High Power LED – Definition & Funktion

Was ist eine High Power LED?

High Power LED, auch Hochleistungs-LED genannt, sind eine Art von LED, die eine höhere Leistung und Helligkeit haben und natürlich im Vergleich zu den kleinen Leistungs-LEDs teurer sind. Der reguläre LED-Nennstrom beträgt 20 mA, grundsätzlich kann man LED mit einem Nennstrom von mehr als 20 mA als High Power LED bezeichnen.

Im Allgemeinen beträgt die Leistung von LEDs 0,25w, 0,5w, 1w, 3w, 5w, 5w, 8w, 10w und so weiter. Die Helligkeit von High Power LED wird in lm gemessen, während sie bei kleinen Leistungs-LEDs in mcd gemessen wird. High Power LED werden derzeit in großem Umfang für Autoleuchten, Taschenlampen, Beleuchtungskörper usw. verwendet. High Power LED werden entsprechend den Small-Power-LEDs benannt.

Die High Power LED wird in drei Typen klassifiziert:

• Der erste Typ ist nach der Nennleistung des Endprodukts nach der Verpackung zu klassifizieren,er kann 0.5W, 1W, 3W, 5W, 10W bis 100W oder mehr betragen.

• Der zweite High Power LED Typ wird nach Gehäusetechniken klassifiziert: großdimensioniertes Epoxidharzgehäuse, simuliertes Superflux-Epoxidgehäuse, MCPCB-Gehäuse, TO-Gehäuse, Leistungs-SMD-Gehäuse, MCPCB-Integrationspaket usw.

• Die dritte Klassifizierung ist durch das Ausmaß des Lichtzerfalls, es können High-Power-LED mit niedrigem und nicht niedrigem Lichtzerfall sein.

High Power LED sind energieeffiziente Bauelemente, die einen ausreichenden Lumenausstoß erzeugen und sich ideal für gängige Beleuchtungsanwendungen eignen.

High Power LED sind die beste Festkörper-Lichtquelle, welche es ermöglicht, die kreativen Ideen für Beleuchtungen zu verwirklichen. High Power LED sind sowohl als Stern- als auch O’Ring-Bauweise erhältlich. Beide Konfigurationen bieten die bestmögliche Farbwiedergabe und Farbtemperatur. Mit einer nominellen korrelierten Farbtemperatur von 3200K, nahe der traditionellen Innenlichtquelle, ist sie besonders für Architekten und Lichtdesigner geeignet.

Technische und optische Spezifikationen für 1, 3 und 5-Watt-High Power LED

Die High Power ist in der Helligkeit vergleichbar mit den Standard-Glühlampen und Halogenglühlampen. Damit eignet sich die High Power LED perfekt für Anwendungen im Automobil, in der Industrie, im Haushalt und im Hobbybereich.

Sie sind nicht nur hell, sondern verbrauchen auch einen Bruchteil der Leistung einer Glühbirne, was sie extrem energieeffizient macht.

Die High Power LED ist in 1-Watt-, 3-Watt- und 5-Watt-Ausführungen in verschiedenen Farben erhältlich. Ausserdem gibt es auch mehrfarbige High Power LED mit drei internen LEDs (ein rotes, grünes und blaues Element) sowohl in 1-Watt- als auch in 3-Watt-Ausführung. Zusätzliches Zubehör wie Linsenbaugruppen zur Fokussierung des Ausgangslichts je nach Anforderungen oder Hochleistungsstromtreiber in verschiedenen Modellen sind erhältlich.

Aufbau von Hochleistungs-Stern-LEDs

Die High Power LED verfügt über einen Aluminiumkühlkörper zur Wärmeableitung. Um die LED zu betreiben, müssen die großen + und – Pads auf der Platine an eine strombegrenzte Stromquelle angeschlossen werden. Für Anwendungen, bei denen nur die High Power LED selbst ohne die Aluminium-Grundplatte benötigt wird, sind am Markt auch die einzelnen High-Power LED-Chips verfügbar, sodass eigene Beleuchtungsanlagen kostengünstig gebaut werden können.

High Power LED Arten

Hier haben wir einige Leistungsmerkmale verschiedener High Power LED gesammelt. Die Daten stammen von verschiedenen LED-Chips und -Herstellern und sollten als Durchschnittswerte verstanden werden, denn es gibt einfach zu viele Modelle und Varianten von High Power LED auf dem Markt.

Hochleistungs-LED-Treiber

High Power LED, die jetzt in Produktion sind, haben eine Leistung von 200 Lumen/W und mehr erreicht, ein Niveau, das als kritischer Meilenstein gilt. Einige Hersteller behaupten sogar, dass sie im Labor 360 Lumen/W erreichen. Das bedeutet, dass die High Power LED die CFL (80 Lumen/W) in Bezug auf die Energieeffizienz übertroffen hat.

