50 W und mehr, kommen Zweiphasenkühler mit integrierten Heatpipes zur Anwendung. Diese Wärmeübertrager erlauben unter Nutzung der Verdampfungswärme eines Mediums wie Wasser oder Alkohol eine hohe Wärmestromdichte.

Durch den Wärmeeintrag verdampft der Alkohol und strömt nun gasförmig ans andere Ende des Rohrs (Konvektion) wo sich der Wärmetauscher (Kühlrippen) befindet. Dort wird die Wärme abgeführt, wodurch der gasförmige Alkohol kondensiert und über die Kapillarwirkung des innenliegenden Kupferdrahtgeflechts zum Ort der Wärmequelle zurückfließt. Dann beginnt der Kreislauf von vorne. Ein Trend sind auch thermisch leitfähige Kunststoffe auf Basis leitender und isolierender Additive, die in Bezug auf Design und Gewicht neue Gestaltungsmöglichkeiten bieten.

Entwärmung simulieren

Um für das jeweilige Leuchtendesign die optimale Entwärmung zu finden, ist eine thermische Simulation des Gesamtdesigns mithilfe des CFD-Verfahrens (Computational Fluid Dynamics) zweckmäßig. Je nach Design ist eine Optimierung in Richtung Kosten, Volumen, Struktur, Gewicht und Platzierung im Rahmen der Umgebungsparameter angesagt. Via CFD kann der Designer Kühllösungen weiter optimieren. Dazu legt er in der Regel CAD-Daten von Solidworks oder anderen Werkzeugen vor.

In der CFD-Analyse wird das zu untersuchende Fluid (zum Beispiel Luft) und die Analyseart (etwa das Problem der externen konjugierten Wärmeübertragung) festgelegt, die Schwerkraft zur Steuerung für die natürliche Konvektion angewendet und die Umgebungstemperatur und Druckbedingungen angegeben. Anschließend wird die Wärmeleistungslast auf den Kühlkörper angewendet und ermittelt wie die Kühlwirkung erhöht werden kann. EBV Elektronik bietet seinen Kunden die thermische Simulation per CFD als kostenlose Dienstleistung an.

Im Rahmen von Technologiedemonstratoren bietet EBV eine Zusammenstellung der Bauteile an, die der Distributor für eine spezielle Applikation am zweckmäßigsten hält. In einer Benchmark-Datenbank sind deren Parameter wie Effizienz (bei einem bestimmten Teststrom, CRI, Tc gemessen), Euro/lm, winkelabhängige Farbtemperaturverteilung, thermischer Widerstand des Gehäuses/Substrates und mehr hinterlegt. Dazu kommen Application- und Solution-Guides inklusive Systemeffizienz- und Systemkostenanalyse sowie photometrische und thermischen Messungen. Ebenso werden Untersuchungen und Berechnungen zur Lebensdauer und Zuverlässigkeit angestellt.

Die Leuchte im Internet der Dinge

Eine Leuchte kann ein Gerät im Rahmen des Internets der Dinge (IoT, Internet of Things) sein. Mit IEEE 802.15.4 für Wireless Personal Area Networks (WPAN) und dem darauf aufbauenden Zigbee gibt es eine Funktechnologie für Anwendungen mit niedriger Datenrate (250 kBit/s). Es eignet sich aufgrund der geringen Energieaufnahme besonders zum Aufbau von Home Automation Networks, in dem viele Sensoren und Aktoren nur zeitweise und über kurze Strecken (mehrere 10 m) wenig Daten versenden und empfangen und sich damit überwiegend im Standby-Modus befinden. Somit sind Batterielaufzeiten von mehreren Jahren gewährleistet. Zigbee nutzt die lizenzfreien Frequenzen 868 MHz (Europa), 915 MHz (Nordamerika, Australien) oder 2,4 GHz (weltweit).

Der Zigbee-Standard unterscheidet zwei Geräteklassen: Full Function Devices (FFD) und Reduced Function Devices (RFD). Ein FFD kann den gesamten Protokollstack verarbeiten, benötigt damit etwas mehr Speicher (trotzdem nur 32 kByte) und kann mit RFDs sowie FFDs kommunizieren, während ein RFD nur mit genau einem FFD kommuniziert. Dafür braucht ein RFD aber nur 4 bis 8 kByte Speicher. Durch miteinander kommunizierende Geräte entsteht ein Personal Area Network (PAN), das eine einfache Stern-Topologie darstellen kann oder komplexere Maschennetzwerke (Mesh) bildet.

Die Brücke zwischen Zigbee-Netz und WLAN kann ein mit dem Internet verbundenes Gateway herstellen. Dann kann der Anwender sein Heimnetz sowohl von innen typischerweise über ein Smartphone oder Tablet bedienen als auch von außen über die Cloud. Dazu eignet sich zum Beispiel ein auf Broadcom Raspberry Pi basierender Embedded-Computer von Dresden Elektronik, der Wi-Fi-Dongle sitzt im USB-Port, auf die GPIO-Pins wird ein Raspbee-Modul gesteckt. Bei Raspbee handelt es sich um ein Aufsatzmodul, das auf dem Single-Chip-Mikrocontroller ATmega256RFR2 (AVR-MCU und 2,4-GHz-Transceiver) basiert. Der Minicomputer bootet ein Debian-Linux-Derivat von der SD-Karte und startet einen Webserver, dessen GUI für die Bedienung der im Zigbee-Netzwerk befindlichen LED-Treiber programmiert worden ist.

(lei)