Der Weg von der einzelnen LED-Komponente zur optimierten Gesamtlösung

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ROHM Semiconductor GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

LED, Optik und Kühlkörper aus einer Hand

Eine optimale Effizienz lässt sich nur dadurch erreichen, dass sowohl die Stromversorgung, als auch die Kühlkomponenten und Optik optimal auf die LED angepasst werden. Das garantiert Effizienzsteigerungen bis 30%. Von Endrich kommt ein abgestimmtes Lieferprogramm von High-Power-LED bis komplette Beleuchtungssystemen, bestehend aus LED, Optik, Kühlkörper und Vorschaltgerät.

Unter anderem vertritt Endrich die niederländische Firma LumoTech in Deutschland, Österreich und der Schweiz. LumoTech hat sich auf LED-Netzteile mit Ausgangsleistungen bis 40 W spezialisiert. Diese Netzteile haben einen Wirkungsgrad bis 90% und einen Powerfaktor von 0,97. Doch entscheidend ist die erwartete Lebensdauer, die aufgrund sorgfältiger Materialauswahl mit 50.000 h angegeben werden kann, Testverfahren haben dies ergeben. Damit sind diese Netzteile optimal geeignet, LEDs so effizient und langlebig wie möglich zu betreiben.

Der Einfluß der Linse auf die LED

Linsen als Reflektor: Ein und dieselbe LED mit unterschiedlichen Linsen

Bei den Optiken arbeitet Endrich eng mit dem Hersteller LEDIL zusammen, der für die jeweiligen High-Power-LEDs efffiziente Standard- oder kundenspezifische Lösungen entwickelt. Viele Applikationen benötigen optische Systeme, um den gewünschten Lichteffekt zu erreichen. Für Multichip-Lösungen kommen häufig Linsen als Reflektoren zum Einsatz. Im Bild 4 ist eine LED dargestellt, die mit zwei unterschiedlichen Linsen ausgestattet ist. Bei der blauen Kurve wird doppelt so viel Licht in Vorwärtsrichtung abgestrahlt als bei der roten Kurve.

Durch eine optimale Anpassung der Linse an die LED kommt es zu einem signifikanten Unterschied in der Lichtausbeute in der gewünschten Richtung. Im Fall der roten Kurve wird das Licht entweder gar nicht in die Linse eingekoppelt, sondern lediglich reflektiert, oder es wird in eine andere als die gewünschte Richtung gestreut.

Nur 20% der elektrischen Energie einer LED wird in sichtbares Licht umgewandelt

Mit dem zunehmenden Einsatz leistungsstarker LEDs ergeben sich große Herausforderungen für die Kühlung. So werden nur etwa 20% der elektrischen Energie einer LED in Licht und die restlichen 80% in Wärme umgesetzt. Für die Berechnung eines Kühlkörpers kann nebenstehende Formel verwendet werden.

Aus ihr geht hervor, dass bei größeren Leistungen ein immer kleinerer Wert R_{thermal heatsink} entsteht und somit ein immer größerer Kühlkörper verwendet werden muss, damit das System stabil bleibt und eine entsprechend Lebensdauer erreicht wird. Während T_junction, die maximale erlaubte Sperrschichttemperatur, und T_ambient (Außentemperatur) nur bedingt beeinflussbar sind, muss deshalb R_thermal total möglichst klein gehalten werden, damit ein kleiner und somit auch kostengünstiger Kühlkörper zum Einsatz kommen kann.

Verbesserte Wärmeleitung im Kühlkörper eine LED

Schematischer Aufbau: Citizen LEDs mit mechanischem Aufbau

Der mechanische Aufbau von Citizen-LEDs bietet hier einen entscheidenden Vorteil. Bild 5 zeigt den schematischen Aufbau: Die LED-Dies sind über einen thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Kleber direkt mit dem Aluminiumsubstrat verbunden. Hier zeigt die Citizen-LED eine bessere Wärmeverteilung im Kühlkörper als die herkömmliche LED. Grund dafür ist der geringe thermische Übergangswiderstand zwischen „Die“ und Substrat.

Mechanischer Aufbau: eine bessere Wärmeverteilung im Kühlkörper als bei einer herkömmlichen LED

Ein weiterer Lösungsansatz ist den R_thermal-PCB möglichst gering zu halten und die High-Power-LED thermisch gut mit dem Kühlkörper zu verbinden. Endrich bietet hier Wärmeleitfolien mit sehr geringem Wärmewiderstand bis 0,09 K/W, den so geannten wärmeleitenden Acrylfolien, an. Die Folien sind angepasst an die jeweiligen High-Power-LED- Bauformen. Je nach Applikation können dazu verschiedene Kühlkörper in Aluminium oder Keramik angeboten werden.

Für höhere Leistungsbereiche wurde eine Kupferplatine zur Kühlung entwickelt, die als Wärmespreizung dient und eine einfache mechanische Einbindung in die Applikation unterstützt. Die elektrische Anbindung kommt über Poke in Connectors zustande.

Um den R_thermal-PCB-Wert zu verkleinern gibt es noch weitere Methoden: das Sinterverfahren. Dieses Verfahren ermöglicht eine direkte Verbindung der High-Power-LED auf einem Aluminium-Kühlkörper. Zudem kann das Wärmemanagement bei Bedarf auch durch elektrische Regelkreise, beispielsweise Stromreduzierung bei erhöhter Temperatur, unterstützt werden

Junction-Temperatur als wichtiges Kriterium einer LED

Jede High-Power-LED muss in der jeweiligen Applikation ausreichend getestet werden, um sicher zu stellen, dass eine ausreichende Kühlung erfolgt und die LED unterhalb der erlaubten T_junction (T_j) betrieben wird. Zu der gemessen Temperatur T_c an der LED muss noch das Produkt aus Wärmewiderstand der LED R_j und Leistung P_d hinzu addiert werden: T_j = T_c + R_j * P_d.

Zusammen mit seinen Systempartnern kann Endrich kundenspezifisch angepasste Lösungen anbieten, damit auch LEDs mit sehr hohen Leistungen in einem stabilen Prozess betrieben werden können. Da unterschiedliche Beleuchtungsanforderungen der Kunden unterschiedliche Lösungen erfordern, hat Endrich sich in den letzten Jahren vom reinen LED-Anbieter zum Systemhaus für High-Power-LEDs und deren optimierte Gesamtlösungen entwickelt.

* * Albrecht Lohrer ist Senior Product Manager LED bei Endrich Bauelemente Vertrieb in Nagold

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LEDs in der Beleuchtungstechnik