Die Kosten der LED-Beleuchtung sind schnell gesunken. Ein großer Teil der Kosten einer typischen LED-Lampe geht auf die einzelnen Weißlicht-Dioden zurück, die sie enthält. Ihr Preis ist von etwa 5 Euro pro Diode vor einigen Jahren auf weniger als 1 Euro in den letzten zwölf Monaten gesunken. Viele Analysten der LED-Industrie sagen voraus, dass im Laufe des nächsten Jahres die Preise für den Ersatz von Glühbirnen durch LEDs sinken werden.

Einige Hersteller von High Power LED behaupten bereits, lichtemittierende Chips entwickelt zu haben, die in der Lage sind, eine LED-Glühbirne zu betreiben, die ein Licht erzeugt, das mit dem der 120-W-Glühbirne vergleichbar ist. Diese Art von LED-Chip verbraucht normalerweise etwa 12 W bis 15 W Leistung, wenn diese Lichtmenge abgegeben wird.

Der Chip, der heute eine LED in Beleuchtungsqualität betreibt, muss in der Lage sein, das LED-Licht zu dimmen. LEDs werden mit einem Konstantstrom betrieben, wobei die Höhe des Gleichstroms proportional zur LED-Helligkeit ist. Es gibt zwei Methoden, die High Power LED durch Steuerung des Stroms zu dimmen. Die erste ist das analoge Dimmen, bei dem die LED proportional zu einer Verringerung ihres Gleichstrompegels gedimmt wird. Das Hauptproblem ist, dass eine Reduzierung des LED-Stroms dazu führen kann, dass das LED-Licht seine Farbe ändert.

Die zweite Methode ist das digitale oder Pulsweitenmodulationsdimmen (PWM). Beim PWM-Dimmen wird die LED mit einer Frequenz bei oder über 100 Hz ein- und ausgeschaltet, einer Frequenz, die für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist. Das Tastverhältnis der PWM-Dimmung ist proportional zur LED-Helligkeit, während der LED-Strom im eingeschalteten Zustand auf einem von einem LED-Treiber-IC eingestellten Wert bleibt. Auf diese Weise bleibt die LED-Farbe auch bei starker Dimmung konstant. Diese Methode des PWM-Dimmens kann in bestimmten Anwendungen mit einem Ein/Aus-Verhältnis von bis zu 10.000:1 verwendet werden.

Die ICs, die High-Brightness-LEDs (HB-LEDs) antreiben, müssen in der Lage sein, genügend Strom und Spannung zu liefern, um viele verschiedene Arten von LED-Konfigurationen zu handhaben. Die LED-Beleuchtung hat sich zu einem Punkt entwickelt, an dem es eine Reihe von Eigenschaften gibt, die jeder Treiber-IC für diesen Markt bieten muss. Die meisten Branchenbeobachter würden wahrscheinlich zustimmen, dass zu diesen Merkmalen ein weiter Eingangsspannungsbereich bis zu 220 V, ein weiter Ausgangsspannungsbereich ebenfalls bis zu 220 V, ein Umwandlungswirkungsgrad im Bereich von 95 %, eine streng geregelte LED-Stromanpassung, wahrscheinlich weniger als 2 % über der Temperatur, die Fähigkeit zum rauscharmen Betrieb bei Frequenzen bis zu 2,5 MHz, eine unabhängige Strom- und Dimmsteuerung und ein breites Dimmbereichsverhältnis von bis zu 10.000: 1 gehören.

Es ist auch klar geworden, dass LED-Treiber mehrere Wandlungstopologien bieten müssen, die Buck, Boost, Buck-Boost und SEPIC umfassen. Und sie müssen Schutzfunktionen enthalten, wie z.B. Schutz für offene LED-Strings, LED-Pin-to-VOUT-Kurzschlüsse und genaue Unterspannungs-Lockout-Schwellenwerte. Wie bei den meisten Festkörperschaltkreisen ist auch hier eine kleine, kompakte Grundfläche mit minimalen externen Komponenten von entscheidender Bedeutung.

High-Power LED Treiber-ICs

Die Mehrheit der Autoscheinwerfer verwendet immer noch die Glühbirnentechnologie. HID (High-Intensity-Discharge)-Xenon-Lampen wurden erstmals Ende der 1990er Jahre für den Einsatz als Autoscheinwerfer eingeführt. Sie sind jedoch teuer in der Herstellung und Herstellung, so dass sie bisher auf Fahrzeuge der Oberklasse beschränkt waren. In Zukunft wird die jüngste Einführung von HB-LEDs wahrscheinlich den Niedergang der HID-Xenon-Lampen für den Automobilgebrauch bedeuten. Marktanalysten erwarten, dass der HB-LED-Scheinwerfer im nächsten Jahrzehnt eine große Wachstumsrate haben wird.

