Elektronik, Optik, Wärmemanagement ...
LED-Starthilfe für Leuchten-Designer
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Thermisches Design und Lebensdauer
Zusätzlich zum elektronischen und optischen Design spielt das thermische Design eine entscheidende Rolle, denn nur wenn die Halbleiterbauelemente richtig entwärmt werden, ist auch im Langzeitbetrieb ein möglichst langer Lichtstromerhalt gewährleistet. Als Lebensdauer (Degradation des Lichtstroms) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der der Lichtstrom im Mittel auf i.d.R. 70% des Anfangwertes abgesunken ist, das ist die Bemessungslebensdauer Lx, hier L70. Die Wahrscheinlichkeit, dass y Prozent der LED-Leuchten am definierten Lebensdauerende Lx den Lichtstrom von x Prozent unterschreiten, wird durch den Lichtstromrückgang By beschrieben. B50 gilt automatisch, wenn kein anderes By angegeben ist. Da LED-Hersteller und Leuchten-Hersteller unterschiedlichen Verfahren in Bezug auf Lebensdauertests anwenden, wurden von der „Engineering Society of North America (IESNA)“ die Standards LM-80-08 zum Messen von diskreten LEDs und LED-Modulen über 6.000 bis 10.000 h bei drei Oberflächentemperaturen (55°C, 85°C, frei) sowie TM-21-11 zum Extrapolieren des Lichtstromabfalls der gesamten LED-Leuchte auf die maximal sechsfache reale Messdauer ins Leben gerufen.
Als Kühler kommen überwiegend schwarz anodisierte, passive Kühlkörper zum Einsatz, die meist von den Kunden selbst extrudiert werden. Für spezielle Anwendungen, wie z.B. High-Bay-Lighting jenseits von 10.000 lm mit hoher Wärmeverlustleistung von 50 W und mehr, kommen Zweiphasenkühler mit integrierten Heatpipes zur Anwendung. Heatpipes sind Wärmeübertrager, die unter Nutzung der Verdampfungswärme eines Mediums wie z.B. Wasser oder Alkohol eine hohe Wärmestromdichte erlauben. Durch den Wärmeintrag verdampft der Alkohol und strömt nun gasförmig ans andere Ende des Rohrs (Konvektion), wo sich der Wärmetauscher (Kühklrippen) befindet. Dort wird die Wärme abgeführt, wodurch der gasförmige Alkohol kondensiert und über die Kapillarwirkung des innenliegenden Kupferdrahtgeflechts zum Ort der Wärmequelle zurückfließt. Dann beginnt der Kreislauf von vorne. Ein Trend sind auch thermisch leitfähige Kunststoffe auf Basis leitender und isolierender Additive, die in Bezug auf Design und Gewicht neue Gestaltungsmöglichkeiten bieten.
Um für das jeweilige Leuchtendesign die optimale Entwärmung zu finden, ist eine thermische Simulation des Gesamtdesigns mit Hilfe des CFD-Verfahrens (CFD: Computational Fluid Dynamics) zweckmäßig. Je nach Design ist eine Optimierung in puncto Kosten, Volumen, Struktur, Gewicht und Platzierung im Rahmen der Umgebungsparameter angesagt. Via CFD können Kühllösungen weiter optimiert werden. Dazu legen die Designer i.d.R. CAD-Daten, wie von z.B. Solidworks erzeugt, vor, damit Wäremübertragungen simuliert und somit effiziente Produktkonstruktionen ermöglicht werden können. In der CFD-Analyse wird das zu untersuchende Fluid (z.B. Luft) und die Analyseart (z.B. Problem der externen konjugierten Wärmeübertragung) festgelegt, die Schwerkraft zur Steuerung für die natürliche Konvektion angewendet und die Umgebungstemperatur und Druckbedingungen angegeben. Anschließend wird die Wärmeleistungslast auf den Kühlkörper angewendet und ermittelt, wie die Kühlwirkung erhöht werden kann. EBV Elektronik bietet seinen Kunden die thermische Simulation per CFD als kostenlose Dienstleistung an.
Schnell und effektiv zum LED-System
Im Rahmen von Technologiedemonstratoren bietet EBV eine Zusammenstellung der für die spezielle Applikation am zweckmäßigsten befundenen Bauteile an, deren Parameter wie Effizienz (bei einem bestimmten Teststrom, CRI, Tc gemessen), Euro/lm, winkelabhängige Farbtemperaturverteilung, thermischer Widerstand des Gehäuses/Substrates etc. in einer Benchmark-Datenbank hinterlegt sind. Diese werden in Application- und Solution Guides incl. Systemeffizienz- und Systemkostenanalyse sowie photometrischen und thermischen Messungen genau beschrieben. Ebenso werden Untersuchungen und Berechnungen zur Lebensdauer und Zuverlässigkeit angestellt. EBV versteht sich hier im Sinne eines kundenorientierten Supports als regelrechter Consultant, um herstellerübergreifend die bestmögliche Lösung anbieten zu können.
