Leistungsgrenzen von LEDs LED-Arrays mit höheren Treiberströmen ansteuern

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Mit der XLamp MK-R von Cree bietet der Hersteller eine LED, die bis zu 200 lm/W Lichtausbeute bietet. Doch ist es möglich, solche LED-Arrays auch mit höheren Ansteuerströmen zu betreiben?

Ein wichtiger Kennwert beim Design von LED-Beleuchtungssystemen ist der Binning-Stromwert. Was viele Entwickler jedoch nicht wissen: Qualitativ hochwertige Leuchtdioden verkraften deutlich höhere Treiberströme. Dadurch sind in Leuchten weniger LEDs erforderlich. Allerdings sind bei entsprechenden Designs mehrere Faktoren zu berücksichtigen.

Für Entwickler von LED-Beleuchtungssystemen sind die "Binning Currents" eines LED-Bins eine zentrale Kenngröße. An ihr orientieren sie sich, wenn sie den Strom der Treiber-ICs eines Beleuchtungssystems festlegen. Binning Currents von 350 mA sind jedoch bei manchen LED Produkten extrem konservativ gewählt, insbesondere bei sogenannten Hochleistungs-LEDs der Beleuchtungsklasse. Die Folge ist, dass in Beleuchtungssystemen, die nach diesem Wert ausgelegt sind, mehr Leuchtdioden verwendet werden müssen, als sonst möglich oder optimal wäre. Das wiederum bedeutet höhere Systemkosten.

Wenn LEDs höhere Ansteuerströme verkraften

Aktuelle Leuchtdioden wie etwa die LED-Arrays der Reihe Cree CXA oder die LEDs XLamp MK-R mit einer Lichtausbeute von 200 lm/W verkraften jedoch höhere Ansteuerströme, ohne dass dies zu Lasten der Zuverlässigkeit, der Lumen-Werte und der Farbstabilität geht. Das haben LM-80- (Lumen Maintenance-)Tests und entsprechende TM-21- (Technical Memorandum-)Lebensdauerberechnungen ergeben. Dank eines höheren Ansteuerstroms können die Leistungsreserven einer LED optimal ausgeschöpft werden. Das heißt, in einem Design sind weniger Leuchtdioden erforderlich.

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Cree hat mit einigen seiner LEDs solche LM-80 Tests mit erhöhten Treiberstromwerten durchgeführt. So liegt bei einer LED der Reihe XLamp XP-G die L70-Lebensdauer, was 70% der ursprünglichen Leuchtstärke entspricht, bei einem Treiberstrom von 1000 mA und einer Betriebstemperatur von 85 °C bei etwa 363.000 Stunden. Dieser Wert gilt für den Einsatzbereich für Innenleuchten und wurde in Messungen mit einer Dauer von 10.080 Stunden ermittelt. Ebenfalls bei einem Test von 10.080 Stunden ergab eine Abschätzung von 60.500 Stunden Betriebsdauer auf Basis einer Umgebungstemperatur von 85 °C. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Cree für die XLamp XP-G einen maximal zulässigen Treiberstrom von 1500 mA spezifiziert hat. Dies ist ein Drittel mehr, als bei den Berechnungen zugrunde gelegt wurde.

Die Vorteile eines höheren Treiberstroms

Auch bei anderen LEDs von Cree sind vergleichbare Resultate zu beobachten. Die neue XLamp MK-R beispielsweise erreicht eine Lichtleistung von 200 Lumen pro Watt. Bei geringeren Leistungen lässt sich die MK-R jedoch problemlos mit höheren Treiberstromwerten als dem Binning Current von 350 mA betreiben. Das Maximum liegt hier bei 1250 mA.