HID-Xenon-Lampen verbrauchen typischerweise etwa 35 W. Ein äquivalenter weißer LED-Scheinwerfer, der 25 W verbraucht, kann mit einer Anordnung von 18 LEDs in Reihe mit 350 mA Strom konfiguriert werden. Eine Möglichkeit zur Ansteuerung einer solchen Konfiguration bietet der kürzlich vorgestellte monolithische LED-Treiber LT3956 von Linear Technology. Der LT3956 ist ein Gleichspannungswandler, der als Konstantstrom- und Konstantspannungsregler arbeitet.

Der LT3956 besitzt einen internen Low-Side-N-Kanal-Leistungs-MOSFET mit einer Nennspannung von 84 V bei 3,3 A und wird über eine interne geregelte 7,15-V-Versorgung angesteuert. Die Current-Mode-Architektur mit fester Frequenz führt zu einem stabilen Betrieb über einen weiten Bereich von Versorgungs- und Ausgangsspannungen. Ein massebasierter, referenzierter Spannungsrückkopplungs-Pin (FB-Pin) dient als Eingang für mehrere LED-Schutzfunktionen und ermöglicht es dem Wandler außerdem, als Konstantspannungsquelle zu arbeiten. Über einen Frequenzeinstell-Pin kann der Anwender die Frequenz von 100 kHz bis 1 MHz programmieren, um den Wirkungsgrad, die Leistung oder die Größe der externen Komponenten zu optimieren.

Der LT3956 misst den Ausgangsstrom auf der hohen Seite der LED-Kette. Die High-Side-Abtastung ist das flexibelste Schema für die Ansteuerung von LEDs und ermöglicht Boost-, Abwärts- oder Aufwärts/Abwärts/Aufwärts-Konfigurationen. Der PWM-Eingang ermöglicht ein LED-Dimmverhältnis von bis zu 3.000:1, und der CTRL-Eingang bietet zusätzliche analoge Dimmfähigkeiten.

Einige Anwendungen für Hochleistungs-HB-LED-Treiber benötigen LED-Ströme von mehr als 10 A. Dazu gehören DLP-Projektoren, Lasertreiber und Architekturbeleuchtung. Es kann jedoch eine Vielzahl von Designproblemen geben, die Ströme von mehr als 10 A liefern, nicht zuletzt aufgrund des Wärmemanagements im Endprodukt selbst! Zu diesem Zweck hat Linear Technology einen speziellen LED-Treiber entwickelt.

Der LT3743 ist ein synchroner Abwärts-Gleichspannungs-Gleichspannungs-Abwärtswandler, der dafür ausgelegt ist, Hochstrom-LEDs mit einem konstanten Strom zu treiben. Er kann einen LED-Dauerstrom von bis zu 20 A oder einen gepulsten LED-Strom von bis zu 40 A liefern. Der Chip ermöglicht eine Dreistufen-Stromsteuerung für Farbmischanwendungen, wie sie in DLP-Projektoren vorkommen. Er bietet außerdem eine schnelle (unter 2 μsec) Übergangszeit von Stromstärken, die die Auflösung der Farbmischung optimiert und schnelle Stromimpulse in Lasertreiberanwendungen ermöglicht.

Dank seines Eingangsspannungsbereichs von 5,5 bis 36 V kann der LT3743 zusätzlich zur DLP-Projektion eine Vielzahl von Anwendungen abdecken, darunter industrielle und architektonische Beleuchtung. Der Chip liefert bis zu 20 A LED-Dauerstrom aus einem nominellen 12-V-Eingang mit einer Leistung von über 80 W. In gepulsten LED-Anwendungen kann er bis zu 40 A LED-Strom oder 160 W Spitzenstrom aus einem 12-V-Eingang liefern. Wirkungsgrade von bis zu 95% machen externe Kühlkörper überflüssig und vereinfachen das thermische Design erheblich.

Der LT3743 bietet sowohl PWM- als auch CTRL_SELECT-Dimmung, um ein Dimmen mit drei LED-Stromstärken zu ermöglichen. Dies hilft bei der Handhabung von Farbmischanwendungen wie denen in DLP-Projektoren. In ähnlicher Weise ermöglicht die Topologie des Chips den Übergang zwischen zwei geregelten LED-Stromstärken in weniger als 2 µsec, was eine genauere Farbmischung in RGB-Anwendungen ermöglicht. Die LED-Stromgenauigkeit von ±6% hält den Lichtaustritt von mehreren LEDs nahe beieinander. Zu den weiteren Merkmalen gehören Ausgangsspannungsregelung, Schutz bei offener LED, Überstromschutz und eine thermische Derating-Schaltung.

