Lighting Solid State Lighting - Phase 2: Sich von der Masse abzuheben, ist entscheidend

Die LED-Nutzung in Lighting-Anwendungen hat einen Umfang erreicht, in dem das »Ob« keine Option mehr ist, sondern allein das »Wie« den Markterfolg eines Beleuchtungssytems bestimmt.

Der Übergang von elektrischen Lösungen zur Elektronik und Solid State Lighting brachte diverse Herausforderungen für die Branche, die lange Zeit ihre Prozesse und Produkte optimiert hat, um das umzusetzen, was wir heute im Vergleich zu Halbleitern »traditionelle« Materialien nennen. Um nur einige Beispiele zu nennen: Die Lieferketten mussten an die typischen Zyklen der Wafer-Produktion angepasst werden, und die homogene Lichtemission ist von der LED-Produktionsausbeute abhängig. Die Fertigung von LED-Light-Engine-Karten muss behutsame Lötprozesse durchlaufen, und im Leuchtendesign mussten Lösungen für eine sorgfältige Hitzedämmung gefunden werden.

Dies führte zu einer Vermischung der Hersteller traditioneller und elektronischer Beleuchtungssysteme, wobei die einen von den anderen lernten, um den Weg zu finden, der für jede Technologie angestrebt wird, von der ersten Anwendung bis zur Marktakzeptanz, begünstigt von der abrupten und konstanten Preissenkung bei den LEDs.

Wenn wir annehmen, dass wir uns jetzt in Phase 2 des SSL-Marktes befinden, bestehen die neuen Herausforderungen für Hersteller darin, sich von der Masse, die der LED-Revolution folgt, abzuheben, und zwar durch die Erweiterung um neue Features und Energiesparmöglichkeiten bei den Leuchten. Wir von Arrow haben das Privileg, eine große Zahl von Kunden und Lieferanten dieser Branche zu unterstützen, und das gibt uns die Möglichkeit, die Tendenzen im Lighting abzubilden und daraus zu schließen, in welche Richtung sich die Dinge in den kommenden fünf Jahren wahrscheinlich entwickeln werden.

Beginnen wir mit dem, was für einige eine schwere Übung darstellte: die Fertigung von High-Power-LED-Systemen (>0,5 W). Eine LED kann grob als analoge Komponente beschrieben werden, in dem Sinne, dass die Lichteffizienz und die Lebensdauer des Systems von Spannungs- und Stromabweichungen sowie Temperaturschwankungen beeinflusst werden. Da die Primäroptiken in der Regel aus Silikon bestehen, sind LEDs aufgrund der Porosität dieses Materials außerdem sehr empfindlich gegen Gase aus Klebern, Lötpasten, PCB-Materialien usw., die während des Fertigungsprozesses chemisch freigesetzt und durch das Silikon in die Komponenten eindringen können. Daher ist das Löten einer LED mitunter eine Herausforderung.

Die Chip-On-Board-Technologie, bei der eine Kombination von LED-Chips auf einer Keramikplatte montiert wird, machte das Löten überflüssig, da diese COBs manuell mit Hilfe von Halterungen, Haftfolien oder Schrauben an einem wärmeableitenden Körper befestigt werden, womit man praktisch dahin zurückkehrt, was die Beleuchtungsindustrie über Jahre praktiziert hat, nämlich zu einem komplett mechanischen Montageprozess. COBs werden natürlich vorwiegend für gerichtete Innenbeleuchtungen verwendet, es gibt aber auch Fälle, in denen sie aufgrund der zuvor genannten Eigenschaften für Außenleuchten zum Einsatz gelangen. Den eigentlichen Unterschied macht die sekundäre Optik des Systems; eine interessante Kombination ist zum Beispiel die eines Cree CXA25xx COBs mit Silikonlinsen STELLA von LEDIL. Dies ist ebenfalls eine neue Tendenz in Abweichung von PC- oder PMMA-Linsen, da Silikon beständiger gegen unerwünschte UV-Effekte ist. Damit werden Gelbstiche in höheren Temperaturbereichen vermieden (Silikon ist bis 150 °C temperaturbeständig), und gleichzeitig wird der Eingangsschutz erhöht. Die Materialkosten sind in der Regel höher, wobei die Vorteile der Systemkosten im Vergleich zum Einsatz von PC- oder PMMA-Linsen dies jedoch wieder ausgleichen und übertreffen können.

Werden COBs also alle einzelnen High-Power-LEDs ersetzen? Nicht wirklich, denn bei einer Technologie, die 300 Lumen pro Watt überschreitet, wie jüngst von Cree angekündigt, verlagert sich die Priorität von der Durchflussmenge der Lichtquelle hin zu der Frage: Wohin mit all dem verfügbaren Licht einer LED? – in gewissem Sinne also von Lumen zu Lux. Zu diesem Zweck hat Cree eine interessante Metrik entwickelt: den Optical Control Factor (OCF), der das Verhältnis der Lumenzahl und der skalierten Fläche (in mm²) einer Lichtquelle ausdrückt. Diese skalierte Fläche ist für den COB die Lichtemissionsfläche (Light Emitting Surface - LES) und für eine Gruppe einzelner LEDs die Montagefläche sowie der Abstand zwischen den LEDs. So führt die Erhöhung der Dichte an der Lichtquelle (d.h. Erhöhung des OCF) zu einer höheren Lux-Leistung, indem die Größe der LEDs verringert und gleichzeitig die Lumen-Ausgabe beibehalten oder sogar gesteigert wird. Die Wahl von COBs oder einzelnen LEDs hängt somit von Faktoren wie der automatisierten oder manuellen Montage, der optischen Effizienz, der Bestimmung für gerichtetes oder ungerichtetes Licht sowie der erforderlichen Flexibilität ab.

