Hocheffiziente LED-Bauteile

Die Auswirkungen der CoB-Technik im LED-Bereich lassen sich vor den historischen Hintergrund besser verstehen. Die Entwicklung der LEDs begann in den 1960ern, und die ersten Modelle kamen im Format Dual-Inline-Package (DIP) heraus. Diese durchscheinenden, kunstharzgekapselten Bauteile verwendet man heute hauptsächlich nur noch zu Beschilderungszwecken, denn wegen ihrer relativ unhandlichen Gehäuse und ihrer geringen Lumenleistung sind DIPs für die kleinen Formfaktoren moderner Elektronik ungeeignet.

Die SMD-Technik hat auch die LEDs stark verändert. Die Abmessungen einzelner Chips sind inzwischen bis in den Millimeterbereich geschrumpft, und die oberflächenmontierbaren LEDs sind für die Serienfertigung mit denselben Anlagen ausgelegt, wie sie zur Herstellung von Leiterplatten erforderlich sind. Die LEDs gibt es in einer riesigen Auswahl an Bauarten, Lichtströmen und Farben, jedoch sind nur einige Standardgrößen im Bereich von 1,1 mm² bis 5,7 mm² besonders häufig zu finden.

CoB-LEDs

LED-Hersteller haben in den Nachteilen der SMD-Technik eine Chance gesehen und in den letzten Jahren die Chip-on-Board-LED-Technik marktfähig gemacht. Bei CoB-LEDs verzichtet man auf die standardisierte AVT der SMD-LEDs zugunsten überlegener thermischer Effizienz und Lumendichte. Genauso wie die SMD-Technik die LEDs schrumpfen ließ, schrumpfen sie durch die CoB-Technik weiter bis zu einem Punkt, an dem sie oft nur weniger als einen Millimeter dick und mit bloßem Auge kaum sichtbar sind. Ein einzelnes Array kann mit Dutzenden oder gar Hunderten dieser winzigen Chips bestückt sein, wobei diese LED-Dies direkt auf dem Leiterplattensubstrat sitzen und drahtgebonded sind. Statt einzelner Phosphorbeschichtungen für jede Diode deckt eine einzige große Phosphorschicht das gesamte Array ab und erzeugt so eine gleichmäßige Lichtverteilung. CoB-LEDs sind im Allgemeinen größer als die SMD-Varianten und weisen einige Millimeter bis einige Zentimeter im Quadrat auf. Sie sind nicht wie SMD-Module auf die Leiterplatte aufgelötet, sondern direkt auf einem Kühlkörper montiert, um bessere thermische Eigenschaften zu erreichen. Die Verdrahtung ist mit nur zwei Kontakten für jedes CoB-Array denkbar einfach.

Heller, einfacher, günstiger

CoB-LEDs mögen wie die Weiterentwicklung der SMD-Technik erscheinen, tatsächlich aber waren ihre Auswirkungen revolutionär. Durch die dichte Anordnung von LED-Chips in einem einzelnen Array erreichen CoB-LEDs nicht nur eine bessere Lumendichte, sondern auch höherwertiges Licht, reduzierte Kosten und ein wesentlich vereinfachtes Beleuchtungsdesign. Durch die verbesserten Eigenschaften hat es die CoB-Technik möglich gemacht, dass LEDs die herkömmlichen Punktlichtquellen, die sich in Bezug auf das SMD-Packaging als störanfällig erwiesen haben, bestens ersetzen können. Einzelne SMD-LEDs erzeugen im Allgemeinen nicht genügend Licht für eine Leuchte, sodass man mehrere LEDs in einem Array gruppiert, zusammen mit den Optiken für die Lichtstreuung. Letztendlich wird daraus aber immer noch keine wirklich gute Punktlichtquelle. Die Ausleuchtung ist nicht gleichmäßig und die Punktquellen sind häufig sichtbar, wodurch Blendeffekte und Mehrfachschatten nicht auszuschließen sind.

Bessere Qualität, bessere Punktbeleuchtung

Im Gegensatz dazu sind CoB-LEDs mit einer gleichmäßigen Lichtaustrittsfläche (Light Emitting Surface – LES) ausgestattet, die sie zu einem idealen Ersatz für traditionelle Punktquellen wie Downlights, Tiefstrahler und Scheinwerfer macht. Als einzelne, vorgebinnte Einheit weisen CoB-LEDs außerdem eine konsistentere Farbtemperatur auf als Leuchten, die aus vielen Einzel-LEDs bestehen. Letztendlich sind CoB-LEDs, die mehr Lichtstrom auf einer kleineren Fläche erzeugen als eine Gruppe von SMD-LEDs, nicht nur platzsparend, sie können auch einen kleineren Strahlwinkel produzieren.

Zum herkömmlichen Design einer LED-Leuchte mit SMD-Chips gehört nicht nur die Berechnung, wie viele LEDs erforderlich sind, um die gewünschte Lichtstärke zu erreichen. Auch der Entwurf einer speziellen Platine für die Leuchte und die Berücksichtigung der Platzanforderungen, Wärmeabführung und Stromversorgung gehören dazu. Und schließlich muss man hoffen, dass alle LEDs auch die richtige Farbe haben. CoB-LEDs benötigen meistens nur ein einzelnes Modul, sodass keine maßgeschneiderten Boards erforderlich sind, was das Design erheblich vereinfacht. Durch die größeren Abmessungen und die vereinfachte Verdrahtung sind CoB-Packages simpel zu montieren, ganz ohne aufwendige und teure Reflow-Lötanlagen. So kann eine voll funktionsfähige LED-Leuchte mit nur wenig mehr als einem geeigneten Kühlkörper, einem LED-Treiber, dem CoB-LED-Modul und einer entsprechenden Optik entstehen. CoB-LED-Leuchten erzielen im Allgemeinen bei gleichem Preis mehr Lumen als Designs auf SMD-Basis. Neben der Reduzierung der Werkzeugkosten aufgrund ihrer vereinfachten Montage profitieren die CoB-LEDs auch von reduzierten AVT-Kosten sowie von Kosten, die mit Entwurf und Konstruktion der für die Montage, Ansteuerung und Kühlung einer Gruppe von SMD-LEDs erforderlichen Leiterplatte einhergehen.

