LED-Lichtlösungen durchdringen den Beleuchtungsmarkt zusehends. Das liegt einerseits an der hohen Effizienz und Langlebigkeit der Halbleiterlichtquellen, aber auch die Lichtfarbe und Lichtqualität haben sich in den letzten Jahren deutlich verbessert. Leuchtdioden gibt es heute in allen Farben und inzwischen auch in allen Weißtönen, auch in Warmweiß, wie man es von der Glühlampe kennt – und die Lichtfarbe bleibt ein ganzes Lampenleben lang konstant. In Chip-on-Board-Technologie (CoB) gefertigte LEDs können außerdem enorme Helligkeit auf kleiner Fläche erzeugen, sodass häufig ein einzelnes Bauteil genügt, um die gewünschte Lichtwirkung zu erzielen. Sie lassen sich einfacher verarbeiten als SMD-LEDs und eröffnen neue Möglichkeiten für das Leuchtendesign. Zusammen mit entsprechenden Optiken eignen sie sich für zahlreiche Anwendungen.

Chip-on-Board-Technologie

CoB-LEDs werden in variabler Anzahl ohne Gehäuse – also nur die LED-Chips – direkt auf eine Leiterplatte (Board) per Drahtbonden kontaktiert. Da die LED-Gehäuse in der Regel wesentlich größer sind als die LED-Chips selbst, beanspruchen Chip-on-Board-LEDs bei vergleichbaren Lumenwerten wesentlich weniger Platz auf dem Kühlkörper als herkömmliche SMD-Bauteile, oder sie generieren mehr Lumen aus einer kleineren Fläche.

Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Boards lassen sich die LED-Chips auf engem Raum sehr dicht nebeneinander platzieren und auch mit höheren Strömen betreiben. Die CoB-LEDs werden mit einem Konverterguss umschlossen, sodass eine homogene lichtemittierende Oberfläche entsteht (LES = Light Emitting Surface). Dabei ermöglicht die dichte Anordnung der LED-Chips auf dem Board eine hohe Lichtausbeute aus einer kleinen LES.

Bild 1: Hell aus kleinster Fläche – die Soleriq P9 von Osram Opto Semiconductors.

Bild 1: Hell aus kleinster Fläche – die Soleriq P9 von Osram Opto Semiconductors.Osram

Soleriq-Produkte

Osram bietet Chip-on-Board-LEDs unter dem Produktnamen Soleriq in den Reihen P, E und S an. Die P-Reihe (Bild 1) mit Hochleistungs-Chip-Technologie sind speziell für eine sehr hohe Leuchtdichte aus kleiner Fläche entwickelt und lassen sich mit kleinen Reflektoren bestücken. So sind auch Bauteile möglich, die trotz winziger Abmessungen Spot-Eigenschaften aufweisen. Bei den Reihen E und S steht eine hohe Effizienz (lm/W) im Fokus. Sie können im System flächigeres Licht ausstrahlen und eignen sich für typische Downlight-Anwendungen.

Alle Soleriq-Produkte basieren auf einer Metallkern-Platine, auf der mehrere LED-Chips platziert und mit einem Silikonverguss umschlossen sind. Der Verguss enthält phosphoreszierende Materialien und lichtstreuende Partikel. Soleriq-LEDs lassen sich ohne SMT-Löten verarbeiten und benötigen zur Befestigung auf den Kühlkörper lediglich passende Klebematerialien, Schrauben oder vorgefertigte Halterungen, die verschiedene Zubehör-Anbieter bereits zur Verfügung stellen. Dennoch kann ein Entwickler das Anschlusskabel auch durch einfaches Handlöten mit der CoB-LED verbinden. Auf den Kühlkörper muss er sie in jedem Fall kleben oder schrauben. Am einfachsten gestaltet sich die elektrische Kontaktierung und mechanische Montage durch eine speziellen Halterung: Die Anschlusskabel muss man nur noch in die dafür vorgesehenen Klemmen stecken und fixieren. Dies reduziert auch mögliche Fehlerquellen.

Zhaga-konform

Um ein breites Portfolio an Zubehörteilen wie mechanische Halter und Optiken sicherzustellen, orientiert sich Osram bei allen Soleriq-Produktvarianten am herstellerübergreifenden Zhaga-Standard. Zhaga ist ein globales Konsortium von Unternehmen der internationalen Lichtindustrie, das eine Schnittstellenspezifikation definiert, die den Austausch von LED-Lichtquellen und Zubehör verschiedener Hersteller ermöglicht, ohne das Leuchtendesign zu ändern. Die LES-Durchmesser der Soleriq-Produkte entsprechen daher den Empfehlungen des Zhaga-Konsortiums.