Ein weiterer interessanter Trend ist der Umstieg von High-Power-LEDs (>0,5 W) auf Mid-Power-LEDs (<0,5 W). Der Hauptgrund hierfür ist die Tatsache, dass der Preis für Mid-Power-LEDs im Durchschnitt 1/6 bis 1/8 des Preises für High-Power-LEDs beträgt. Selbstverständlich benötigen Sie in diesem Fall eine größere Anzahl Mid-Power-LEDs, um die gleiche Lumen-Leistung zu erzielen. Betrachten wir zum Beispiel eine High-Bay-Leuchte, für die in der Regel mehr als 10.000 Lumen benötigt werden. Im Verhältnis benötigt eine traditionelle Metalldampflampe mehr Lumen als eine LED-Lampe, um eine vergleichbare Lichtintensität zu erreichen.

Betrachten wir den Aspekt nun aus einer anderen Perspektive: Um eine Lichtausbeute von 10.000 Lumen zu erzielen, könnten wir Mid-Power-LEDs verwenden, die generell bei 150 mA arbeiten. Die erwartete Effizienz eines hochwertigen europäischen Produkts beträgt mindestens 100 lm/W (Light Engine oder System, je nach Optik und den zu verwendenden Treibern). Wenn wir davon ausgehen, dass LEDs neuerer Mid-Power-Generationen wie »Osram Duris S5« (mit hervorragender Kompatibilität der sekundären Optik) oder »Samsung LM351A« (mit typischer Stromstärke von 250 mA) zum Einsatz gelangen, kann die Lumen-Leistung mit rund 300 LEDs erreicht werden.

Der Entwickler muss ferner berücksichtigen, welche elektrische Sicherheit benötigt wird (Safety Extra Low Voltage, non-SELV …), um die Systemspannung zu schätzen und auf dieser Grundlage die Anzahl der LED-Strings zu berechnen. Dabei ist abzuwägen: Je mehr Strings er verwendet, desto besser muss die Spannung der einzelnen Strings passen, aber bei Einsatz von Vf-Binning und einer sorgfältigen Überwachung der Stromschwankungen, die sich auf die Durchlassspannung auswirken, sollte es vermeidbar sein, jeden einzelnen String mit einem Driver-IC auszustatten. Ein weiterer interessanter Aspekt dieses Ansatzes ist das Wärmemanagement, das bei der Herstellung einer zuverlässigen Leuchte eine Schlüsselrolle spielt. Bei Einsatz von Mid-Power-LEDs wird die Wärme über eine größere Fläche mit kleineren Wärmequellen verteilt, anstatt sie auf wenige Spots zu konzentrieren (wie bei High Power-LEDs). Um die Entwicklung von der Kalkulation bis zum Prototyp zu beschleunigen und alle vorstehend genannten Entscheidungen schnell zu treffen, sollte der Entwickler ein webgestütztes Tool wie den »Arrow Lighting Designer« verwenden. Hier kann er berechnen, wie viele LEDs er benötigt, einen Treiber planen, eine Kühlung entwerfen und auf der Grundlage der getroffenen Auswahl den dadurch verursachten Wärmefluss simulieren.

Bei all diesen Ausführungen ist aber noch nicht berücksichtigt, was in der Branche allgemein als »Smart Lighting« bezeichnet wird. Das ist die Möglichkeit, dank halbleitergesteuertem Licht Beleuchtung remote zu bedienen und die Form, die Art und das Ein- bzw. Ausschalten zu steuern. Verkabelte oder kabellose Steuerungen zum Ändern der Lichtfarben und zum Einschalten der Beleuchtung, wenn und wo sie benötigt wird, sind ein Trend, dem alle Beleuchtungshersteller folgen. Das heißt, elektronische Steuerungen sind eine Funktion, deren Integration in Beleuchtungsanlagen unvermeidbar ist. Und wie bei jedem Steuersystem wird sich die Mehrzahl der Hersteller auf einen bestimmten Standard einigen, nämlich den besten, der die Kompatibilität der Beleuchtungssysteme gewährleistet.

Jetzt, wo die LED-Technologie ausgereift genug ist, um sich in allen mit Licht zusammenhängenden Anwendungen zu verbreiten, ist zu beobachten, dass Hersteller dank der raschen Weiterentwicklung der LED-Technologie nun auch Tendenzen auf dem Solid-State-Lighting-Markt erkunden, mit dem Schwerpunkt auf Differenzierung und Kostensenkung. LED Lighting ist also weit mehr als der mechanische Ersatz bestehender Lichtquellen, und die Elektronikhersteller auf dem Technologiemarkt werden dazu beitragen, dass sich die Welt der Elektrik in eine Welt der Elektronik verwandelt, mit zunehmend höherer Energieeinsparung, immer gesünderem und angenehmerem Licht und, nicht zu vergessen, mit der Verschönerung der Umgebungen, in denen wir alle leben.

Stephane Rosa ist Lighting Director bei Arrow EMEA.