Fachbeitrag Ins richtige Licht gesetzt

Es gibt prinzipiell zwei Designkonzepte zum Aufbau LED-basierter Leuchten. Welche sind diese?

Viele Hersteller von Lampen und Leuchten setzen bei ihren Designs auf Einzel-Chip-LEDs, auch SMD-LEDs genannt. Doch unter praxisnahen Bedingungen erreichen diese bei Leistungen von bis zu ca. 3 W derzeit nur eine Helligkeit von rund 400 lm, was aber für viele Applikation nicht ausreicht. Leuchtenentwickler gehen daher häufig den Kompromiss ein, mehrere SMD-LEDs in einem Lampenkopf unterzubringen, was mitunter kniffelig sein kann: Mehrere SMD-LEDs haben einen erheblichen Platzbedarf vor allem für Ansteuerung und Kühlung der individuellen SMD-LEDs. Eine Multipunkt-Lichtquelle benötigt zudem eine komplizierte, aufwändige Optik, um das Licht zu bündeln und zu leiten. Dabei lässt sich eine Bildung von mehrfachen Schatten nicht ganz vermeiden. Sharp hingegen verfolgte von Anfang an das Konzept, LED-basierte Leuchtmittel als Matrix aus LED-Dies aufzubauen und stellte bereits 2007 unter dem Namen Zenigata das erste Multichip-LED-Modul vor. Diesen Ansatz haben wir erfolgreich weitentwickelt, so dass die Arrays von Sharp in Sachen Effizienz und Helligkeit eine effektive Alternative zum Einsatz mehrerer SMD-LEDs sind.

Zunächst haben Arrays den Vorteil, dass sich ihre Helligkeit leicht über die Anzahl der Dies variieren lässt. Sharp fasst bei seinen LED-Modulen bis zu 170 Dies in einem Array zusammen. Die leistungsstärksten Module erreichen dabei nahezu 7.000 lm - eine Helligkeit, die sich sonst nur mit mehreren Dutzenden SMD-LEDs erzielen lässt. Letztendlich kann durch das Array-Konzept die Maximalhelligkeit der LED-Module gut skaliert werden, indem man das zu erreichende Lumenpaket über die Anzahl der Dies verändert. Wir verfügen inzwischen über ein umfassendes Portfolio mit mehr als 100 LED-Arrays in fein abgestuften Leistungsklassen: Mit den Produktfamilien Mega, Mini und Pico Zenigata sowie der SAE-Serie decken wir das Leistungsspektrum von 0,1 W bis weit über 50 W mit Lichtströmen von 5 bis 7.000 lm nahezu lückenlos ab. Trotz der Leistung haben die High-Power-LED-Arrays sehr geringe Abmessungen. Die Licht emittierende Oberfläche des 50-W-Mega-Zeni-Arrays ist zum Beispiel nur 200 mm² groß. Es gehört damit zu den kompaktesten Modulen dieser Leistungsklasse, die derzeit am Markt sind. Dadurch besitzen die LED-Module von Sharp ganz ähnliche optische Eigenschaften, wie leistungsstarke, punktförmige Lichtquellen und eine Reihe von Vorteilen speziell gegenüber Leuchtmitteln, die auf mehreren SMD-LEDs basieren: Keine mehrfache Schattenbildung sowie ein klares, einfaches Design der sekundären Optiken und eine Vereinfachung der Kühlkörperarchitektur. Die Arrays eignen sich besonders für das Design von Strahlern und Downlights. Bei den Mega-Zeni-Modulen mit ihrer keramischen Substratbasis kommt hinzu, dass die 15- und 25- zu den 50-W-Produktlinien mechanisch und optisch untereinander kompatibel sind. Daher können basierend auf den Sharp-Mega-Zeni-Modulen Leuchten und Lampen mit unterschiedlichen Helligkeiten, aber mit identischen Reflektoren, Linsen und Gehäuseformen aufgesetzt werden.

LEDs gelten als besonders langlebige Leuchtmittel. Gilt das auch für Arrays?

Ja sicher. Arrays sind aufgrund ihrer Matrixstruktur in puncto Ausfallsicherheit den Einzel-Chip-LEDs sogar überlegen. Die Verschaltung einer größeren Anzahl kleiner LED-Dies in Serie und parallel in einer Matrix sorgt dafür, dass selbst wenn einzelne Dies ausfallen, der Stromfluss durch das Array aufgrund der Verschaltung gesichert ist. Dadurch bleibt das Modul insgesamt voll funktionsfähig. Die Matrixschaltung selbst reduziert ebenfalls die thermische Belastung der Dies verglichen mit der Einzel-Chip-Lösung erheblich, da durch die Verschaltung die Stromdichte an den einzelnen LED-Dies reduziert wird. Der Einsatz von vielen Dies kleiner und mittlerer Leistungsklasse auf dem Substrat und deren geringere Ansteuerung erhöht die Effizienz der Summenschaltung und verringert entsprechend die thermische Belastung des einzelnen Dies. Mit der entsprechenden Erfahrung lassen sich dank der Matrixstrukturen Strom und Spannung über einen weiten Bereich beeinflussen, um für die jeweilige Anwendung und Leistungsklasse den optimalen Arbeitspunkt einzustellen. Bei Versorgung des Arrays mit Konstantströmen oberhalb des nominellen Wertes, liefern die Module der Mega-Zeni-Serie einen bis zu 40 Prozent höheren Lichtstrom verglichen mit den typischen Werten. Zudem nutzen wir für unsere LED-Module Keramiksubstrate, die die Abwärme über die gesamte Fläche des Substrates besser verteilen als bei einer einzelnen punktförmigen Wärmequelle der Hochleistungs-SMD-LEDs. Dies reduziert ebenfalls die thermische Belastung der einzelnen Dies, so dass die LED-Module von Sharp über eine Mindest-Lebensdauer von 40.000 h bei einer Betriebstemperatur von 90 °C verfügen.

