Ledtechnik – High-Power LEDs (4)

• Einleitung

Das im Moment wohl mit  größter Spannung beobachtete Segment auf dem LEDmarkt ist mit Sicherheit das der High-Power LEDs. Wenn man den Aussagen der Hersteller und selbsternannter Propheten glauben kann, stellen sie nichts weniger als eine Revolution auf dem Lichtmarkt dar. Sie sollen in aller nächster Zukunft nahezu alle herkömmlichen Leuchtmittel mit Glühfaden ersetzen, egal ob es sich dabei um schnödes Leuchtobst oder Halogenbirnen handelt. Auch im unteren Leistungssegment der Gasentladungslampen besteht die Chance für einen Einsatz von LEDs. Für wirkliche Hochleistungslampen wird aber auf absehbare Zeit noch auf Gasentladung gesetzt.  Beim Einsatz von High-Power LEDs gibt es jedoch einige Punkte zubeachten, die sie deutlich von herkömmlichen 3-10mm oder Spider-LEDs unterscheiden. Dies gilt für Bauformen genauso wie für das Wärmemanagement, welches hier überlebenswichtig ist. Auch begrifflich unterscheiden sie sich von den „normalen“  LEDs, zumindest im deutschsprachigen Internet hat sich die Bezeichnung „Emitter“ eingebürgert.

Wer sich bereits durch die ersten Teile [1][2][3] des Tutorials gearbeitet hat, dem werden einige Dinge bereits seltsam bekannt vorkommen. Der Artikel soll aber auch ohne Grundlagenwissen verständlich sein, da lassen sich gewisse Überschneidungen nicht immer verhindern. Im weiteren werde ich hier detaillierter auf die folgenden Themen eingehen: Bauformen, Reflektoren/Optiken, Kühlung, Stromversorgung und Binning.

• Bauformen

Ganz grundsätzlich kann man festhalten, dass praktisch alle HP-LEDs in SMD-Bauformen ausgeführt sind. Das deckt sich soweit mit dem allgemeinen Trend keine bedrahteten Teile mehr zu fertigen. Daneben gibt es jedoch auch einen sehr pragmatischen Grund. Über dünne Drahtverbindungen ließe sich die im Betrieb entstehende Hitze nicht mehr vernünftig an die Platine abführen oder an die Raumluft abgeben. Die LED wäre in wenigen Sekunden ein qualmendes Häufchen Elektroschrott. Aus diesem Grund verfügen alle HP-LEDs über eine Kühlfläche auf der Unterseite.

(Cree XR-E, Unterseite)

Geliefert werden sollte in dieser Form. Dabei handelt es sich um den Abschnitt einer großen Rolle. Die Verpackung ist insofern wichtig, als das sie die LED vor der Luftfeuchtigkeit schützt. Das Substrat macher LEDs hat die unangenehme Angewohnheit Feuchtigkeit zu ziehen, im Falle des schnellen Erhitzens während des Lötens, kann es zu Schäden am Emitter kommen. Wie bei anderen Bauteilen auch, sollte es im Datenblatt des Herstellers entsprechende Angaben zu Temperatur und Dauer der Vorwärmphase geben.

(XR-E im Rollenabschnitt)

Häufig  wird das Package noch mit einer Linse versehen. Diese begrenzt den Abstrahlwinkel, der bei den bekannteren Emittern ca 90-120° beträgt. Das Material der Linsen kann dabei sehr unterschiedlich sein. Fast alle Hersteller setzen auf einen Silikonverguss, der auch gleichzeitig als Linse dient. Die Vergussmasse härtet dabei zähelastisch aus. Dies kann ein Problem darstellen, wenn die Oberseite der LED irgendwie mechanisch belastet wird (anpressen beim Kleben kann schon zu viel sein). Das Linsenmaterial gibt etwas nach und kann die Wandlerschicht beschädigen (bei weißen LEDs) oder bei allen Typen die Bonddrähte abreißen. Deutlich unempfindlicher sind da Linsen aus Epoxy oder Glas. Letztere sind mir jedoch nur von der XR-E Serie von Cree bekannt. Die Sache mit dem Glas hat jedoch einen Haken, wenn man den Lötprozess nicht ordentlich kontrolliert, kann es zu Rissen in den Linsen kommen. Natürlich führen auch einige Hersteller Modelle ohne Linse im Programm. Sollte man mit der Abstrahlcharakteristik der Linsen- LEDs nicht zufrieden sein, hilft nur „nacktisieren„. Noch ein kleiner Nachtrag zum Abstrahlwinkel: Die Angabe in Grad bezieht sich dabei nicht auf den maximalen Winkel, in dem noch Licht austritt, sondern gibt den Bereich an, in dem noch 50% der maximalen Helligkeit erreicht werden.

