Wärmemanagement beim LED-Design Das Wärmemanagement von LED-Beleuchtungen

Bei LED-Leuchten die Wärme abzuführen ist schwieriger als bei einer Gasentladungslampe oder Glühlampe. Wärme und Licht verlassen das System über den gleichen Weg.

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Cree Europe GmbH

In den vergangenen Jahren haben die Hersteller von LEDs große Stückzahlen von weißen Leuchtdioden mit hoher Leuchtdichte herausgebracht. Deshalb sind LED-Leuchten, die traditionelle Glühlampen ersetzen, mittlerweile zu moderaten Preisen erhältlich. Ein bedeutendes Problem ist die Wärmeabfuhr. Denn im Unterschied zu Gasentladungslampen oder herkömmlichen Glühlampen benötigen LED-Leuchtmittel spezielle Komponenten, um die thermische Last zu reduzieren, etwa Kühlkörper. Das schränkt die Designoptionen ein, auch bei Leuchtmitteln im Format E26/A19, die als Ersatz für konventionelle Glühlampen dienen.

Anforderungen an ein E26-/A19-Beleuchtungssystem

Die gebräuchlichste Form von A19-LED-Leuchtmitteln wird häufig als "Schneekuppel" bezeichnet. Dies rührt daher, dass die LEDs auf der Leiterplatte unter einer halbkugelförmigen Kunststoffkuppel platziert werden. Das Board wiederum sitzt auf einem konischen Kühlkörper. Der Vorteil ist, dass viele Unternehmen passende Kühlkörper, Ansteuer-Bausteine und Diffusoren im Angebot haben.

Daher zählen derzeit A19-Leuchten zu den preiswertesten LED-Leuchtmitteln. Für viele Anwendungen ist die halbkugelförmige Abstrahlung des Lichts, bedingt durch die "Schneekuppel", passend. Entsprechende Leuchtmittel lassen sich beispielsweise in Großflächenstrahlern mit einem großen Abstrahlwinkel einsetzen. Wenn eine sphärische oder omnidirektionale Abgabe des Lichtes gefordert ist, sind solche Leuchten jedoch nicht optimal. In diesem Fall sind alternative Ansätze gefragt, wie sie beispiellsweise GE, Philips und LSG erarbeitet haben.

Optische, thermische und elektrische Effizienz eines LED-Beleuchtungssystems

Eine zentrale Anforderung an Beleuchtungssysteme ist der sparsame Umgang mit Energie. Um die Anforderungen des Energy-Star-Programms zu erfüllen, müssen alle Beleuchtungssysteme, auch solche mit LEDs, eine Reihe von Vorgaben erfüllen. Dazu zählen bei integrierten LED-Leuchten unter anderem:

• eine korrelierte Farbtemperatur von 2700, 3000, 3500 oder 4000 K,

• ein Color-Rendering-Index (CRI) von mindestens 80,

• ein Leistungsfaktor (Power Factor, PF) von mindestens >0,7 PF bei mehr als 5 W,

• eine Variation der Chromatizität von maximal 0,007 nach dem CIE-Normalvalenzsystem von 1976 innerhalb der ersten 6000 Betriebsstunden,

• eine LED-Betriebsfrequenz von ≥120 Hz,

• die LED-Leuchtensysteme sollten die von der ANSI spezifizierten Lampenfassungen unterstützen.

Bei Nicht-Standard-LED-Lampen und Modellen, die Licht omnidirektional abstrahlen, kommen folgende Anforderungen hinzu:

• Effizienz: 50 lm/W bei Versionen mit <10 W und 55 lm/W bei Modellen mit >50 W,

• minimale Lichtleistung: 200 lm. Bei Leuchten mit omnidirektionaler Abstrahlung wird anhand der Watt-Zahl weiter differenziert, von 200 lm bei 25 W bis zu 2.600 lm bei 150 W.

• Lichtverteilung: Bei LED-Leuchten mit nicht gerichteter Lichtabgabe darf die Lichtintensität in einem Winkel von 0° bis 135° maximal um 20% variieren. Mindestens 5% der Lichtleistung müssen von 135 bis 180° bereitstehen,

• Betriebsdauer: Bei beiden Versionen 25.000 Stunden (L70-Spezifikation),

• spezielle Vorgaben für Leuchten mit omnidirektionaler Abstrahlung: Die Chromatizität darf im CIE-1976-Diagramm nur um 0,004 vom gewichteten Mittel abweichen.

Cree hat mehr als Dutzend unterschiedlicher LED-A19-Prototypen entwickelt. Dabei kam eine breite Palette von Leuchtdioden der XLamp-Reihe, Treiber-Bausteinen und Gehäusetypen zu Einsatz. Hervoragende Werte in Bezug auf die Kosteneffizienz wiesen drei Ansätze auf (sieht Tabelle Seite 38). Alle Leuchten sind mit einer "Schneekuppel" ausgestattet und zählen zu den Nicht-Standard-LED-Lampen. Die Vorgabe war, jeweils zwei Varianten zu entwickeln:

• eine preisgünstige Ersatzleuchte für Glühlampen mit 40 W und einer Lichtstärke von 50 lm, einer Leistungsaufnahme von <10 W und einer Effizienz mehr als 50 lm/W,

• eine leistungsstarke Leuchte mit 60 W mit 800 lm, <13 W Leistungsaufnahme und 65 lm/W.