Wie ist die Lichtqualität von Arrays im Vergleich mit Einzel-Chip-LEDs?

Generell entscheidet über die Lichtqualität von LED basierten Leuchtmitteln - ganz gleich ob Arrays oder SMD-LED - die mit Phosphor dotierte Beschichtung auf den blauen Dies. Bei Sharp enthält die Beschichtung der LED-Module Mischungen aus rotem und grünem Phosphor. Je nach Zusammensetzung lassen sich unterschiedliche Farbtemperaturen erzeugen. Neben den rein- und kaltweißen LED-Modulen bietet Sharp auch eine Reihe von neutral- und warmweißen-Arrays an und deckt letztendlich das für Beleuchtungszwecke relevante Farbspektrum von 2.700 bis 6.500 Kelvin ab. Die speziellen Phosphormischungen führen auch zu sehr hohen Color Rendering Indizes (CRI), die für große Farbechtheit und Detailtreue sorgen. Die High-Color-Rendering-Module der Mega-Zenigata-Reihe haben sogar CRI-Werte von bis zu (typischen) 93. In der Regel verfügen die LEDs von Sharp für alle Farbtemperaturen einen CRI-Wert von mindestens 80 - ein bedeutender Qualitätssprung vor allem bei den Warm-Weißlicht-LEDs. In Verbindung mit einer guten Lichtausbeute entsprechen sie damit den Anforderungen des internationalen Energy-Star-Programms und anderen Industriestandards.

Arrays bieten trotzdem einen Vorteil bei der Lichtqualität gegenüber den SMD-LEDs - welchen?

Die Herausforderung bei der Herstellung ist die Homogenität einzelner LED-Leuchtmittel bezüglich der Farbtemperatur, da das menschliche Auge bereits die Abweichung von einigen Kelvin als Farbunterschied wahrnimmt. Während der Produktion lassen sich gewisse Abweichungen in den optischen Eigenschaften von LED-basierten Leuchtmitteln kaum vermeiden, da gleich zwei Parameter dazu beitragen: 1. die Zusammensetzung der Phosphormischung und 2. die individuellen Charakteristika der einzelnen blauen Dies. Besonders bei Einzel-SMD-LEDs führt dies zu sichtbaren Unterschieden von der eigentlichen Farbtemperatur, da beide Parameter voll zum Tragen kommen. Daher werden die fertigen LEDs im Anschluss an die Produktion nach definierten Abweichungen vom Farbort selektiert. Die genaue Farbtemperatur der LEDs bzw. Module definieren bei diesem Binning-Verfahren sowohl der Nennwert der Farbtemperatur als auch der Binning-Rang. Bei Einzel-Chip-LEDs erfordert die Sortierung bis zu 25 Bins, um gleichförmige optische Eigenschaften innerhalb eines Bins sicherzustellen. Bei Arrays hingegen sind die Abweichungen deutlich geringer, da sich die optischen Abweichungen der einzelnen blauen Dies ausmitteln; je größer die Zahl der einzelnen Dies, desto weniger unterscheiden sich die Basis-Arrays untereinander. Abweichungen werden somit hauptsächlich durch die Phosphormischung und ihre Aufbringung auf die Matrixoberfläche verursacht. Sharp hat den Herstellungsprozess von LED-Arrays bereits soweit optimiert, dass der Unterschied in der Farbtemperatur zwischen einzelnen LED-Modulen für das menschliche Auge so gut wie nicht mehr erkennbar ist. Als einer der wenigen Hersteller von LED-Arrays kann Sharp alle neuen LED-Module in einer Farbselektion von nur zwei Bins nach „MacAdam Step 5“ anbieten. Ziel ist es, das Herstellungsverfahren soweit zu verbessern, dass alle produzierten Arrays die eng gesteckten Kriterien von „MacAdam 3“ in einem Bin erreichen mit Chromatizitätskoordinaten, die so nahe bei den definierten Werten liegen, dass das menschliche Auge keinen Farbunterschied mehr wahrnimmt. Bei den Modulen der 50-W-Mega-Zeni-Serie hat Sharp dieses Ziel bereits erreicht.