Chip-on-Board LED Lichtquelle für gerichtete Hochleistungs-Anwendungen

COB LEDs weisen in der Summe ideale Eigenschaften wie eine sehr homogene Strahlqualität, hohen Farbwiedergabeindex, einfachste Montage, exzellente thermische Eigenschaften und hohe Lebensdauer auf. Zusammen mit standardisierten Haltern sowie passenden Wärmesenken und Reflektoren sind sie für gerichtete Anwendungen wie LED-Strahler und Deckenlichter prädestiniert.

Gerichtete und dekorative Lichtanwendungen benötigen zur Aufrechterhaltung einer angenehmen und gleichmäßigen Lichtumgebung eine Lichtquelle, die unterschiedlichste Kriterien erfüllen muss: kompakte Abmessungen, hohen Wirkungsgrad, ausreichenden Lichtstrom, hohen Farbwiedergabeindex (CRI-Wert), hohe Farbhomogenität und Farbortkonsistenz, lange Lebensdauer, einfache Implementierung in die Anwendung und einen für den Anwender bzw. Endverbraucher akzeptablen Preis.Den Lampen- und Leuchtmittelherstellern stehen dafür unterschiedliche Varianten von LEDs zur Verfügung. Lange dominierten diskrete Standardbauelemente wie Hochleistungs-LEDs oder alternativ kostengünstigere LEDs im PLCC-Gehäuse im kleinen und mittleren Leistungsbereich. Inzwischen sind jedoch Chip-on-Board LEDs am Markt erfolgreich, die die Anforderungen dieses Anwendungssegments bedienen und dessen Design- und Performance-Probleme gezielt angehen.

Typische Anwendungen sind hauptsächlich Lichtstrahler, runde Deckenleuchten, Retrofits wie MR16, GU10 und PAR-Lampen sowie dekorative Lampen wie z.B. Kerzenlichter.

Aufbau von COB LEDs

Chip-on-Board LEDs, die COBs, bestehen im Gegensatz zu den SMD-LEDs mit einem einzelnen oder maximal zwei LED-Chips aus einer Multichip-Anordnung, bei der viele einzelne Low-Power LED Chips in Serie und parallel geschaltet sind (Bild 1). Darüber hinaus entfällt insbesondere das bei SMD-LEDs übliche PLCC-Gehäuse. Daraus ergeben sich ein vergleichsweise geringer thermischer Widerstand und eine hohe Effizienz.

 

 

 

Typische Spezifikationen

In Tabelle 1 sind typische Spezifikationen von etablierten High-Power LEDs im Leistungsbereich von 4 bis 15 W sowie Mid-Power LEDs den Leistungsdaten der COBs gegenübergestellt. So zeichnen sich COBs insbesondere durch ihre wesentlich höheren Lichtströme, durch entsprechend höhere elektrische Betriebsparameter sowie durch ihre größeren Emissionsflächen (Aperturen) und Abmessungen aus.

 

LED-Typ

 

Leistung

 

typ.

Lichtstrom

 

Vorwärtsspannung

 

Vorwärts-

strom

 

min.

CRI

 

Apertur

 

Abmessungen

 
COB LED 15 W 1650 lm 27,0 bis 33,0 V 500 mA 80 16,0 bis 16,9 mm

 20 × 24 mm²

  10 W 1110 lm 16,0 bis 20,0 V 550 mA 80 10,0 bis 10,9 mm

 12 × 15 mm²

  7 W 730 lm 11,0 bis 14,0 V 550 mA 80 9,0 bis 9,9 mm

 12 × 15 mm²

  4 W 350 lm 8,0 bis 11,0 V 550 mA 80 5,0 bis 5,9 mm

 12 × 15 mm²

 High-Power LED 1 W 80 lm 2,8 bis 3,5 V 350 mA 80 Ø 3,0 mm, Linse

 3,5 × 3,5 mm²

 Mid-Power LED 0,5 W 50 lm 2,8 bis 3,5 V 150 mA 80 5,0 × 2,5 mm²

 5,6 × 3,0 mm²

Tabelle 1. Typische Spezifikationen von COBs im Leistungsbereich vom 4 bis 15 W von etablierten High-Power LEDs sowie Mid-Power LEDs.