Die Leuchte im Internet der Dinge
Eine Leuchte kann ein Ding im Rahmen des Internets der Dinge (IoT, Internet of Things) sein. Dies kann z.B. für das „Intelligente Haus“ angewendet werden: Heizkörperregler werden der Umgebungstemperatur entsprechend eingestellt, der Kaffee steht pünktlich zum Frühstück bereit, Türen und Fenster werden automatisch verschlossen, der Kühlschrank bestellt die fehlende Butter nach, und das Licht passt sich dem Umgebungslicht an bzw. bringt quasi den Sonnenauf- und untergang ins Heim, von Tageslichtblau bis Abendrot, man spricht hier von „Human Centric Lighting“. Mit dem Datenübertragungsprotokoll IEEE 802.15.4 für Wireless Personal Area Networks (WPAN) und dem darauf aufbauenden ZigBee steht eine Funktechnologie zur Verfügung, die für Anwendungen mit niedriger Datenrate (250 KB/s) entwickelt wurde. Es eignet sich aufgrund der geringen Energieaufnahme besonders zum Aufbau von Home Automation Networks. Somit sind Batterielaufzeiten von mehreren Jahren gewährleistet. Dabei werden die lizenzfreien Frequenzen 868 MHz (Europa), 915 MHz (Nordamerika, Australien) oder 2,4 GHz (weltweit) genutzt.
Gemäß OSI-Referenzmodell werden in IEEE 802.15.4 nur der „Physical Layer“ (Bitübertragungsschicht) und der darüber liegende Layer „Medium Access Control“ (MAC, Medienzugriffsschicht) definiert. Der ZigBee-Protokollstapel setzt darauf mit zwei weiteren Schichten auf, dem „Network Layer“ (NWK, Netzwerkschicht) und dem „Application Layer“ (APL, Anwendungsschicht). Beide Schichten stellen jeweils zwei Dienste für die darüberliegende Schicht zur Verfügung, im Falle des Application Layer für die darauf laufende Anwendung. Im ZigBee-Standard wird zwischen zwei verschiedenen Geräteklassen unterschieden: Full Function Devices (FFD) und Reduced Function Devices (RFD). Ein FFD kann den gesamten Protokollstack verarbeiten, benötigt damit etwas mehr Speicher (trotzdem nur 32 KB) und kann sowohl mit RFDs und FFDs kommunizieren, während ein RFD nur mit genau einem FFD kommunizieren kann. Dafür braucht ein RFD aber nur 4 bis 8 KB Speicher. Durch miteinander kommunizierende Geräte wird ein Personal Area Network (PAN) aufgebaut, das eine einfache Stern-Topologie darstellen oder komplexere Maschennetzwerke (Mesh) bilden kann.
Jedes Gerät kann entweder als PAN-Koordinator (ZigBee Coordinator, ZC), Koordinator (ZigBee Router, ZR) oder Teilnehmer (ZigBee End Device, ZED) fungieren. Der ZigBee Coordinator vergibt Adressen und verwaltet das Netz. Ein ZigBee Router ist ein FFD. Er meldet sich an einem existierenden Router an, um eine Baum-Topologie aufzubauen, kann aber auch eine Maschentopologie bilden. ZigBee End Devices sind einfache Geräte, RFDs, wie z.B. Lichtschalter, die sich an einem Router anmelden und ein Netzwerk in Stern-Topologie ausbilden.
Um die Brücke zwischen ZigBee-Netz und WLAN herzustellen, wird ein mit dem Internet verbundendes Gateway benötigt, um das Heimnetz sowohl von innen typischerweise über ein Smartphone oder Tablet zu bedienen als auch von außen über die Cloud. Dazu kann z.B. ein auf Broadcom Raspberry Pi basierender Embedded Computer von Dresden Elektronik verwendet werden. Der Wifi-Dongle sitzt im USB-Port, auf die GPIO-Pins wird ein RaspBee-Modul gesteckt. Bei RaspBee handelt es sich um ein Aufsatzmodul, das auf dem Single-Chip-Mikrocontroller ATmega256RFR2 (AVR MCU und 2.4 GHz Transceiver) basiert. Der Mini-Computer bootet ein Debian-Linux-Derivat von der SD-Karte und startet einen Web-Server, dessen GUI für die Bedienung der im ZigBee-Netzwerk befindlichen z.B. LED-Treiber programmiert worden ist.