• externe Linsen/ Reflektoren

Der große Abstrahlwinkel vieler LEDs wird dann zum Problem, wenn man Flächen beleuchten möchte, die mehr als ein paar Zentimeter vom Emitter entfernt sind. Bei einer Schreibtischlampe macht sich diese Problematik noch nicht so deutlich bemerkbar, aber schon bei Halogenersatzsystemen mit Seilmontage kann es notwenig sein den Lichtstrahl etwas zu bündeln. Noch viel mehr gilt dies natürlich für Taschenlampen oder Scheinwerfer.

Grundsätzlich bieten sich dem geneigten Bastler dann zwei Möglichkeiten. Er kann entweder zu Reflektoren oder Linsen greifen. Bevor man sich jedoch daran macht, wild in der Gegend herumzukaufen, sollte man sich etwas mit den Vor- und Nachteilen beider Möglichkeiten befassen. Zu einem gewissen Grade ist dies auch eine weltanschauliche Frage, manche schwören auf Linsen, andere auf Reflektoren.

Reflektoren haben oft den Ruf einen höheren Wirkunsggrad zu besitzen als Linsen. Dies lässt sich sehr einfach damit begründen, dass wirklich 100% des Lichts der LED eingefangen und in die gewünschte Richtung gelenkt werden. Im Idealfall sind dies mehr als 95% des Lichtstroms. Da es natürlich in der Natur eines Reflektors liegt vorne offen zu sein, benötigt man noch eine entsprechende Abdeckung. Diese wirkt sich natürlich auch negativ auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems aus. Wenn man auf hochwertige Komponenten setzt kann man aber auch hier Werte um 95% halten. Wenn man Pech hat, oder am falschen Ende gespart hat, summieren sich die Verluste auch schnell auf 10-20%.

Nahezu alle am Markt erhältlichen Reflektoren bestehen aus metallbedampften Kunststoffen. Wenn Effizienz das ausschlaggebende Kriterium ist empfiehlt es sich auf aluminiumbedampfte Mylarreflektoren zurückzugreifen. Es gibt jedoch auch verchromte oder versilberte Reflektoren. Einen Sonderfall stellen die goldbedampften Modelle dar. Im Gegensatz zu Silber, Chrom oder Aluminium wird die Lichtfarbe hier massiv beeinflusst. So lässt sich auch mit einer kaltweißen LED eine deutlich angenehmere Lichtfarbe zaubern. Die silbrigen Metalle reflektieren das Licht nahezu unverfälscht. Manche LEDs neigen an den Rändern des Lichtkegels zu unschönen Farbrändern, auch hier können spezielle Reflektoren eine Lösung sein. Statt einer glatten sind sie mit einer „orange-peel“ Oberfläche versehen, die das Licht zusätzlich etwas streut .

Der Begriff „Linse“ für die meisten in der Ledtechnik verwendeten Optiken ist etwas irreführend. Streng genommen arbeiten sie auch mit dem Prinzip der Totalreflexion. Damit überhaupt etwas totalreflektiert werden kann, müssen ein paar Kleinigkeiten beachtet werden. Die Oberfläche der Optik, sowohl an der Seite als auch an der Front, darf nicht beschädigt oder sonstwie beeinflusst sein. Die Optik mit einer reichlichen Portion Epoxy an der Led festzuschmieren fällt daher aus. Die Positionierung der Optik ist ebenfalls entscheidend für ein optimales Ergebnis ( das dann auch im Bereich 90% Effizienz liegen kann). Viele Optiken sind dafür mit entsprechenden Abstandhaltern für Starmodule ausgestattet. Beim Kauf der Leds sollte daher auch direkt darauf geachtet werden die Star-Variante zu wählen. Auch Optiksysteme mit Linsenhalter setzen auf den klassischen Hexagon-Star. Anders als Reflektoren gibt es Linsen auch mit asymmetrischen Abstrahlcharakteristiken. In den Datenblättern oder Produktbeschreibungen lassen sich diese an der doppelten Winkelangabe indentifizieren. Wer mit dem Gedanken spielt weiße LEDs hinter Optiken zu betreiben, sollte sich bewusst sein, dass es hier wieder zu Farbrändern kommen kann. Der Grund hierfür liegt in den unterschiedlichen Winkeln, mit denen die einzelnen Spektralanteile des weißen Lichts gebrochen werden.

Unabhängig ob man nun Optik oder Reflektor verwenden möchte, die Kombination mit einer LED kann nur als System gedacht werden. Jede LED stellt besondere Ansprüche an das optische Zubehör und man kann nicht einfach „irgendwelche“ Elemente kombinieren. Bei neuen LEDs kann es daher etwas dauern, bis entsprechendes Zubehör verfügbar ist.

