LED-News
Technologie, Materialien und Trends
Technologie, Materialien und Trends
Die amerikanische Illuminating Engineering Society (IES) und International Ultraviolet Association (IUVA) haben kürzlich gemeinsam die erste Richtlinie zur Messung der UV- Produktemission in einer Reihe geplanter amerikanischer nationaler Richtlinien veröffentlicht.
ANSI/IES/IUVA LM-92-22 genehmigtes Verfahren: Optische und elektrische Messtechnik von Ultraviolett-LEDs zeigt im Detail ein Verfahren zur wiederholbaren Laborprüfung sowie zur Messung der optischen und elektrischen Leistungseigenschaften von UV-LEDs. LM-92 beinhaltet die Messung von UV-LEDs im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 400 nm bei Dauerimpulsbetrieb Bei LEDs mit Wellenlängen über 360nm gilt ANSI/IES LM-85-20.
Die Herausgabe der UV-Standards für LEDs ist eine Folge der SARS-CoV-2-Pandemie. In der Zusammenarbeit mit den Industrien arbeiten IES und IUVA an der Erweiterung der UV-LED- Standards wie LM-85, LM-80 und LM-92. Die öffentliche Gesundheit sollte so umfangreich wie möglich gewährleistet sein, so Cameron Miller, Leiter der UV-Arbeitsgruppe des National Institute of Standards and Technology (NIST).
SMD und COB sind zwei verschiedene LED-Bauarten. Die SMD (Surface Mount LED) stellt die Bauart dar, wo eine große Anzahl Lichtdioden gleichmäßig verteilt auf der Oberfläche einer Leiterplatte festgelötet werden. Die konkurrierende Bauform COB (Chip on Board) hat dagegen einen einzelnen Chip als Lichtquelle und trägt bis zu 200 oder mehr integrierte Dioden auf sich.
Die heute am meisten verbreiteten LED-Lampen sind die auf der SMD-Bauform basierten Leuchten. In den 80er Jahren gewannen COB-LEDs wegen ihrer starken Leistung allerdings mehr Aufmerksamkeit auf dem Lichtmarkt. Damals konnte man jedoch das Hitzeproblem beim COB nicht lösen. Daraufhin übernahm das SMD-Format die Vormachtstellung und wurde zum populärsten Leuchtmittel.
Die Vorteile der SMD sind dank ihrer flexiblen Formen vielseitig und für verschiedene Anlagenkonstruktionen geeignet. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Beleuchtungs- und Verpackungstechnologie ist es aber bei den COB-LEDs gelungen, deren Wärmeabteilung entschieden zu verbessern sowie die elektrische Leistung zu stabilisieren. Heute zeichnen sich COB-LEDs im Vergleich zu SMD durch herausragende Lichtqualität, hohe Lichtausbeute und effektives Wärmemanagement aus.
Bei der Auswahl der LEDs wird immer mehr auf Faktoren wie weniger Energieverbrauch und Umweltfreundlichkeit geachtet. Parallel dazu spielen dabei auch Wirtschaftlichkeit und Kosten eine wichtige Rolle. Wie sucht man die richtige Leuchte aus? Im Privathaushalt sowie bei kommerziellen Anwendungen, wo eine niedrige Lichtleistung benötigt wird, sind SMD-LEDs vorteilhaft. Industrielle und gewerbliche Anwendungen, die Hochleistungslicht wie z. B. ab 80 W brauchen, ist COB die bessere Wahl. Untenstehend sehen Sie einen Vergleich von SMD und COB zum besseren Überblick.
Wärme ist der größte Feind der LEDs, weil sie vor allen beim Einsatz in den Industrien und der Wirtschaft für eine lange Zeit in Betrieb sind. Sie beleuchten bis zu 16 Stunden täglich, bei manchen Werken sogar rund um die Uhr. Während der gesamten Betriebsdauer erzeugt die Lichtquelle bei einer Zimmertemperatur von 20° C bereits nach einer Stunde eine Hitze bis zu 125° C oder mehr. Wird die Hitze nicht umgehend gemindert, beschädigt sich die Lichtquelle von innen selbst. Ist das Arbeitsumfeld sehr heiß wie z. B. in der Stahlindustrie nimmt die Lampe von außen zusätzliche Hitze auf. Die Lebensdauer der Lichtquelle wird durch die andauernde Wärme verkürzt und LED-Lampe ist schneller defekt als erwartet. Der Schutz vor Erhitzung stellt bei LED-Leuchten ein wichtiges Thema dar.
Ein hocheffizientes System zur thermischen Dämmung selbsterzeugter Hitze bei COB-LEDs ist die Dampfkammer. Das Konzept besteht drin, thermische Kontrolle durch eine isolierte und kontrollierte Umgebung zu erreichen. Die Lichtquelle (Chip) wird direkt auf eine Dampfkammer aus Kupfer montiert. Die während der Betriebsdauer permanent erzeugte starke Hitze wird umgehend von der Dampfkammer aufgenommen und zügig an Metallkühlkörper weitergeleitet.
