Elektronik, Optik, Wärmemanagement ... LED-Starthilfe für Leuchten-Designer

Sebastian Hülck, EBV Elektronik
Sebastian Hülck, EBV Elektronik

Wer LED-Leuchten entwirft, muss sich mit vielschichtigen technischen Anforderungen auseinandersetzen. Worauf es ankommt und wie der richtige Partner bei der Umsetzung unterstützt, schildert der folgende Beitrag.

Beim Umstieg von konventionellen Leuchten auf Solid State Lighting brauchen Leuchten-Designer neben der lichttechnischen Kompetenz auch Know-how in den Bereichen Elektronik, thermisches Design und LED-Optiken bzw. -Reflektoren. Mit dem richtigen Partner, der sowohl die Entwicklungsunterstützung in diesen drei Bereichen liefert als auch in anderen Fragen rund um das elektronische System berät, können Leuchtenhersteller die LED-Technologie in ihren Produkten einsetzen – auch dann, wenn sie bisher noch keinerlei Erfahrung im Elektronikbereich haben.

Trotzdem gibt es noch immer Unsicherheiten bei Themen wie der Einteilung in Schüttgutgruppen/Farbortklassen, dem „Binning“, der Auswahl der richtigen Bauteile und deren 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.

Deshalb bietet EBV Elektronik den Leuchtenherstellern intensive Unterstützung rund um LED-Designs: vom Design der Elektronik, der Optik und Kühlung bis hin zur Überführung von der Entwicklung in die Produktion. Hierfür hat EBV im Rahmen der Vertikalen Segmente ein eigenes Technologiesegment „EBV Lightspeed“ geschaffen – dieses dedizierte Team hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Marktsegmente Allgemeinbeleuchtung, aber auch Automotive, Healthcare und Consumer mit Systemlösungen zu bedienen. 

Im Rahmen dessen bietet EBV entwicklungsnahe Dienstleistungen, fachspezifische Publikationen, Technologiedemonstratoren, die EBV Lighting Academy und insbesondere komplette, bausteinbasierte Systemlösungen an. 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 – EBV fungiert hier also als „One-Stop-Shop.“

Elektronisches Design

Weil es in der Realität keine absolut konstanten Spannungsquellen gibt, Dioden einer Exemplarstreuung der Vorwärtsspannung unterliegen und ein gleichmäßiger Lichtstrom gewährleistet werden soll, werden LEDs mit Konstantstromtreibern versorgt. Diese ECGs müssen Sicherheitsnormen und Richtlinien wie EN 61347-1, EN 61347-2-13, EN 55015, EN 61547, EN 61000-3-2, EN 62384 entsprechen, Prüfzeichen wie ENEC / VDE / EMC / EL / CE aufweisen, Gegentakt- und Gleichtaktstörungen vermeiden etc. Für die Entwicklung eines serienproduzierbaren, EMV-gerechten Schaltnetzteils kann 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, wie sie z.B. von HEC, Lumotech und Osram angeboten werden. Diese Firmen liefern meist 350 mA, 700 mA , 1050 mA oder andere Vielfache von 350 mA, bei einer Gesamtleistungsaufnahme von typ. 3 bis 200 W, je nach Anwendungsfall. 

Sind spezielle Features gefragt, z.B. optional Phasenan- und abschnitts-,1..10V- und DALI-Dimming in einem Gerät, besondere Formfaktoren oder höchste Effizienz, minimale Stromrestwelligkeit, kleine Leerlaufleistung etc., dann kann EBV in Zusammenhang mit seinen Anbietern von Schaltregler-ICs echte Turnkey Solutions entwickeln. Je nach Wattage und Zielvorgaben können Buck-, Boost-, Flyback- oder Resonanzkonverterdesigns z.B. für Deckeneinbauleuchten und Langfeldleuchten im Indoor-Bereich oder Straßenleuchten und Flutlichter im Outdoor-Bereich realisiert werden. Diese Entwicklungen in Form von ICT-Daten dienen dann EMS-Partnern der Kunden als Vorlage zur Serienfertigung. Zwar muss der Produzent die fertigen Produkte nochmals testen, hat aber eine sehr große Wahrscheinlichkeit, die Tests zu bestehen und die neueste Technologie einzusetzen (z.B. digitale SMPS-Designs auf Microcontrollerbasis). Die Elektronik-Design-Services beziehen sich auch auf die Entwicklung kundenspezifischer LED-Module wie z.B. farbtemperaturveränderliche Varianten oder auch mit AC-Schaltkreisen ausgestattete Module  in Zusammenhang mit Partnern der EBV.

Optisches Design und Lichtmessungen

Zur punktuellen und diffusen Abstrahlung des Lichts werden Diffusionslinsen, Reflektoren, Kollimatoren, Hybridlinsen sowie weitere lichtleitende und -lenkende Elemente verwendet. Bei der TIR-Linse (Total Internal Reflection) wird ein Reflektor in Kombination mit einer Linse verwendet. Aufgrund seiner optischen Eigenschaften bestehen Linsen i.d.R. aus PMMA, das eine hohe UV-Verträglichkeit und Transmission aufweist und weniger kratzempfindlich ist, oder aus PC (Polycarbonat), das schlagzäh ist und eine hohe Wärmeformbeständigkeit hat. In jüngster Zeit wird auch immer mehr Silikon verwendet, das eine besonders hohe Alterungsstabilität speziell bei rauen Umgebungsparametern bietet. 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 über ein Photogoniometer und ein Spektrometer, mit denen die üblichen photometrischen Messungen von diskreten Bauelementen bis hin zu fertigen Leuchten für Kunden durchgeführt werden können. Dies macht z.B. Sinn, um den wahren Lichtstrom und die wahre Lichtstärke von LEDs zu erfassen und diese mit den im Datenblatt angegebenen Werten zu vergleichen. Ferner werden die Lichtverteilungskurven, spektrale Verteilung incl. Farbwiedergabeindex, Angabe des Farbortes im CIE(1931)-Farbraum etc. ganzer Leuchten vermessen. Um das Angebot zu vervollständigen, werden Lichtplanungen auf der Basis von Software wie z.B. Dialux angeboten, auch um Prototypendesigns von Leuchten zu validieren. Im Lichtlabor werden dazu sog. EULUMDAT- oder IES-Files erzeugt und Lichtstärkeverteilungen untersucht, um zu verifizieren, ob mit diesen Leuchten bei vorgegebener Raumgeometrie bestimmte Beleuchtungsaufgaben gelöst werden können, etc. Auch bei diesen Simulationen unterstützt EBV die Leuchtendesigner.