• Kühlung

Kühlung ist einer der Kernaspekte wenn man sich mit HP-LEDs beschäftigen möchte – es geht einfach nicht ohne! Der normale Arbeitsbereich von singlechip HP-LEDs bewegt sich irgendwo zwischen 350-1000 oder gar 1500mA. Das führt zu einer Leistungsaufnahme von ca. 1-3,5W von denen ein erheblicher Anteil in Wärme umgesetzt wird, Energieeffizienz hin oder her. Die Wattzahlen mögen auf den ersten Blick nicht sonderlich beeindruckend sein, diese paar Watt sind jedoch auf einer Fläche von ca . 1mm² konzentiert. Der LEDchip heizt sich innerhalb kürzester Zeit massiv auf, ohne Kühlung ist die LED in 1-2 Sekunden tot.

Der unmittelbare Tod des Chips, ist die sichtbarste Folge mangelhafter Kühlung. Dabei steigt die Die-Temperatur schnell ins unermessliche (100° +). Auf  lange Sicht kann jedoch auch eine erhöhte Die-Temperatur ein vorzeitiges Ableben der LED zur Folge haben. 70° Die-Temperatur sind eigentlich ein guter Tradeoff zwischen Lebensdauer und Kühlaufwand. Im Idealfall beträgt die Temperatur an der Die natürlich nur Raumtemperatur, aber dies ist nur unter Laborbedingungen zu erreichen. In den Datenblättern der Hersteller finden sich unter Umständen Grafiken, wie sich die Temperatur auf die Lebensdauer auswirkt. Als Anwender hat man natürlich nicht die Möglichkeit die Die-Temperatur auszumessen, da der Chip unerreichbar im Package versiegelt ist. Aus diesem Grund muss man sich mit Näherungswerten begnügen. Die einfachste Möglichkeit ist dabei den Kühlkörper oder noch besser die Starplatine auszumessen. Die Temperatur sollte hier nicht mehr als mehr als 50° C betragen. Wenn man nichts da hat um seine Konstruktion auszumessen, tut es im Notfall auch die Hand. Da greift man sprichwörtlich zur Daumenregel und fasst den Kühler einfach mal an. Wenn die Temperatur nach 2-3h Betrieb noch nicht die Schmerzgrenze erreicht hat, sollte alles klar gehen.

Um die überschüssige Wärme des Chips abzuführen, verfügt jede HP-LED über eine charakteristische Kühlfläche auf der Unterseite. Hier die Unterseite einer Cree MC-E:

Die einfachste Möglichkeit ist wohl, die LED via Wärmeleitkleber auf dem Kühlkörper zu befestigen. Auf der Positivseite dieser Methode steht, dass man so die Anzahl von Übergängen minimiert. An jedem Übergang staut sich die Wärme und auch mit WL-Paste oder -Kleber lässt sich das nicht völlig ausgleichen. Für schnelle Testaufbauten ist dies natürlich nicht geeignet, verklebt ist verklebt. Die LED würde beim Versuch sie wieder vom KK zu entfernen höchstwahrscheinlich beschädigt. Wenn man mehr als eine LED auf dem Kühlkörper montieren will  stellt sich ein anderes Problem: Die Kühlfläche macher LEDs ist nicht potentialfrei. Bei einer Reihenschaltung auf unisoliertem KK fließt der Strom dann nur durch die erste LED.

Ein Weg diese Problem zu umgehen ist die Verwendung von Metallkernplatinen. Basismaterial ist in aller Regel Aluminium. Die Form kann dabei variieren, gängig sind Stripeplatinen oder Sterne.

Multiline (Stripe für viele gängige singlechip LEDs)

(Star +  Seoul p4)

Die Platinen isolieren elektrisch und leiten thermisch. Der Nachteil des zusätzlichen Übergangs wird von diesen Vorteilen bei weitem aufgehoben. Wenn man bereits bestückte Stars kauft, kann man sich auch sicher sein, dass die Verbindung LED – Star sehr gut ist, da reflow-gelötet. Wenn man selbst keine Möglichkeit hat reflow zu löten, kann man natürlich auch hier kleben. Die großen Lötpads auf den Stars machen es Lötanfängern auch einfacher alles zu verkabeln ohne die LED zu beschädigen.

