Lighting-Lösungen mit LEDs entwickeln Leuchtendesign in Lichtgeschwindigkeit

LEDs ermöglichen innovative Leuchtendesigns, für deren Entwicklung ist jedoch über die Leuchtdioden hinaus viel Know-how in Bezug auf Ansteuerung, Optik und Wärmemanagement nötig. Wer hier auf technische Unterstützung von Elektronikspezialisten baut, kommt schneller mit konkurrenzfähigen LED-Lighting-Lösungen auf den Markt.

Lichtarchitekten haben schon lange strahlende, kreative Ideen, doch in der Vergangenheit überschatteten häufig technische Schwierigkeiten oder wirtschaftliche Zwänge deren Umsetzung und sorgten so für Fehlschläge. Mit LEDs haben Lichtdesigner heute ganz neue Freiheiten und können eine völlig neue Welt der Beleuchtung erschaffen.

Durch ihren deutlich geringeren Energieverbrauch bieten LEDs mit 15% bis 25% Ausbeute sichtbaren Lichts eine viel effizientere Beleuchtung als konventionelle Lichtquellen (8% Ausbeute), dazu kommt eine Betriebsdauer von bis zu 100 000 Stunden, während Glühlampen maximal 1500 Stunden brennen. Darüber hinaus sind LEDs sehr klein, robust im Bezug auf thermische beziehungsweise mechanische Schocks und sie lassen sich beliebig ein- und ausschalten, ohne die Lebensdauer zu beinträchtigen.

Weil LEDs fast punktförmige Lichtquellen darstellen, erlauben sie ganz neue Designkonzepte mit gerichtetem Licht. Ein viel versprechender Markt tut sich auf, kein Wunder also, dass viele Unternehmen einzelne Komponenten für die LED-Beleuchtung anbieten. Allerdings gilt es, bei der Entwicklung über die Komponenten hinaus alle Aspekte der vollständigen Beleuchtungslösung zu beachten, von den optischen über die thermischen bis zu elektronischen Anforderungen wie LED-spezifische Treiber oder Steuerungsschaltungen.

Während gebrauchsfertige LED-Lichtsysteme von jedem erfahrenen Elektroinstallateur zusammengebaut werden können, benötigen Entwickler und Hersteller von LED-Beleuchtungen die technische Unterstützung von Elektronikspezialisten. Neben der entsprechenden Erfahrung müssen die richtigen Partner das optimale Produktportfolio vorweisen können.

Gebündeltes Know-how

EBV Elektronik hat das enorme Potenzial von LEDs in der Beleuchtungstechnik früh erkannt und mit dem »LightSpeed«-Team ein spezielles, europaweites Lighting-Kompetenzteam ausschließlich für den Einsatz von LED-Technik in Beleuchtungsanwendungen aufgebaut. Die Experten in diesem Team unterstützen Entwickler mit
dem nötigen Elektronik- und System-Know-how.

EBV Elektronik berät Beleuchtungshersteller, die auf der Suche nach einem externen Partner sind, wie zum Beispiel einem Ingenieurbüro, um die Steuerungselektronik für ein LED-Beleuchtungssystem zu entwickeln. EBV selbst bietet die »nackten« LEDs und andere elektronische Bauelemente, während sich die Systemintegratoren in EBVs Partnernetzwerk um die relevante Wertschöpfung kümmern.

Mit 41 Jahren Elektronik-Expertise und einem Jahresumsatz von etwa 1,5 Mrd. Euro kennt EBV den Markt in- und auswendig. Darüber hinaus hat das Unternehmen laut DMASS (Distributors and Manufacturers Association of Semiconductor Specialists) in der europäischen Halbleiterdistribution den größten Marktanteil bezüglich der Optoelektronik. EBVs LightSpeed-Team nutzt diesen Vorsprung für die Realisierung innovativer Beleuchtungslösungen. Das wesentliche Element in allgemeinen Beleuchtungsanwendungen sind die LED-Lichtquellen.

LEDs stehen für eine enorme Bandbreite, sie sind in verschiedenen Gehäusegrößen verfügbar, in verschiedenen Helligkeitsstufen und in allen gesättigten Farben inklusive verschiedener Weißtöne als auch Kombinationen wie RGB und RGBW (Red, Green, Blue, White). EBV kann LEDs von Avago Technologies, Everlight, Luminus Devices, Osram Opto Semiconductor, Toshiba und Vishay liefern. So hat Osram Opto Semiconductor beispielsweise jüngst unter dem Namen »OSLON SSL« eine sehr kompakte Hochstrom-LED mit zwei verschiedenen Abstrahlwinkeln vorgestellt. Laut Angaben des Herstellers handelt es sich um die kleinste Lighting-LED hoher Leistung in einem 1-W-Gehäuse auf dem Markt. Mit ihrem nur 3 mm x 3 mm großen Footprint lassen sich hochdichte LED-Arrays aufbauen, was das Mischen von Farben erleichtert.

Auch der niedrige thermische Widerstand von typisch 7 K/W erlaubt eine hohe Packungsdichte. Die Variante mit 80° Abstrahlungswinkel eignet sich besonders für die effiziente Einkopplung in Sekundäroptiken oder für die gerichtete Beleuchtung ohne weitere Optik, zum Beispiel in Spot-Leuchten (Bild 1).