Zusätzlich zum elektronischen und optischen Design spielt das thermische Design eine entscheidende Rolle, denn nur wenn die Halbleiterbauelemente richtig entwärmt werden, ist auch im Langzeitbetrieb ein möglichst langer Lichtstromerhalt gewährleistet. Als Lebensdauer (Degradation des Lichtstroms) einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der der Lichtstrom im Mittel auf i.d.R. 70% des Anfangwertes abgesunken ist, das ist die Bemessungslebensdauer Lx, hier L70. Die Wahrscheinlichkeit, dass y Prozent der LED-Leuchten am definierten Lebensdauerende Lx den Lichtstrom von x Prozent unterschreiten, wird durch den Lichtstromrückgang By beschrieben. B50 gilt automatisch, wenn kein anderes By angegeben ist. Da LED-Hersteller und Leuchten-Hersteller unterschiedlichen Verfahren in Bezug auf Lebensdauertests anwenden, wurden von der „Engineering Society of North America (IESNA)“ die Standards LM-80-08 zum Messen von diskreten LEDs und LED-Modulen über 6.000 bis 10.000 h bei drei Oberflächentemperaturen (55°C, 85°C, frei) sowie TM-21-11 zum Extrapolieren des Lichtstromabfalls der gesamten LED-Leuchte auf die maximal sechsfache reale Messdauer ins Leben gerufen.
Als Kühler kommen überwiegend schwarz anodisierte, passive Kühlkörper zum Einsatz, die meist von den Kunden selbst extrudiert werden. Für spezielle Anwendungen, wie z.B. High-Bay-Lighting jenseits von 10.000 lm mit hoher Wärmeverlustleistung von 50 W und mehr, kommen Zweiphasenkühler mit integrierten Heatpipes zur Anwendung. Heatpipes sind Wärmeübertrager, die unter Nutzung der Verdampfungswärme eines Mediums wie z.B. Wasser oder Alkohol eine hohe Wärmestromdichte erlauben. Durch den Wärmeintrag verdampft der Alkohol und strömt nun gasförmig ans andere Ende des Rohrs (Konvektion), wo sich der Wärmetauscher (Kühklrippen) befindet. Dort wird die Wärme abgeführt, wodurch der gasförmige Alkohol kondensiert und über die Kapillarwirkung des innenliegenden Kupferdrahtgeflechts zum Ort der Wärmequelle zurückfließt. Dann beginnt der Kreislauf von vorne. Ein Trend sind auch thermisch leitfähige Kunststoffe auf Basis leitender und isolierender Additive, die in Bezug auf Design und Gewicht neue Gestaltungsmöglichkeiten bieten.
Um für das jeweilige Leuchtendesign die optimale Entwärmung zu finden, ist eine thermische Simulation des Gesamtdesigns mit Hilfe des CFD-Verfahrens (CFD: Computational Fluid Dynamics) zweckmäßig. Je nach Design ist eine Optimierung in puncto Kosten, Volumen, Struktur, Gewicht und Platzierung im Rahmen der Umgebungsparameter angesagt. Via CFD können Kühllösungen weiter optimiert werden. Dazu legen die Designer i.d.R. CAD-Daten, wie von z.B. Solidworks erzeugt, vor, damit Wäremübertragungen simuliert und somit effiziente Produktkonstruktionen ermöglicht werden können. In der CFD-Analyse wird das zu untersuchende Fluid (z.B. Luft) und die Analyseart (z.B. Problem der externen konjugierten Wärmeübertragung) festgelegt, die Schwerkraft zur Steuerung für die natürliche Konvektion angewendet und die Umgebungstemperatur und Druckbedingungen angegeben. Anschließend wird die Wärmeleistungslast auf den Kühlkörper angewendet und ermittelt, wie die Kühlwirkung erhöht werden kann. EBV Elektronik bietet seinen Kunden die thermische Simulation per CFD als kostenlose Dienstleistung an.
[Schnell und effektiv
zum LED-System
Im Rahmen von Technologiedemonstratoren bietet EBV eine Zusammenstellung der für die spezielle Applikation am zweckmäßigsten befundenen Bauteile an, deren Parameter wie Effizienz (bei einem bestimmten Teststrom, CRI, Tc gemessen), Euro/lm, winkelabhängige Farbtemperaturverteilung, thermischer Widerstand des Gehäuses/Substrates etc. in einer Benchmark-Datenbank hinterlegt sind. Diese werden in Application- und Solution Guides incl. Systemeffizienz- und Systemkostenanalyse sowie photometrischen und thermischen Messungen genau beschrieben. Ebenso werden Untersuchungen und Berechnungen zur Lebensdauer und Zuverlässigkeit angestellt. EBV versteht sich hier im Sinne eines kundenorientierten Supports als regelrechter Consultant, um herstellerübergreifend die bestmögliche Lösung anbieten zu können.
