Mehr Leuchtkraft und Lebensdauer bei High-Power-LEDs

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LED und Steuerelektronik auf einer Platine

LEDs erlauben eine gezielte Regelung der Leuchtintensität und der Lichtfarbe ohne relevante Einbußen an Lebensdauer oder Zuverlässigkeit. LED-Treiber lassen sich durch viele unterschiedliche Sensoren und eine intelligente Regelung ansteuern. Oftmals erscheint eine Kombination von Steuerungselektronik und LEDs auf einer Leiterplatte aus wirtschaftlichen Gründen als nicht sinnvoll, da die Kosten typischer Metallkern-Leiterplatten beim Bedarf an mehreren Lagen deutlich steigen. Klassische FR4-Leiterplatten erlauben zwar mehrere elektrische Verbindungen, bieten oftmals keine ausreichende thermische Performance.

Der Einsatz hochentwickelter Leiterplatten auf FR4- und Kupferbasis mit partiell eingebetteten Kupferteilen erlaubt es, ein hochleistungsfähiges Wärmemanagement in Kombination mit komplexer Steuerungselektronik sowie Sensoren auf der gleichen Leiterplatte unkompliziert miteinander zu kombinieren. Für FR4-Leiterplatten ist dies ohne größeren Mehraufwand oder zusätzliche Kosten möglich. Denn mit HSMtec lassen sich feinste Strukturen, die für die Steuerelektronik notwendig sind, einfach auf der gleichen Lage wie die Kupferelemente realisieren. Hierzu sind keine zusätzlichen Softwaretools für das Design nötig.

Die Standardisierung von LED-Modulen soll den Erfolg und die Akzeptanz der LED in der Beleuchtungstechnik vorantreiben. Innerhalb des Zhaga-Konsortiums werden bestimmte Schnittstellen-Spezifikationen für LED-Module für sogenannte LED Light Engines standardisiert. Es werden dabei mechanische, thermische, photometrische und elektrische Schnittstellen betrachtet. Mit diesen Definitionen sollen die Zhaga-zertifizierten Light-Engines das Pendant zu standardisierten Leuchtmitteln wie Glüh- oder Leuchtstofflampe in der traditionellen Lichtwelt entwickeln.

Zwar beziehen sich die Standardisierungen auf das LED-Modul, dennoch unterscheidet Zhaga zwischen Modulen, die einen Treiber enthalten, der den Betriebsstrom für die LED-Komponente bereitstellt, und solchen, die keinen besitzen. Für beide Varianten ist bereits ein Standard definiert, genauso wie für die Abmessungen, also den Außendurchmesser und die Höhe des Moduls, die davon abhängt, ob ein Treiber enthalten ist oder nicht.

Besondere Anforderungen an die Leiterplatte

Hinter diesen Standardisierungsbestrebungen verbergen sich jedoch enorme Herausforderungen an die Leiterplattenhersteller und auch Leuchtenentwickler. Die verfügbare Lichtauskopplungsfläche einer typischen Spot Light Engine à la Zhaga mit 13,5 bis maximal 26 mm im Durchmesser fordert ein sehr effizientes Wärmemanagement aufgrund der hohen Leistungsdichte. Andererseits muss ein LED-Modul mit integriertem Treiber die Eingangsspannung von 230 V beherrschen und darüber hinaus für eine normgerechte elektrische Spannungsfestigkeit und galvanische Trennung sorgen. Da bleibt nur wenig Platz für die Elektronik oder gar um mehrere Leiterplatten für das LED-Segment und die Ansteuerungstechnik in einem Sockel unterzubringen.

Üblicherweise kommen hierbei IMS-Platinen zum Einsatz, die für rasche Entwärmung von LEDs sorgen sollen. Um die Verbindung zu einem zusätzlichen FR4-Board mit der Steuerungselektronik zu ermöglichen sind darüber hinaus noch Kabel- oder Steckverbindungen nötig. HSMtec kann hierbei sein Potential ausspielen: Als Referenzmodul dient ein Leuchtdioden-Cluster mit 19 mm Durchmesser, auf dem 30 als XB-D bezeichnete LEDs der XLamp-Familie von Cree untergebracht sind und der eine Leistung von bis zu 100 W erreicht. Damit erfüllt das Referenzmodul die angestrebten Zhaga-Leistungsziele von 50 W für Module mit integriertem Treiber problemlos, wobei sich die Steuerungselektronik und die Treiberbauteile direkt auf der gleichen Platine platzieren lassen.

Praxiserprobt ist ein 28 mm x 28 mm großes LED-Array auf dem 33 High-Brightness-LEDs mit je 2 W montiert sind. Dabei handelt es sich um die Typen XP-E-RGB aus der XLamp-Serie von Cree. Dieses aus einem vierlagigen HSMtec-FR4-Multilayer bestehende Array kommt im LED-Scheinwerfer SpectraWow+ von LDDE zum Einsatz, der in der additiven Farbmischung neue Maßstäbe setzen soll. Damit steht ein funktionaler Bühnen- und Architekturscheinwerfer mit integriertem RGB-Farbmischsystem zur Verfügung. Der Scheinwerfer ist mit einer High-Power-Engine als RGB und in Weiß mit Farbtemperaturen von 3200 und 5700 K erhältlich. In Kombination mit einer speziellen Bienenwabenlinse leuchtet dieser sehr gleichmäßig. Farbschatten, die bei anderen LED-Scheinwerfern mit Einzeloptiksystem auftreten, gehören der Vergangenheit an.

* Stefan Hörth ist Produktmananger HSMtec bei Häusermann in Österreich.

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