Die korrelierte Farbtemperatur (CCT, Color Correlated Temperature) wurde mit 3000 K veranschlagt, der Color-Rendering-Index mit 80.

Mit dem Product Charaterization Tool von Cree lassen sich für die genannten Leuchten auf Grundlage der Leistungswerte und der Systemanforderungen unterschiedliche Konfigurationen zusammenstellen. Ausgangspunkt war in diesem Fall eine Verlustleistung von 15%, bedingt durch die Kunststoff-Abdeckung der Leuchtdioden. Beim Referenzdesign für die 40-W-Version wurden die Werte von drei LEDs verglichen: der Cree XLamp MX-6S, XLamp MX-6 und XLamp XP-E HEW.

Die Vorgaben sahen 450 lm in einem optischen System mit einer Effizienz von 85% vor. Die Temperatur am Lötpunkt sollte maximal 55 °C betragen. Eine Lampe auf Basis von vier MX-6S-LEDs von Cree hat bei einem Treiberstrom von 100 mA und 85 V einen Strombedarf von <10 W und eine Effizienz rund 50 lm/W. Sechs XLamp-MX-6S-Leuchtdioden kommen bei 350 mA auf mehr als 63 lm/W und benötigen <8 W. Vier Leuchtdioden der Reihe Cree XLamp XP-E HEW erreichen dieselbe Lichtstärke, allerdings bei einer höheren Effizienz von 70 lm/W und 6,9 W.

Der Einfluss der Treiberelektronik auf das LED-System

Im Fall der MX-6S ist zu berücksichtigen, dass beim Einsatz von High-Voltage-Leuchtdioden die Treiber-Elektronik, also Dioden, Kondensatoren und Induktoren, bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden können. Das kann sich positiv auf die Effizienz und die Zuverlässigkeit auswirken.

Die PCT-Analyse von Cree ergab, dass die Treiber-Elektronik bei niedrigeren Betriebstemperaturen um bis zu 6% effizienter arbeitet (93 statt 87%). Dadurch steigt das Verhältnis Lumen zu Watt um 7%. Anders ist die Situation bei einer 60-W-LED-Leuchte. Zwar kann der Entwickler in diesem Fall eine hohe Effizienz erzielen, indem er viele Leuchtdioden einsetzt. Das ist jedoch aus zwei Gründen nicht praktikabel: den höheren Kosten, bedingt durch die größere Zahl der LEDs, und wegen des begrenzten Raums auf der Platine.

In der Praxis lassen sich 800 lm erreichen, indem die thermische Last des Systems erhöht wird, etwa durch eine Temperatur am Lötpunkt von 85 °C. Für diese Konfiguration eignen sich die XLamp XP-E HEW und die XLamp CXA2011. Ein System auf Basis der XP-E HEW erfordert zehn Leuchtdioden, um bei einem Ansteuerstrom von 350 mA und 12 W einen Wert von 810 lm und eine Effizienz von 68 lm/W zu erreichen. Alternativ dazu lässt sich eine einzelne Cree XLamp CXA2011 aus dem J-Flux-Bin einsetzen. In diesem Fall werden bei einem Treiberstrom von 250 mA bessere Leistungswerte erzielt: 814 lm bei 11,3 W und mehr als 72 lm/W.

Weniger Strom und längere Lebensdauer einer LED

Der bislang beste Entwurf einer LED-A19-Leuchte wurde zusammen mit Marvell Semiconductor entwickelt. Die 40-W-Version nutzt vier Cree-XLamp-Leuchtdioden der Reihe XP-E HEW und Marvells Controller 88EM8081 PFC. Ein solches Leuchtmittel hat eine Lichtstärke von 475 lm bei einer korrelierten Farbtemperatur von 3000 K und einem Energiebedarf von 7,5 W. Anfang 2011 stellte Cree den Prototypen einer A19-Ersatzleuchte auf Grundlage der XLamp-CXA2011-LED vor. Eine Analyse der auf dem Markt erhältlichen A19-LED-Lampen ergab, dass ein Modell ähnliche Werte in Bezug auf die Spannung und den Strom aufwies wie die CXA2011. Cree ersetzte das LED-Array in dieser Lampe durch eine einzelne Leuchtdiode der Reihe XLamp CXA2011.

Das Ergebnis war ernüchternd: Das Leuchtmittel erreichte Werte von 750 lm bei 12,8 W und 58 lm/W und entsprach den Vorgaben des Energy-Star-Konsortiums. Allerdings waren das nicht die Werte, welche laut PCT-System zu erwarten waren. Durch eine optimierte Anordnung der Kühlkörper und aktueller Treiberbausteine konnte hier eine nachhaltige Verbesserung erbracht werden.

Das Referenzdesign belegt, dass leistungsstarke und preisgünstige LED-Ersatzleuchten für E26/A19-Glühlampen möglich sind. Leuchten auf Basis der XLamp-LED-Reihe benötigen bei gleicher Lichtstärke deutlich weniger Strom und haben eine längere Lebensdauer. Ihre kleine Größe und die niedrige Lichtstärke sind eine Herausforderung für jeden LED-Leuchtenentwickler. Deshalb sollten sie auf eine breite Palette von Leuchtdioden zurückgreifen können.

* Mitch Sayers ist Field Application Engineer bei Cree und etabliert in München ein Zentrum für technische Fragen rund um die LED für europäische Kunden.

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