Die erste Frage bei der Wahl eines passenden Kühlkörpers sollte „aktiv oder passiv ?“ sein. Der große Vorteil einer passiven Kühlung ist ihre Wartungsfreundlichkeit. Sie stauben kaum zu, es gibt keine beweglichen Teile mit einer MTBF unterhalb der Lebensdauer der LEDs und sie machen keinen Krach. Unter Umständen kommt man aber an zusätzlicher Aktivkühlung nicht vorbei. Passivkühler müssen deutlich größer sein als selbst die, mit minimalem Luftstrom. In engen Einbauschächten könnte es auch zum Wärmestau kommen wenn die Luft nicht umgewälzt wird. Bei Multichipmodulen mit deutlich über 10W Leistungsaufnahme, kann eine passive Kühlung auch unter Idealbedingungen überfordert sein, da hilft dann auch nur  Zwangsbelüftung.

Um 10W abzuführen, muss ein Passivkühler schon ungefähr diese Dimensionen besitzen (alter AMD Slot A Kühler, 125x55x30mm).

Kleinere Kühler kann man sich auch mit Bordmitteln aus Alu- oder Kupferblech selbst herstellen.

• Stromversorgung

Wie bei allen LEDs sollten HP-LEDs ebenfalls mit einer Konstantstromquelle betrieben werden. Anders als für die „kleinen“ Modelle mit 20mA hat sich für HP-LEDs ein breites Angebot von KSQs für den direkten 230V Betrieb gebildet. Die kleinsten und kompaktesten Treiber sind für 3W LEDleistung ausgelegt, aber es gibt natürlich auch größere Modelle für 10W+. Die Anzahl der LEDs lässt sich aber nicht beliebig hoch skalieren. Bei allen mir bekannten Modellen werden die LEDs in Reihe geschaltet und man würde ab einer bestimmten Anzahl LEDs den Bereich der Schutzkleinspannug verlassen.

Vorteil dieser fertigen LEDtreiber ist ihr relativ niedriger Preis, die einfache Montage, die kompakten Abmessungen und die hohe Effizienz (~ 90%).

Die gängigen Modelle stellen einen Ausgangsstrom von 350 oder 700mA bereit, andere Werte sind schwer zu bekommen.

(kompakter 1x3W Treiber)

Für mobile Anwendungen gibt es ebenfalls diverse Modelle für Gleichstrombetrieb. Oft haben sie bereits passende Abmessungen für spezielle Taschenlampenmodelle.

• Binning, Bins

In der Produktion von Halbleitern kommt es zu relativ breiten Streuungen der Chipqualität. Die Unterschiede können schon auf einem Wafer gewaltig sein. Um dem Kunden die Orientierung zu erleichtern, wird die Produktion daher oft in sogenannte „Bins“ unterteilt, in denen dann alle Chips Leistungsdaten in einem Bereich von x-y haben.

LEDs eines Binnings kommen dann auf eine Rolle und als solche in den Handel. Die Rolle ist mit einem entsprechenden Code versehen, der Auskunft darüber gibt, was sie nun enthält. Für den Großteil der Endkunden sind von diesem kryptischen Code nur zwei Angaben wichtig, das Helligkeitsbin und die entsprechen Angabe zur Farbtemperatur.

Das Helligkeitsbin ist zumindest im Bastelsektor die wichtigere Angabe, leider rücken die entsprechenden Shops oft keine detaillierteren Angaben heraus. Für Cree-LEDs hat das Helligkeitsbin oft schon die Funktion einer Typenangabe übernommen (z.b.: Q5, R2, usw.) , obwohl es sich offiziell um eine XR-E (Q5 oder R2) handelt. Davon sollte man sich aber nicht verwirren lassen.

In meinen Augen mindestens ebenso wichtig ist die Angabe über die Farbtemperatur. Für Beleuchtungsaufgaben macht es einen himmelweiten unterschied ob man LEDs mit weniger als 2500K(elvin) oder gar über 5000K verwendet. Dies wird ebenfalls über einen entsprechenden Bin-code geregelt. Leider geizt man hier leider oft mit genauen Angaben und die LEDs werden nur unter den schwammigen Labels Warmweiß (WW), Neutralweiß (NW) oder Kaltweiß (KW) verkauft.

Jeder Hersteller hat bei der Kodierung natürlich ein eigenes System, im Zweifelsfall hilft nur ein Blick in die zugehörigen Datenblätter. Es empfiehlt sich dabei, die Informationen direkt von den Seiten der Hersteller zu beziehen, in den verkürzten Datenblättern der Shops schleichen sich auch mal Fehler ein oder die  Angaben sind unvollständig.

• Einleitung
• Bauformen
• Leistungsklassen
• High-Power LEDs
• Welche LED wofür?

LED-Projekte auf Botchjob:

• Seoulspot
• Old Jack’s LEDlight
• Nachtischlampe