Optische Eigenschaften

Diskrete LED-Komponenten, die auf einem gemeinsamen MC-PCB montiert sind, erzeugen keine homogene Emission, sondern optische Hot Spots, wie dies am Ringmuster in Bild 2 erkennbar ist. Diese Inhomogenitäten können durch Diffusoren ausgeglichen werden; hier müssen nicht unerhebliche Lichtstromverluste in Kauf genommen werden. Dagegen weisen COBs eine nach außen hin singuläre Emissionsfläche auf und gewährleisten eine homogene ­Intensitätsverteilung ohne optische Hot Spots. Sie erlauben so eine wesentlich einfachere Auslegung des optischen Designs.
Darüber hinaus eignen sich diskrete LEDs, die auf einem MC-PCB montiert sind, aufgrund der größeren resul­tierenden Emissionsfläche nicht zur Einkopplung in kleine Aperturen. So wird ein Teil der Strahlung durch die Apertur abgeschattet und geht damit für die Anwendung verloren. COBs lassen sich bei Abstimmung der Apertur optimal mit sekundären Optiken kombinieren.

 

Thermische Eigenschaften

Die üblichen Standard-LEDs im PLCC-Gehäuse weisen einen vergleichsweise hohen thermischen Widerstand auf, der zwischen 20 und 200 K/W liegen kann. Bei High Power LEDs auf Keramiksub­strat beträgt dieser zwischen 6 und 12 K/W. Für einen realen Aufbau (Bild 3) berechnet sich der thermische Gesamtwiderstand Rth j-h als Summe der thermischen Einzelwiderstände Rth j-s (thermischer Widerstand LED-Gehäuse), Rth s-b (therm. Widerstand MC-PCB) und ­Rth b-h. Die Tem-peraturdifferenz ∆Tj-h zwischen der Sperrschicht der LED und dem Kühlkörper ist dann entsprechend proportional zum thermischen Ge-samtwiderstand und der Eingangsleistung PD:

∆Tj-h = Rth j-h ∙ PD


Bei COBs beträgt Rht j-h dagegen ca. 2 K/W. Hier wird das Chip-Ensemble ohne Umweg über ein Gehäuse direkt auf das Board aufgebracht (Bild 4). Der insbesondere bei PLCC-LEDs durch das Gehäuse verursachte hohe, thermische Widerstand entfällt.
Dadurch wird der thermische Widerstand des Gesamt-Ensembles erheblich reduziert. Hieraus resultiert eine geringere Chip-Temperatur Tj, die wiederum eine höhere Lebensdauer der COB LED gewährleistet.

Typische Anwendungen

COBs werden insbesondere in Applikationen eingesetzt, die eine einzelne LED-Lichtquelle erfordern (Tabelle 2). So liegt der Fokus auf Retrofits, Lichtstrahlern, Deckenlichtern und zum Teil auf Candelabras, die auf einem COB statt Standard-LEDs basieren.
Bei omnidirektionalen Anwendungen im Lampenbereich (z.B. A60 Bulbs) ist insbesondere der Vorteil der Strahl­homogenität nicht relevant, weil durch die hierfür eingesetzten Diffusoren das Licht von Multi-LED-Anordnungen ausreichend gleichmäßig gestreut wird. Stattdessen dominieren MC-PBCs entweder mit Hochleistungs-LEDs oder PLCC LEDs, mit denen sich die Licht­anforderungen kostengünstiger realisieren lassen.

 

 

 

 

 

Applikation

Produkt

Anteil COB

COB-Leistung

 direktional

 Lichtstrahler („Spot Lights“)

 40 % 4 bis 15 W
  Deckenlichter („Downlights“) 25 % 4 bis 15 W
  Retrofits (GU,MR, PAR) 15 % 7 bis 10 W
 dekorativ

 Kerzenlichter “Candelabras“)

 20 %

 3 bis 7 W
 omnidirektional Bulbs (z.B. A60) gering 10 bis 15 W
    
Tabelle 2. COB LEDs werden heute insbesondere als Leuchtmittel für sogenannte Spot Lights verwendet.

Aufbau eines Lichtstrahlers

Als Beispiel einer gerichteten Applika­tion soll der typische Aufbau eines COB-­basierten Lichtstrahlers vorgestellt werden. Hier wurde das COB in einen zu Zhaga Book 3 kompatiblen Halter montiert, der neben der mechanischen Aufnahme auch den elektrischen Anschluss gewährleistet.Die Rückseite des COB wird thermisch über einen wärmeleitfähigen Kleber oder über eine Wärmeleitfolie an eine Wärmesenke angekoppelt, die wiederum für die Abführung der Verlustleistung verantwortlich ist. Der vom COB emittierte Lichtstrom wird durch einen Reflektor gebündelt, dessen Apertur an den Durchmesser des COB angepasst ist (Bild 5).