Gleiches gilt für die LED-Arrays der CXA-Reihe, die in vier Varianten mit CRI-Werten (Color Rendering Index) von 80 und 90 sowie unterschiedlichen Lichtstärken zur Verfügung stehen. In L70-Tests erreichte zudem die Cree XLamp XM-L bei 2000 mA (67 Prozent des spezifizierten Maximalstroms) eine Lebensdauer von mehr als 36.300 Stunden. Für folgende Temperaturbereiche ergaben sich bei 2000 mA folgende Werte:

• 45 °C: 2,34 Millionen Stunden

• 55 °C: 362.000 Stunden

Dass LEDs höhere Stromwerte verkraften, hat für Entwickler neben der höheren Kosteneffizienz weitere Vorteile. So ist es einfacher, beim Design von Beleuchtungssystemen nichtlineare Einflüsse zu berücksichtigen. Dies sind insbesondere thermische und strombedingte Degradationen, also die Verringerung der Effizienz durch Temperaturanstieg und höhere Stromwerte. Dieser reduziert die Lichtleistung, wenn die Temperatur an der Sperrschicht steigt. Die derzeit hellsten LEDs von Cree, die Modelle der Reihe XLamp MK-R, die im Januar 2013 vorgestellt wurden, können bei Raumtemperatur und geringem Betriebsstrom bis zu 200 lm/W erreichen. Bei einer Lötpunkttemperatur von 55 °C und maximalem Betriebsstrom können sie auch bis zu 1.600 lm/W erreichen, jedoch zu Lasten der Lichtausbeute.

Limitierende Faktoren: Kühlung und Energie-Effizienz-Vorgaben

Für Entwickler von LED-Beleuchtungssystemen ist es ein unschätzbarer Vorteil, wenn sie auf Langzeitdaten zurückgreifen können, welche die Leistung und Zuverlässigkeit von LEDs bei erhöhten Temperatur- und Treiberstrom-Werten charakterisieren. In diesem Fall sind sie bei der Auswahl der Komponenten für ein Beleuchtungssystem nicht nur auf nichtlineare Kriterien angewiesen. Wenn LEDs bei höheren Temperaturen und Treiberströmen betrieben werden, lassen sich pro Leuchtdiode höhere Lumen-Werte erzielen. Das wiederum hat den Vorteil, dass in einem Design weniger LEDs und Zusatzkomponenten erforderlich sind und dadurch die Systemkosten sinken. Allerdings gibt es Anwendungsfälle, in denen dieser Ansatz an Grenzen stößt. Das ist insbesondere dort der Fall, wo folgende Faktoren gefordert sind:

• eine hohe Lichtleistung

• eine höhere Lichtausbeute

• ein kleiner Formfaktor und

• eine gerichtete Ausleuchtung.

Diese Limitierungen werden an folgendem Beispiel deutlich: Der maximale Ansteuerstrom einer LED von Cree der Reihe XLamp MT-G EasyWhite beträgt 4000 mA bei einer Leistung von 24 W in einem Gehäuse von 9 mm x 9 mm. Eine kompakte LED-Leuchte wie die MR-16 ist jedoch nicht in der Lage, eine thermische Last von über 20 W abzuführen, weil die Kühlkörper für MR-16-Leuchten nur für 4 bis 7 W bei einer Oberflächentemperatur von beispielsweise unter 70 °C ausgelegt sind. Der Kühlkörper legt in diesem Fall die Obergrenze für den Ansteuerstrom fest.

Wird eine XLamp MT-G dagegen in Designs eingesetzt, in denen größere Kühlkomponenten verwendet werden, können deutlich höhere Stromstärken bei der Ansteuerelektronik zum Einsatz kommen. Das ist beispielsweise bei LED-Lampen der Reihe PAR38 der Fall. Sie fallen deutlich größer aus als MR-16-Leuchten. Daher stellt es kein Problem dar, größere Kühlkörper zu implementieren.

Höhere Treiberstromstärken können auch aus einem anderen Grund obsolet sein: Sie kollidieren teilweise mit Energieeffizienz-Standards, etwa den Vorgaben von Energy Star und der GreenLight-Initiative der Europäischen Union. Auch die L70-Spezifikationen setzen einer Erhöhung von Stromwerten und Betriebstemperaturen Grenzen.

* Mitch Sayers ist Leiter Technisches Zentrum Europa von Cree in Unterschleißheim bei München.

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