High Power LED – Beste Wahl für lichttechnische Anwendungen?

Die Entwicklungen von High Power LED stellen eine der bedeutendsten Innovationen dar, die die Beleuchtungsindustrie in den letzten Jahren getroffen hat. Lose definiert als LEDs mit mindestens 1 W Leistung, haben High Power LED oder High Brightness LED die Branche belebt, indem sie beispiellose Vorteile in Bezug auf Lichtleistung, Energieeffizienz, Haltbarkeit und Kosteneinsparungen bieten.

Doch obwohl diese Vorteile in Branchenpublikationen zu Recht gefeiert wurden und sich in den schnell wachsenden Hochleistungskatalogen der führenden LED-Hersteller und -Zulieferer widerspiegeln, ist die High Power LED nicht unbedingt die beste Wahl für jede lichttechnische Anwendung. Tatsächlich kann die Standard-LED-Technologie in vielen Situationen eine vergleichbare Helligkeitsleistung bieten und gleichzeitig erhebliche Kosten-, Design- und Leistungsvorteile generieren.

Standard-LEDs im Vergleich zu Hochleistungs-LEDs

Um zu veranschaulichen, wie ein Standard-LED-Array im Vergleich zu einer High Power LED signifikante Einsparungen beim Designprozess, bei den Kosten und beim Platzbedarf erzielen kann, betrachten wir eine theoretische Anwendung, die eine Lichtleistung oder Helligkeit von 90 Lumen erfordert. Diese Helligkeit kann durch die Verwendung einer einzelnen 1-W High Power LED oder eines Arrays aus sechs Standard-LEDs erreicht werden.

Der für ein Standard-LED-Array erforderliche Designprozess kann aufgrund stark vereinfachter Überlegungen zum Wärmemanagement wesentlich einfacher sein als der für eine Hochleistungstechnologie erforderliche Prozess. In unserem Beispiel wird die 1-W-LED mit 350 mA Strom betrieben, im Vergleich zu nur 120 mA Strom für das Array aus sechs Standard-LEDs.

Die Hochleistungstechnologie erfordert einen Kühlkörper und eine Leiterplatte mit Metallkern (MCPCB), um sicherzustellen, dass die Sperrschichttemperatur nicht so hoch ist, dass es zu einem Wirkungsverlust, einer Verkürzung der Lebensdauer oder einer Farbverfälschung kommt. Für Standard-LEDs sind keine Kühlkörper, keine MCPCB, keine Kondensatoren oder Widerstände erforderlich, so dass sie einfacher zu entwerfen, zu testen und herzustellen sind. Dieser vereinfachte Prozess spart nicht nur Zeit und Geld während des Herstellungsprozesses, sondern verkürzt auch die Zeit bis zur Markteinführung.

Einsparung von Kosten

Die Anforderungen an das Wärmemanagement einer High Power LED können die Kosten für die LED erheblich erhöhen. Die kostspieligste Designeinlage ist der Kühlkörper, der aus einer Vielzahl von Metallmaterialien hergestellt werden kann, von relativ preiswertem Aluminium bis hin zu leitfähigeren, aber auch teureren Materialien wie Kupfer und Silber. Diese teuren Materialien können die Kosten des Hochleistungsprodukts um 1€ bis 10€ erhöhen, ein Preis, der für Standard-LED-Geräte nicht gilt.

In ähnlicher Weise erfordern High Power LED auch die Verwendung eines MCPCB, der als eine weitere passive Kühltechnik zur Kontrolle der Sperrschichttemperatur dient. Diese Platinen leiten die Wärme effizienter ab als die kostengünstigeren FR4-Platinen, die bei Standard-LEDs verwendet werden, da die Materialien in MCPCBs eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Sie können jedoch bis zu fünfmal teurer sein als die FR4-PCBs. Die Möglichkeit, eine preiswertere FR4-Leiterplatte zu verwenden, die Notwendigkeit eines teuren Kühlkörpers zu eliminieren und Designüberlegungen zu vereinfachen, kann zu Kosteneinsparungen von bis zu 60% führen.

High Power LEDs sind platzsparend

Und schließlich, wenn es in einem Gerät erhebliche interne Platzbeschränkungen gibt, wird auch hier oft eine Standard-LED die beste Wahl sein. Wie bereits erwähnt, erfordern High Power LED den Einsatz von Kühlkörpern, eine insgesamt sperrige Kühltechnologie. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, mehr Oberfläche zu schaffen, die durch Konvektion und Strahlung gekühlt werden kann. Eine größere Oberfläche kann dazu beitragen, die Wärme effektiver zu reduzieren, aber sie verleiht der High Power LED auch eine größere Masse, was zu Designhindernissen auf kleinerem Raum und bei kleineren Produkten führen kann.