Die einzelnen Lichtpunkte von SMD-basierten Beleuchtungsgruppen erzeugen intensive Lichtflecken, die es bei den meisten Beleuchtungsanwendungen durch Streuung zu korrigieren gilt, was zu erheblichen Einbußen bei der Beleuchtungseffizienz führen kann. CoB-Lampen produzieren hingegen ein homogenes Licht aus einer einzigen Quelle und erlauben dadurch eine einfachere optische Auslegung für mehr Effizienz und Abstrahlkontrolle. Während bei SMD-basierten Leuchten normalerweise besondere Optiken zum Einsatz kommen, begnügen sich weit verbreitete CoBs, beispielsweise die X-Lamp CXA von Cree oder die Luxeon-LED-Arrays von Philips, mit handelsüblichen Optiken. Oft sind diese mit Steckverbindern oder Haltern verfügbar, um die Montage an den CoB zu vereinfachen.

Die CoB-LED-Arrays Luxeon von Lumileds zeichnen sich durch hohe Gleichmäßigkeit und Effizienz aus. Mouser

Lichtsteuerung mit Optiken

Es gibt zwei grundlegende Arten von Optiken: solche, die die Divergenz eines Strahlenbündels vergrößern, bekannt als Zerstreuungslinse, und solche, die die Divergenz eines Strahlenbündels verringern, bekannt als Sammellinse. Als flache Lichtquelle mit einer breiten lambertschen Lichtverteilung brauchen CoB-Lampen für die meisten Anwendungen eine sammelnde Optik. Die Optik bündelt nicht nur den Strahlwinkel, sondern steuert auch die Lichtverteilung je nach Anwendung. Dazu können die Erzeugung einer diffuseren Beleuchtung mit gleichmäßiger Ausleuchtung, enger gebündelte Strahlen für mehr Durchdringungsreichweite und Intensität oder Strahlen mit scharfer Begrenzung gehören.

Zu den Sammeloptiken gehören sowohl Linsen als auch Reflektoren. Linsen sind grundsätzlich effizienter als Reflektoren und bieten die bessere Strahlsteuerung. Zur Lichtbündelung kommen in der Regel Linsen mit innerer Totalreflexion (TIR) zum Einsatz, die sich über die gesamte Lichtaustrittfläche (LES) erstrecken, um sämtliches Licht von der LED zu sammeln und sowohl über Brechung als auch Reflexion optimale Ergebnisse zu erreichen. Während sich TIR-Linsen gut für LEDs mit kleinerer LES eignen, können sie bei größeren CoBs schon mal an die Grenzen des technisch Machbaren oder wirtschaftlich Vertretbaren stoßen.

Daher setzt man bei größeren CoBs vermehrt Reflektoren ein, um die Ausgewogenheit von Leistung und Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten. Reflektoren sind zwar kostengünstig und leicht, können aber nur das lateral von der LED abgestrahlte Licht beeinflussen, das auf die Reflexionsfläche trifft. Licht, das die LED direkt emittiert, ohne auf den Reflektor zu treffen, lässt sich daher nicht beeinflussen. Während sich das nach vorne gerichtete Licht sehr effektiv leiten lässt, ist die Lichtverteilung nicht steuerbar. Bei einigen Applikationen mag das akzeptabel sein, aber für Anwendungen, bei denen es auf mehr Strahlsteuerung ankommt, ist ein Reflektor möglicherweise nicht ausreichend.

Mit Sekundärlinsen lassen sich LED-Lösungen für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche realisieren. Mouser

Vor kurzem kamen hybride Optiken auf den Markt, die Reflektor und TIR-Linse kombinieren, um auch das Licht gezielt zu lenken, das in einer reinen Reflektorlösung übertragen würde, ohne durch eine Optik zu laufen. Designs wie die Saga-Optik von Ledil können eine vollständige Strahlsteuerung erreichen, ohne unverhältnismäßig groß und schwer zu sein.

Thermische Auslegung von CoB-Leuchten

Bei einer CoB-LED sitzt der Chip direkt auf dem Substrat, das zusammen mit einem wärmeleitenden Material direkt auf den Kühlkörper montiert ist. Diese Ausführung verbessert die thermischen Eigenschaften im Vergleich zu SMD-LEDs, die durch ihr Gehäuse und eine relativ dickere Leiterplattenlage vom Kühlkörper getrennt sind. Jedoch bedeutet der geringe Wärmeleitwiderstand von CoB-LEDs nicht, dass die Kühlung weniger wichtig wäre, da die hochdichte Auslegung der Arrays eine große Menge an Wärme auf kleiner Fläche erzeugt.

Wie bei allen LEDs muss man die Sperrschichttemperatur der CoB-LED durch einen Kühlkörper mit entsprechendem Wärmeleitwiderstand ständig unterhalb der im Datenblatt vorgegebenen Betriebsgrenzen halten. Auch das Substratmaterial der CoB-LED wirkt sich auf ihren Wärmewiderstand aus. CoBs auf einem Aluminium-Substrat sind zwar preiswerter, aber CoBs mit keramischem Substrat wie die CXA

(pet/ah)