Im Zusammenspiel mit Reflektoren verschiedenster Form spielt die 150°-Variante ihre Stärken aus (siehe großes Bild). Durch die breitere Verteilung des Lichts wird es einfacher, die Farbe von LED-Clustern zu mischen.

Die besonders flache Form der Linse vermeidet interne Abschattungseffekte in engen LED-Clustern. Neben mehreren Weißtönen von Warmweiß (2700 K) bis Kaltweiß (6500 K) sind viele weitere Farben verfügbar, serienmäßig zwei Blau- und zwei Rottöne, zudem Grün, Gelb und Amber. Exklusiv im EBV-Portfolio sind die LED-Lösungen des US-amerikanischen Herstellers Luminus verfügbar.

Dessen Punktstrahler erzeugen einen Lichtstrom von bis zu 6000 lm. Grundlage hierfür ist eine »Photonic Lattice« (kurz »Phlat-Light«) genannte Technik, die einen echten Oberflächenstrahler ermöglicht, der seinen Lichtstrom homogen über die gesamte Oberfläche von 9 mm2 abstrahlt. Trotz dieser deutlich vergrößerten Emitterfläche trägt der LED-Chip eine Stromdichte von 350 mA/mm2 .

So ergibt sich dank einer Lichtausbeute von 100 lm/W und mehr bei einem Betriebsstrom von 3,15 A und einer Flussspannung von typisch 3,2 V ein Lichtstrom von 900 lm pro Chip.

Um den Lichtstrom weiter zu steigern, schaltet Luminus beim Typ »CSM-360« (Bild 2) in einem Gehäuse vier solcher Chips in Reihe, die rund 40 W elektrische Leistung aufnehmen und 3600 lm abstrahlen.

Laut den EBV-Experten lässt sich die Stromdichte aber noch auf bis zu 700 mA/mm2 steigern, ohne dass die LED Schaden nimmt.

Damit lässt sich im realen Betrieb ein Gesamt-Lichtstrom von bis zu 6000 lm erreichen. Diese »Quad-LED« sitzt in einem »Chip-on-Board«-Aufbau auf einer Kupferplatte mit 36 mm Kantenlänge.

Das Gesamtpaket steckt wiederum in einem Gehäuse mit einer Linse, die rund 90% des Lichtstroms in einem Lichtkegel mit einem Winkel von ±30° führt.

Neben den Weißlicht-LEDs gibt es mit dem Typ »CBM-380« auch eine RGBW-Variante, die mit je einer Rot-, Grün-, Blau- und Weißlicht-LED bestückt ist (Bild 3).

Einzelausführungen sind ebenfalls verfügbar, in LED-Bausteinen der Serie »SST-90« sitzt pro Package nur ein einzelner LED-Chip (Bild 4).

Diese High-Power-LED leistet bei einem Betriebsstrom von 3,15 A einen Lichtstrom von maximal 1000 lm.

Weil der Baustein eine Stromtragfähigkeit von maximal 9 A bietet, sind Lichtströme bis 2250 lm bei +25 °C Sperrschichttemperatur möglich.

Auch wenn dieser Wert unter normalen Betriebsbedingungen nicht zu erreichen ist, sinkt der Lichtstrom bei +75 °C nur um rund 10% ab und sogar bei +125 °C verbleiben noch 80% des Nennwertes.

Mit einem Wärmewiderstand von nur 0,64 K/W zwischen Sperrschicht und Gehäuse bieten die Bausteine sehr gute Voraussetzungen für eine effektive Kühlung.

Wesentlich für einen homogenen Gesamteindruck auch umfangreicher LED-Beleuchtungslösungen ist die sorgfältige Selektion der einzelnen Bauelemente bezüglich ihrer Produktionsparameter.

Nach ihrer Herstellung erfolgt das »Binning« der LEDs in den drei Kategorien Lichtstärke, Lichtfarbe und Vorwärtsspannung.

Für Leuchtenhersteller ist sehr wichtig, dass die verbauten LEDs in allen drei Werten einheitlich sind, um über die Lebensdauer der Leuchte eine in jeder Hinsicht gleichmäßige Ausleuchtung zu erhalten

EBV sortiert LEDs nach allen drei Variablen und kann den Kunden in vielen Fällen spezielle Selektionen anbieten.

Passende Elektronik und Optik

Für die Ansteuerungsschaltung sind je nach Höhe und Stabilität der Eingangsspannung sowie der Zahl der zu treibenden LEDs Schaltregler auszuwählen, die nach dem Buck-, Boost-, Buck/Boost- oder SEPIC-Prinzip arbeiten. Hier, bei den Treiber-ICs, kann EBV das bestehende Halbleiternetzwerk nutzen und dadurch eng mit Herstellern wie Fairchild, Infineon, National Semiconductor, NXP, ON Semiconductor, STMicroelectronics und Texas Instruments zusammenarbeiten.

Aus deren breitem Portfolio wählen die EBV-Experten die passende Lösung für das jeweilige Projekt aus. In Verbindung mit optischen Linsen ermöglichen LEDs neue Freiheitsgrade im Bezug auf optisches und mechanisches Design. Hier liefern die Unternehmen Carclo, Fraen und Ledil optische Elemente wie Linsen, Reflektoren oder Diffusoren für die meisten der LEDs im EBV-Lieferprogramm.