Außerdem benötigen Standard-LED-Arrays oft nicht die platzraubenden Treiber, Kondensatoren und Widerstände, die ihre Pendants mit High Power LED benötigen, so dass Raumeinsparungen von bis zu 50 % möglich sind. Bei Anwendungen mit begrenztem Platzangebot kann ein Array aus Standard-LEDs die gleiche Helligkeit wie eine High Power LED bieten und dabei erhebliche Immobilieneinsparungen ermöglichen.

Anforderungen an LED-Anwendung

Wie ist es also möglich, herauszufinden, ob eine High Power LED oder eine Kombination aus einer oder mehreren Standard-LEDs für eine bestimmte Anwendung besser geeignet ist? Bei einigen Designs ist die Wahl klar.

Kleinere, batteriebetriebene oder tragbare Geräte wie Unterhaltungselektronik, Akzentbeleuchtung und Standard-Anzeigelampen verwenden seit langem Standard-LEDs und werden dies wahrscheinlich auch weiterhin tun. Auf der gleichen Linie werden einige Bereiche weiterhin High Power LED Technologie verwenden, darunter allgemeine Außenbeleuchtung, großflächige Innenbeleuchtung (Schienenbeleuchtung, Glühlampenaustausch) und Kfz-Frontbeleuchtung.

Andere Anwendungen fallen jedoch in eine Grauzone und können sorgfältig in Betracht gezogen werden, wie z.B. kleinflächige Beleuchtung wie Handschuhfächer und Schränke, Innen- und Außenbeschilderung, zahnmedizinische und medizinische Geräte und Statusanzeigen von Industriesteuerungen.

Die passende LED für jeden Einsatz

LED-Hersteller können ihren Kunden helfen, einen fruchtbaren Weg aus der Grauzone zu finden und die für sie geeignete Technologie auszuwählen. So arbeitete beispielsweise ein führender Gerätehersteller an der Beleuchtung der Innenkabine eines Kühlschranks. Das ursprüngliche Design erforderte drei Hochleistungs-1-W-LEDs, um ein bestimmtes Helligkeitsniveau zu erreichen.

Eine Firma bot eine Alternativlösung an, indem es ein Array von 18 standardmäßigen 5-mm-LEDs mit hoher Helligkeit und spezieller Linse anbot. Durch diese Umstellung von drei High Power LED auf die 18 Standard-LEDs erzielte der Gerätehersteller eine Kostenersparnis von 50 % ohne übermäßige Wärmeentwicklung innerhalb des Kühlschranks.

Manchmal sind Hochleistungstechnologien für diese Grauzonen am besten geeignet. Ein anderer Kunde, ein Anbieter von Kalibrierüberwachungssystemen, wandte sich an den gleichen Hersteller, um die Effizienz seiner bestehenden 3 x 3-Zoll-Platine zu analysieren, die 36 oberflächenmontierbare Standard-LEDs mit 1/4 W verwendet. Eine kundenspezifische Lösung ersetzte die 36 1/4-W-LEDs durch neun 1-W-Hochleistungskomponenten, ohne die Leistungsanforderungen zu ändern. Trotz der Notwendigkeit, eine MCPCB hinzuzufügen, brachte die neue Technologie immer noch 25 % Kosteneinsparungen und 15 % Immobilieneinsparungen.

Die richtige Wahl treffen

Der beste Weg, die richtige LED-Auswahl für ein Produkt zu treffen, ist es, mit seinem Lieferanten zu sprechen, der über einen umfangreichen Katalog von Standard- und High Power LED verfügen sollte. Anstatt zu einer bestimmten Ausstechtechnologie zu drängen, sollte sich der Lieferant die Zeit nehmen, um die einzigartigen technologischen Bedürfnisse und spezifischen Anwendungsanforderungen wirklich zu verstehen.

Ein Qualitätslieferant erstellt dann eine maßgeschneiderte Lösung, indem er Fragen stellt, um zu ermitteln, welche minimale bzw. maximale Lichtintensität benötigt wird, wie viel Leistung zur Verfügung stehen wird, den idealen Kostenbereich für das Gesamtsystem, die internen Platzbeschränkungen, die Größe der zu beleuchtenden Fläche, wo das Produkt eingesetzt werden soll und die allgemeine Betriebstemperatur. Eine gründliche Untersuchung dieser Kriterien hilft bei der Entscheidung, ob eine Standard- oder eine High Power LED Lösung für die Anwendung besser geeignet ist und ob sie einen wesentlichen Einfluss auf den Erfolg des Produktdesigns und das Endergebnis haben kann.