[Die Leuchte
im Internet der Dinge
Eine Leuchte kann ein Ding im Rahmen des Internets der Dinge (IoT, Internet of Things) sein. Dies kann z.B. für das „Intelligente Haus“ angewendet werden: Heizkörperregler werden der Umgebungstemperatur entsprechend eingestellt, der Kaffee steht pünktlich zum Frühstück bereit, Türen und Fenster werden automatisch verschlossen, der Kühlschrank bestellt die fehlende Butter nach, und das Licht passt sich dem Umgebungslicht an bzw. bringt quasi den Sonnenauf- und untergang ins Heim, von Tageslichtblau bis Abendrot, man spricht hier von „Human Centric Lighting“. Mit dem Datenübertragungsprotokoll IEEE 802.15.4 für Wireless Personal Area Networks (WPAN) und dem darauf aufbauenden ZigBee steht eine Funktechnologie zur Verfügung, die für Anwendungen mit niedriger Datenrate (250 KB/s) entwickelt wurde. Es eignet sich aufgrund der geringen Energieaufnahme besonders zum Aufbau von Home Automation Networks. Somit sind Batterielaufzeiten von mehreren Jahren gewährleistet. Dabei werden die lizenzfreien Frequenzen 868 MHz (Europa), 915 MHz (Nordamerika, Australien) oder 2,4 GHz (weltweit) genutzt.
Gemäß OSI-Referenzmodell werden in IEEE 802.15.4 nur der „Physical Layer“ (Bitübertragungsschicht) und der darüber liegende Layer „Medium Access Control“ (MAC, Medienzugriffsschicht) definiert. Der ZigBee-Protokollstapel setzt darauf mit zwei weiteren Schichten auf, dem „Network Layer“ (NWK, Netzwerkschicht) und dem „Application Layer“ (APL, Anwendungsschicht). Beide Schichten stellen jeweils zwei Dienste für die darüberliegende Schicht zur Verfügung, im Falle des Application Layer für die darauf laufende Anwendung. Im ZigBee-Standard wird zwischen zwei verschiedenen Geräteklassen unterschieden: Full Function Devices (FFD) und Reduced Function Devices (RFD). Ein FFD kann den gesamten Protokollstack verarbeiten, benötigt damit etwas mehr Speicher (trotzdem nur 32 KB) und kann sowohl mit RFDs und FFDs kommunizieren, während ein RFD nur mit genau einem FFD kommunizieren kann. Dafür braucht ein RFD aber nur 4 bis 8 KB Speicher. Durch miteinander kommunizierende Geräte wird ein Personal Area Network (PAN) aufgebaut, das eine einfache Stern-Topologie darstellen oder komplexere Maschennetzwerke (Mesh) bilden kann.
Jedes Gerät kann entweder als PAN-Koordinator (ZigBee Coordinator, ZC), Koordinator (ZigBee Router, ZR) oder Teilnehmer (ZigBee End Device, ZED) fungieren. Der ZigBee Coordinator vergibt Adressen und verwaltet das Netz. Ein ZigBee Router ist ein FFD. Er meldet sich an einem existierenden Router an, um eine Baum-Topologie aufzubauen, kann aber auch eine Maschentopologie bilden. ZigBee End Devices sind einfache Geräte, RFDs, wie z.B. Lichtschalter, die sich an einem Router anmelden und ein Netzwerk in Stern-Topologie ausbilden.
Um die Brücke zwischen ZigBee-Netz und WLAN herzustellen, wird ein mit dem Internet verbundendes Gateway benötigt, um das Heimnetz sowohl von innen typischerweise über ein Smartphone oder Tablet zu bedienen als auch von außen über die Cloud. Dazu kann z.B. ein auf Broadcom Raspberry Pi basierender Embedded Computer von Dresden Elektronik verwendet werden. Der Wifi-Dongle sitzt im USB-Port, auf die GPIO-Pins wird ein RaspBee-Modul gesteckt. Bei RaspBee handelt es sich um ein Aufsatzmodul, das auf dem Single-Chip-Mikrocontroller ATmega256RFR2 (AVR MCU und 2.4 GHz Transceiver) basiert. Der Mini-Computer bootet ein Debian-Linux-Derivat von der SD-Karte und startet einen Web-Server, dessen GUI für die Bedienung der im ZigBee-Netzwerk befindlichen z.B. LED-Treiber programmiert worden ist. (zü)
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