LED-Beleuchtung LED-Arrays setzen sich durch

LED-Arrays bieten bei der Lichteffizienz ähnliche Eigenschaften, wie Einzel-Chip-LEDs. Damit verbunden die Vorteile wie Skalierbarkeit oder die kompakte Bauform. Hinzu kommt, dass die Matrixverdrahtung zu einer hohen Ausfallsicherheit und für ein besseres Wärmemanagement führt.

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In der Vergangenheit dominierten Einzel-Chip-LEDs, auch SMD LEDs genannt, mit Leistungen bis zu ungefähr 3 W den LED-Beleuchtungsmarkt. Rein physikalisch ist die maximale Helligkeit von Einzel-Chip-LEDs unter praxisnahen Bedingungen auf ungefähr 400 lm begrenzt. Es gab darauf zahlreiche konzeptionelle Ansätze von Leuchtmitteln und Leuchten auf Basis mehrerer SMD LEDs.

Dieser Ansatz zieht einige Nachteile mit sich als auch das viele Anwendungen heute größere Helligkeiten erfordern. Von Seiten Sharp wurde von Anfang an das Konzept verfolgt, LED basierte Leuchtmittel als Matrix aus LEDs. Bereits 2007 konnte unter dem Namen Zenigata das erste Multichip-LED-Modul vorgestellt werden. Basierend auf diesem Array-Konzept bietet Sharp zwei LED Modul-Familien in allen Leistungsklassen und Farbtemperaturen (CCTs) mit Helligkeiten von bis zu fast 7000 lm.

Multichip LED-Module für das Leuchtendesign

Für viele Applikation reicht die Helligkeit einzelner Einzel-Chip-LEDs nicht aus. Meist müssen mehrere SMD-LEDs in einem Lampenkopf untergebracht werden. Das ist ein konstruktiver Kompromiss, der den Gestaltungsspielraum beim Design von Lampen einschränkt.

Mehrere SMD-LEDs haben einen erheblichen Platzbedarf, der vor allem von Ansteuerung und Kühlung für die einzelnen SMD-LEDs bestimmt wird. Zudem erfordert eine Multipunkt-Lichtquelle eine komplizierte Optik, um das Licht entsprechend zu bündeln und zu leiten. Zudem bilden sich mehrfache Schatten. Um die notwendige Helligkeit zu erreichen, sind LED-Module eine Alternative zum Einsatz mehrerer SMD-LEDs. Durch ihren Aufbau aus einer Vielzahl kleinerer LEDs lassen sich Module, auch als Arrays bezeichnet, in ihrer Helligkeit leicht über die Anzahl der Dies skalieren. Dabei haben die Arrays in Sachen Lichtausbeute zu den High-Power-Einzel-Chip-LEDs inzwischen aufgeschlossen.

Sharp fasst bei seinen LED-Modulen bis zu 170 Dies in einem Array zusammen. Die leistungsstärksten Module erreichen 7000 lm, was sich sonst nur mit mehreren SMD-LEDs erzielen lässt. Die Arrays sind so dicht gepackt, dass sie eine homogene, sehr kompakte Lichtemittierende Oberfläche (LES) ergeben, die je nach Modultyp kreisförmig oder quadratisch ausfällt.

Beispielsweise hat das 50-WMega-Zeni-Array mit einer Farbtemperatur von 2700 K und einem CRI typ 83 eine LES von nur 176 mm² und gehört zu den kompaktesten Modulen dieser Leistungsklasse. Innerhalb der Mega-Zeni-Produktfamilie sind die LES gleich groß, so dass die Module identische Abstrahlwinkel haben und untereinander mechanisch vollständig kompatibel sind.

Die Vorteile einer kompakten LED-Bauform

Mit ihnen lassen sich Strahler und Downlights designen. Durch ihre mechanische und optische Kompatibilität können, basierend auf den Mega-Zeni-Module, ganze Serien von Leuchten und Lampen mit unterschiedlichen Helligkeiten, aber identischen Reflektoren, Linsen und Gehäuseformen, aufgesetzt werden.

Elektronisch wird bei einem Array eine größere Anzahl kleiner LED-Dies in Serie und parallel in einer Matrix verschaltet. Das hat nicht nur den Vorteil, dass die Gesamtleistung über die Anzahl der Dies skaliert werden kann, sondern dass mit der entsprechenden Erfahrung Strom und Spannung über einen weiten Bereich gesteuert werden können, um für die jeweilige Anwendung den optimalen Arbeitspunkt einzustellen.

Stromdichte bei einzelnen LED-Dies bleibt begrenzt

Aufgrund der Matrixstruktur bleibt die Stromdichte an den einzelnen LED-Dies begrenzt, was die thermische Belastung der Dies verglichen mit der Einzel-Chip-Lösung erheblich reduziert. Die Arraystruktur trägt zur Beständigkeit des LED-Moduls bei. Bei der Matrixverschaltung wird ein ausfallsicherer Betrieb garantiert. Selbst wenn einzelne Dies ausfallen, ist der Stromfluss durch das Array aufgrund der Verschaltung gesichert.

Zudem wird durch die interne Verdrahtung die Abwärme leichter über die gesamte Fläche des Leuchtmittels verteilt als bei SMD-LEDs, was die thermische Belastung der einzelnen Dies reduziert. Zudem lässt sich mit Keramiksubstraten und vordefinierten Lötpunkten für die LED-Module ein hocheffizienter Wärmeübergang zum Kühlkörper schaffen. Der kann relativ klein dimensioniert werden. Aufgrund ihres Aufbaus erreichen die LED-Module eine Lebensdauer von 40.000 h bei einer Betriebstemperatur von 90 °C.

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