High-Power-LEDs kühlen

Der Wärmefluss von High-Power-LEDs konkurriert mit dem von CPUs und anderen Halbleiterbauelementen. Daher hat das Wärmemanagement von LEDs eine zentrale Rolle bei ihrer erfolgreichen Einführung gespielt.

Es ist wichtig, daran zu erinnern, dass eine LED kein Hochtemperatur-Leuchtmittel vom Typ Glühdraht ist. Während eine einzelne LED eine kalte und effiziente Lichtquelle ist, benötigen Anwendungen für High Power LED, einschließlich Arrays, ein ähnliches Wärmemanagement wie andere Halbleiterbauelemente.

Die meisten LEDs werden in oberflächenmontierbaren (SMD) oder Chip-on-Board-Gehäusen entworfen. Im neuen 1 bis 8-W-Bereich von SMD-Power-LED-Gehäusen kann der Wärmefluss an der thermischen Schnittstelle zwischen 5 und 20 W/cm2 liegen.

Diese AlInGaP- und InGaN-Halbleiter haben ähnliche physikalische Eigenschaften und Grenzen wie andere Transistoren oder ASICs. Während die Wärme von Glühlampen durch Infrarotstrahlung abgeführt werden kann, sind LEDs zur effektiven Kühlung auf leitende Wärmeübertragung angewiesen.

Da von den LED-Zuleitungen und zentralen Thermosteckern eine höhere Leistung abgeführt wird, haben sich die Leiterplatten so verändert, dass diese Wärme entsprechend abgeführt wird. Standard-FR-4-PCBs können immer noch für High Power LED mit einer Verlustleistung von bis zu 0,5 W verwendet werden, für höhere Leistungen sind jedoch metallische Substrate erforderlich.

Eine Metallkern-PCB, auch als isolierte Metallsubstrat-(IMS-)Platine bekannt, wird oft unter 1-W- und größeren Geräten verwendet. Diese Platinen haben typischerweise eine 1,6 mm dicke Basisschicht aus Aluminium mit einer darauf angebrachten dielektrischen Schicht.

Kupferleiterbahnen und Lötmasken werden nachträglich hinzugefügt. Durch die Aluminiumbasis kann die Wärme effizient von der LED weg zum System geleitet werden. Aber thermisch ableitende Leiterplatten sind nicht immer ausreichend oder geeignet in Anwendungen mit High Power LED. Es stehen andere Kühlungsdesigns zur Auswahl, und es kann eine Herausforderung sein, die geeignetste und kosteneffektivste Lösung für eine bestimmte Anwendung auszuwählen.

Kühlmethoden für LEDs

Die Kühlmethode und die optische Linse sind zwei Parameter, die eine entscheidende Rolle für den Erfolg einer LED spielen. Diese Faktoren beeinflussen die Form, Größe und Konstruktion der Leuchte, die die Beleuchtungseinheit bildet. Da eine lange Lebensdauer und ein ausfallsicherer Betrieb für jede LED unerlässlich sind, ist der Kühlungsprozess von entscheidender Bedeutung.

Der Kunststoffkörper einer LED ist nicht wärmeleitend, und das Gerät strahlt keine Wärme ab. Die einzige wirksame Kühlmethode ist die Wärmeabfuhr durch den Geräteboden.

Daher werden üblicherweise hoch wärmeleitende Materialien verwendet, um die Wärme von der Rückseite der LED abzuleiten. Abhängig von der Verlustleistung und der Gleichmäßigkeit der Lichtemission kann die Kühlmethode passiv (Wärmesenke bei natürlicher Konvektion), aktiv (Lüfter-Senken) oder flüssigkeitsgekühlt sein.

Mit ihrer grundlegenden, robusten Konstruktion können LEDs in Umgebungen eingesetzt werden, die von dekorativen bis hin zu so kritischen Beleuchtungsanforderungen wie Kfz-Scheinwerfern reichen. Daher müssen ihre Kühlsysteme unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur und der spezifischen Endanwendung ausgelegt werden.

Beispielsweise erfordert ein Autoscheinwerfer mit einer Temperatur unter der Motorhaube von 85 bis 100°C und einer Verlustleistung von 42 bis 90 W eine besondere Berücksichtigung von Kühlung und Zuverlässigkeit. In anderen Anwendungen wird die LED oft mit vergleichbarer Verlustleistung betrieben, um die gleiche Lichtleistung wie eine Glühlampe zu erzielen.