Auf einen Blick

Chip-on-Board-LEDs brauchen kein Gehäuse: Sie finden direkt auf der Platine Platz und lassen sich daher sehr eng anordnen. Mit einem passenden Konverterguss entsteht eine homogene Leuchtfläche. Damit das alles klappt, braucht der Entwickler nicht nur passende Produkte wie die Soleriq-Serie von Osram, sondern auch entsprechendes Applikations-Know-how. Auch hier hilft der Hersteller weiter.

Gruppiert (Binning) werden die LED nach dem MacAdam-Prinzip unter typischen Betriebsbedingungen bei 85 °C und entsprechen MacAdam 3. Dies stellt eine sehr gute Farbkonsistenz sicher und führt zu identischen Farborten in allen Leuchten. Für die hohe Farbqualität steht ein Farbwiedergabeindex von mindestens 80 und typisch 85 für die S-Reihe beziehungsweise mindestens 90 und typisch 95 für die P-Reihe.

Homogen leuchtende Fläche

Das Licht muss nicht, wie bei Einzel-LEDs üblich, gemischt werden, um ein homogenes Lichtbild zu erreichen. Es tritt homogen und mit großer Helligkeit aus der LES eines einzelnen Bauteils aus. So entfällt auch die Entwicklung eines komplexen PCB-Layouts (Printed Circuit Board); eine zusätzliche Platine ist nicht erforderlich. Besonders Spot- und Downlights in der professionellen Beleuchtung profitieren von den Möglichkeiten, die das lichtstarke Einzelbauteil bietet. Lichtquelle und Leuchte lassen sich kompakt und flexibel gestalten. Mit verschiedenen Optiken erlauben sie eine einfache Anpassung an spezifische Anforderungen ganz unterschiedlicher Applikationen.

Soleriq P9 (Bild 1) ist speziell für eine einfache Systementwicklung konzipiert und hat nur eine Helligkeits- und Farbortgruppe. Verfügbar mit Farbtemperaturen von 2700 bis 4000 K ist diese LED bei 85 °C spezifiziert, also für typische Anwendungsbedingungen. Ihre lichtemittierende Fläche weist einen Durchmesser von 9 mm auf und eine Fläche von 64 mm2; sie strahlt mit 2000 lm bei einer Lichtausbeute von 100 lm/W (Nennstrom 700 mA, Ts 85 °C). So sind Systemdesigns mit sehr kleinen und leichten Optiken möglich, beispielsweise für kompakte Spotlights, die das Licht stark fokussieren und Produkte wirkungsvoll in Szene setzen können. Es genügt schon eine dieser CoB-LED, um eine traditionelle 35-W-HID-Lampe zu ersetzen (High Intensity Discharge, Gasentladungsröhre).

Bild 2a: Die Soleriq S 13...

Bild 2a: Die Soleriq S 13…Osram

Hoher Lichtstrom aus kleiner Fläche

Soleriq-S-Produkte (Bild 2a, b und c) mit 13,5 oder 19 mm LES zielen ebenfalls auf Anwendungen, die einen hohen Lichtstrom aus einer kompakten Fläche benötigen und sind in allen weißen Farbtemperaturen von 2700 bis 6500 K verfügbar. Ihre Stärken zeigen diese CoB-LEDs im Hotel- und Gastgewerbe ebenso wie in der Shop- und der gehobenen Wohnbeleuchtung. Sie lassen sich in speziell entwickelten LED-Leuchten einsetzen oder können als Retrofit Hochvolt-Halogenlampen ersetzen. Der typische Lichtstrom liegt bei 1625 lm (S13) beziehungsweise 3950 lm (S19), die Lichtausbeute beträgt 98 und 120 lm/W, jeweils bei einer Farbtemperatur von 4000 K und einem Nennstrom von 500 mA.

Bild 2b: ...eignet sich vor allem...

Bild 2b: …eignet sich vor allem…Osram

Die Produktreihe Soleriq E mit einer breiteren Abstrahlcharakteristik hat Osram speziell für Downlights entwickelt. Verfügbar sind zwei Varianten, die das gesamte Farbspektrum von 2700 bis 6500 K abdecken. Unter typischen Anwendungsbedingungen (85 °C) haben die LEDs eine Effizienz von 103 lm/W bei 4000 K. Dabei erreicht die größere Soleriq E 45 eine typische Helligkeit von 4000 lm (Nennstrom 880 mA), die kleinere Soleriq E 30 2700 lm (bei 600 mA). Weitere Soleriq-Varianten mit unterschiedlichen Lumenpaketen aus gleicher LES sollen folgen.