Die maximal zulässige Sperrschichttemperatur der LED ist jedoch auf etwa 120° bis 135°C begrenzt (bis zu 185°C in neueren Entwicklungen). Vergleicht man diese Grenzen mit denen einer Glühlampe, die Betriebstemperaturen von 1.500 bis 3.000°C zulässt, so ist die thermische Herausforderung für LEDs das größte Hindernis für ihre erfolgreiche Implementierung.

Diese thermischen Einschränkungen sind in der Regel zu beachten:

• Sperrschicht-LED max. <120° bis 185°C
• Lebensdauer der T-Übergangs-LED <100° bis 110°C
• Die LED-Leistung beträgt 1 bis 8 W
• Die Lichtleistung ist stark temperaturabhängig

Kühlungsoptionen

Die Kühloptionen für LEDs reichen von einfacher natürlicher Konvektion in Luft bis hin zur Flüssigkeitskühlung, bei der eine Kühlplatte und ein Flüssigkeitskreislauf das erforderliche Kühlsystem bilden. Da die meisten Marktanwendungen für LEDs vor der Flüssigkeitskühlung zurückschrecken, konzentrieren wir uns auf die Luftkühlung von LEDs.

Die meisten LED-Lampen verwenden bekannte Kühltechniken. In einigen Fällen kann die Metallhalterung einer Leuchte als Kühlkörper fungieren, aber die thermischen Anforderungen der LEDs müssen beim Design der Einheit berücksichtigt werden.

Steigende Leistungsdichte, ein höherer Bedarf an Lichtleistung und Platzbeschränkungen führen zu fortschrittlicheren Lösungen für die Kühlung. Hocheffiziente Kühlkörper, die für Konvektion und Strahlung innerhalb einer spezifischen Anwendung optimiert sind, werden immer wichtiger werden.

Wie bei jedem Halbleitergehäuse spielt der Wärmewiderstand beim Wärmemanagement von LEDs eine bedeutende Rolle. Der höchste Wärmewiderstand im Wärmeübertragungspfad ist der thermische Übergangswiderstand (Rj-b ) des Gehäuses.

Der Ausbreitungswiderstand ist ebenfalls ein wichtiges Thema. Thermisch verbesserte Spreizmaterialien wie Metallkern-PCBs, Kühlplatten und Dampfkammern für Anwendungen mit sehr hohem Wärmefluss sind brauchbare Systeme zur Verringerung des Spreizwiderstands.

Lineare Kühlungen sind speziell für LED-Streifen erhältlich. Runde Kühlkörper sind speziell für runde LED-Platinen erhältlich, die Halogenglühlampen in Anwendungen wie Scheinwerfern und Downlighting ersetzen. Der runde Kühlkörper hat ein spezielles sternförmiges Rippendesign, das die Oberfläche für eine effektivere Konvektions- (Luft) und Strahlungskühlung in der vertikalen Einbaulage maximiert.

Aktive Wärmemanagementsysteme können für High-Flux-Power-LED-Anwendungen eingesetzt werden. Dazu gehören Wasserkühlung, Zwei-Phasen-Kühlung und Lüfter. Obwohl aktive Kühlmethoden für LEDs energetisch nicht zu rechtfertigen sind, gibt es Gründe für ihren Einsatz, wie z.B. die Gewährleistung der Lumenabgabe oder des wartungsfreien Betriebs oder die Erfüllung spezifischer Wellenlängenanforderungen.

Analyse der Kühlung

Die Ausarbeitung einer Lösung erster Ordnung erfolgt durch eine analytische Analyse. Dieser Ansatz identifiziert die Problembereiche (Komponenten und Systemlayout) und ermittelt das Ausmaß des Problems (Sperrschichttemperatur des Bauteils und erforderliches Kühlungsniveau). Einige Analysen können schnell durchgeführt werden, um den Umfang des Problems in den Griff zu bekommen.

Rechnergestützte Analyse

Mit Hilfe von Computeranalysen werden Lösungen zweiter Ordnung entwickelt, um die Ergebnisse aus Schritt 1 zu verifizieren. Das Problem muss gut verstanden werden, um ein Modell zu entwickeln, das das Problem genau wiedergibt.

CFD (computational fluid dynamics) wird ein vollständiges 3-D-Bild des Problems liefern. Es werden sowohl Wärmeübertragung als auch Strömung berechnet. CFD wird typischerweise verwendet, um den Effekt der Ausbreitung des Widerstands innerhalb der Leiterplatte, die Strömung um die LED-Lampe sowie die thermische Leistung und Optimierung eines Kühlkörpers zu charakterisieren.