Schnelle Hilfe für geplante CoB-LED-Lichtlösungen

Bild 2c: ...für Lichtlösungen in Geschäften.

Bild 2c: …für Lichtlösungen in Geschäften.Osram

Generelle Hilfestellungen für die Entwicklung von CoB-Leuchten und -Lichtlösungen bietet Osram Opto Semiconductors über das Service-Portal PASS (Premium Application Support Services). Es umfasst technische Dienstleistungen wie Messungen, Simulationen und die Erstellung von Prototypen vor und während der gesamten Entwicklungsphase von Lichtlösungen und -produkten. Als Prototypen dienen Standard-Platinen, die mit den ausgewählten Produkten für die gewünschte Applikation bestückt werden. Auch ein maßgeschneidertes Layout inklusive Erstellung und Bestückung von Prototypen-Platinen nach der Spezifikation ist möglich.

Da die Lebensdauer der Lichtquellen immer auch von der jeweiligen Applikation und den Umgebungsbedingungen abhängt, stellt Osram auf Wunsch LM-80-/TM-21-Berichte bereit, die eine annähernd genaue Prognose der Lebensdauer zulassen und auch Voraussetzung für die Erlangung des Energy-Stars sind. Dabei erlauben interne Berechnungs- und Projektionsmodelle der LED für definierte Bedingungen – wie Vorwärtsstrom oder Temperatur – eine kundenspezifische Abschätzung für den über die Zeit zu erwartenden Lichtabfall.

Die Unterstützung bei der Simulation umfasst die Bereiche Thermik, Optik und Elektronik. So lässt sich in kurzer Zeit ein auf die jeweilige Anwendung zugeschnittenes Gesamtdesign entwickeln, ohne den sonst erforderlichen, aufwändigen mehrfachen Aufbau von Prototypen. Direkt am Prototyp lassen sich dann lichttechnische Messungen zur Designverifikation durchführen, zum Beispiel zur Bestimmung von Abstrahlcharakteristik, Lichtstrom und Lichtausbeute. Die für die Systemlebensdauer besonders wichtige thermische Auslegung des Gesamtsystems umfasst thermische Punkt- oder Flächenmessungen, um eventuelle Schwachstellen im Design frühzeitig aufzudecken. Eine elektrische Vermessung des Gesamtsystems – unabdingbar für die Designverifikation – rundet das Servicepaket ab.

Applikationsschriften für präzises Handling

Detaillierte Applikationsschriften stellen wichtige Informationen zum Handling, zur Montage, zu thermischen Fragen und zu empfehlenswertem Zubehör bereit. Die Empfehlungen beginnen bei der Entnahme der LED aus der Verpackung und reichen bis hin zur ESD-konformen Weiterverarbeitung. Enthalten sind Hinweise auf die für das jeweilige Produkt am besten geeignete Befestigung – Verkleben, Verschrauben oder die Kombination aus mechanischer Befestigung und elektrischer Kontaktierung mithilfe eines lötfreien Halters – ebenso wie die Rahmenbedingungen für Thermik und Optik. Empfehlungen für erforderliche Sekundäroptiken und elektrische Treiber ergänzen die Applikationshinweise. Zusätzliche Informationen sowie technische Hilfestellungen für den Konstantstrombetrieb der LED oder den Betrieb mit variablem Strom – erforderlich für das Dimmen – vervollständigen die Applikationsschriften.

Bild 3: Schematische Darstellung eines Downlights mit CoB-LED.

Bild 3: Schematische Darstellung eines Downlights mit CoB-LED.Osram

Weitere Unterstützung geben die verschiedenen Experten im Osram-Partnernetzwerk „LED Light for you“ (LLFY), ein globales Netzwerk, das Unterstützung für LED-Lösungen in der Allgemeinbeleuchtung bietet. Nach Eingabe der geplanten Anwendung, beispielsweise Downlights (Bild 3) für die Shopbeleuchtung, zeigt das Netzwerk umgehend eine Auswahl geeigneter Osram-LEDs sowie passende Optiken verschiedener Partner an. Es stellt außerdem den Kontakt zu Experten für optische, thermische und elektronische Lösungen als auch zu Systemintegratoren für LED-Gesamtlösungen her. Am Netzwerk teilnehmende Firmen müssen einen strengen Zertifizierungsprozess durchlaufen, bevor sie sich selbst zertifizierter Partner nennen dürfen.