Experimentelle Analyse

Das Endprodukt muss experimentell getestet werden, sei es auf Konformität oder Betrieb. Bei einer LED-basierten Anwendung wird die Sperrschichttemperatur anhand der Vorwärtsspannungskennlinie gemessen. Die LED muss zunächst mit einer 10-mA-Konstantstromquelle kalibriert werden. Während des Betriebstests ist die Strommessquelle die ganze Zeit eingeschaltet. Nach der Stabilisierung wird der Betriebsstrom abgeschaltet.

Nach dem Abschalten des Stroms wird der Abfall der Durchlassspannung gemessen. Die thermische Masse der Sperrschicht ist klein, was zu einer schnellen Abkühlzeit führt.

Diese Temperaturänderung tritt in weniger als 1 ms auf, so dass die Vorwärtsspannung in Mikrosekunden nach dem Ereignis gemessen werden muss. Die Vorwärtsspannung ergibt zusammen mit der Kalibrierkurve die Sperrschichttemperatur unter Betriebsbedingungen. Diese Temperatur muss sowohl für maximale als auch für typische Umgebungsbedingungen innerhalb der Spezifikationen liegen.

Mythen über aktive vs. passive Methoden

Lüfter sind laut

Das stimmt schon, ja … der Lüfter in der Mikrowelle macht Lärm, genau wie der Lüfter in einem PC oder sogar der Fensterlüfter. Aber nehmen Sie einen kugelgelagerten, bürstenlosen DC-Lüfter mit niedriger Drehzahl (unter 2000 Umdrehungen pro Minute), der von einem der führenden Lüfterhersteller wie Delta, NMB, EBM-Papst oder anderen hergestellt wurde, und betreiben Sie ihn am unteren Ende seines Spannungsbereichs… was passiert dann?

Sein Schallpegel kann weniger als 16-18 dB betragen – völlig unhörbar in einem absolut geräuschlosen Raum, wenn er sich in einer Vorrichtung befindet, die mindestens zwei Meter über dem Boden steht. Tatsächlich wird es schwer sein, ihn aus einem Meter Entfernung in einem ruhigen Raum zu hören. 16 dB liegen weit unter dem 24-dB ANSI-Standard für die leisesten Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen.

Lüfter sind unzuverlässig

Bürstenlose kugelgelagerte DC-Lüfter haben eine der sichtbarsten und beneidenswertesten Feldhistorien aller elektromechanischen Komponenten in der Elektronikindustrie. Millionen von unternehmenskritischen Computern, die das Internet und drahtlose Kommunikationssysteme mit Strom versorgen, sind seit weit über einem Jahrzehnt rund um die Uhr mit lüftergekühlten Netzteilen in Betrieb, die solche Lüfter verwenden. Was sagt das über ihre erwiesene Zuverlässigkeit und das Vertrauen der Benutzer aus?

Solche Lüfter werden durch so genannte “L10-Berichte” gestützt. Diese Berichte geben die Lebenserwartung bei hohen Temperaturen und höchsten Drehzahlen an. Bei den sehr niedrigen Geschwindigkeiten, die in aktiv gekühlten LED-Leuchten verwendet werden, liegt die Lebenserwartung weit über 100.000 Stunden und damit deutlich über der Lebenserwartung der LEDs selbst.

Ventilatoren verschwenden Strom

Ein Lüfter wie der oben beschriebene, der ein 300-Watt-System kühlt und mit niedriger Drehzahl arbeitet, verbraucht deutlich weniger als 2 Watt – weniger als 0,75 % der Systemleistung. Ein 100-Watt-System verbraucht sogar weniger als ein Watt.

Lüfter sammeln Staub

Es hat sich herausgestellt, dass es in der Praxis erhebliche Beweise dafür gibt, dass, wenn man einen Lüfter mit hoher Geschwindigkeit in einer schmutzigen Umgebung oder in der Nähe von staubigen Teppichböden betreibt, die Lüfterblätter tatsächlich Staub ansammeln können, obwohl dieser Staub die Funktion der Geräte nicht wirklich beeinträchtigt. In einer kommerziellen Hochleistungsumgebung sieht die Lage jedoch anders aus.

Denn der Lüfter befindet sich immer auf einer beträchtlichen Höhe und arbeitet immer mit einer sehr niedrigen Geschwindigkeit. Bei sehr niedriger Luftgeschwindigkeit unterscheidet sich das System nur wenig von einem passiv gekühlten (d.h. ohne Luftgeschwindigkeit) Kühlkörpersystem mit sehr niedriger Turbulenz. Das Ergebnis, das in zahlreichen bestehenden LED-Installationen mit aktiver Kühlung nachgewiesen wurde und durch Staubkammertests unterstützt wird, ist, dass nach mehrjährigem Gebrauch jegliche Staubansammlung so gering ist, dass sie für den Kühlprozess irrelevant ist.