Die gängigen Füllungsmaterialien (Thermoflüssigkeiten) sind destilliertes Wasser, Öl, Gas, gasförmiger Stickstoff etc. Öl hat eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Destilliertes Wasser ist günstiger und ebenfalls effizient. In der Dampfkammer wird der Siedepunkt des Wassers bereits bei 30° C erreicht und verwandelt nun das Wasser zügig in Dampf. Der Zyklus zwischen Verdunstung und Verflüssigung (Wasser-Dampf-Zyklus) beschleunigt den Abkühlungsprozess. Je größer die Fläche der Dampfkammer ist, desto schneller verteilt sich die Abwärme der Chips. Die Temperatur des Chips beträgt dann bei einer geregelten Temperatur höchsten bis zu 77,3° C. LED-Leuchten können dadurch sozusagen "schön kühl" bleiben und sind dadurch langlebig.
Das Beleuchtungskonzept des Smart Lighting ist nicht neu. Aber in den vergangenen Jahren verlief die Verbreitung recht langsam. Dank der Weiterentwicklung von IT-Technologien könnte diese intelligente Lichtsteuerung in Smart-Gebäuden zum Durchbruch kommen. Die auf LED basierte SSL (Solid-State Lighting = Festkörper-Beleuchtung) verfügt nun über die Fähigkeit, sich ins elektronische System einbinden zu lassen. Dadurch wird eine noch flexiblere Lichtsteuerung in Gebäuden bzw. Einrichtungen ermöglicht. Das gesamte Beleuchtungssystem benötigt keine fest verlegte Kabelverbindung mehr und kann daher überall im Gebäude drahtlos auf drei verschiedenen Ebenen fein eingestellt werden: auf Makro-, Lokal- und Gerätebenen.
KI und IoT machen es möglich
Künstliche Intelligenz (KI) gewinnt in allen Bereichen unseres Alltags- und Arbeitslebens zunehmend an Einfluss. Die Zukunftsversion von Smart Städten mit intelligenten Sensor- und Datenverarbeitungsnetzwerken, KI und maschinellem Lernen (ML) hat zum Ziel, den Lebens- und Arbeitsraum in eine selbstdenkende Eigenverwaltung zu verwanden.
Dabei ist das Smarkt Lighting Control System die logische Weiterentwicklung des Lichtmanagements: die Integration der Beleuchtungsanlagen in die IT-Umgebung. Die drahtlose Kommunikationstechnologie der IoT (Internet of Things = das Vernetzungssystem zwischen Beleuchtungsanlagen) macht es wirtschaftlich möglich, die LED-Lampen durch das Internet untereinander zu vernetzen. Dadurch entstehen weitere Vorteile, nicht nur beim Gebäudemanagement, sondern auch auf öffentlichen Straßen wie zum Beispiel: zusätzliche Energieeinsparung, zentrale LED-Lichtsteuerung bei der Gebäude-/Straßenautomation, besseres System-Controlling und mehr öffentliche Sicherheit.
LED ganz oben im Internet des Lichts (Internet of Lights)
Um den anspruchsvollen IT-Rahmenbedingungen gerecht zu werden, sind LED-Leuchten wegen ihrer vorteilhaften Eigenschaften ein wichtiger Bestandteil. Deren Besonderheiten im Vergleich zu herkömmlichen Lampen sind:
Die Umstellung herkömmlicher Lampen auf LED-Leuchten findet kontinuierlich statt. Die hohen Anschaffungskosten der LED-Leuchten stellen mittlerweile immer weniger eine Hürde dar, da die LED-Strahler neben den vielfach besseren Leistungen nicht nur die Nachhaltigkeit gewährleisten, sondern dabei auch den finanziellen Vorteil einer langfristigen Kostensenkung bieten.
LEDs haben eine lange Lebensdauer von über 50.000 Stunden, bei manchen sind es sogar 70.000 Stunden oder noch mehr. Umgerechnet ist hier bei einem täglichen 16-stündigen Dauereinsatz von mindestens 8 bis 11 Jahren die Rede, ohne dass während dieses langen Zeitraums die LEDs gewartet werden müssen. Ob diese Ziele erreicht werden können, hängt von der Qualität der Leuchten ab. In den vorherigen Artikeln dieser Serie wurde bereits über diverse Problemstellen bei industriellen LED-Strahlern berichtet, die zu einem Defekt führen können.
Die Wartung industrieller Beleuchtungen ist mit hohem Aufwand verbunden. Oft befinden sich die Leuchten der Fabrikhalle in einer Höhe von über 10 Metern, 20 Metern oder noch mehr. Zur Durchführung der Wartung wird ein Kran benötigt, um den Techniker nach oben zu transportieren. In Werkbereichen, die explosionsgefährdet sind, muss sogar in der ganzen Halle die Arbeit zum Stillstand kommen. Die Anschaffungskosten industrieller LED-Leuchten ist hoch und die Wartung ist zugleich verhältnismäßig teuer und aufwändig. Besser wäre es, bei der Beschaffung von Anfang an die richtigen Leuchten zu finden, welche hinsichtlich der Leistung und Lebensdauer ihr Versprechen auch wirklich halten.
Wenn die Beleuchtung ausfällt, heißt das nicht zwangsläufig, dass die Leuchte tatsächlich defekt ist. Es könnte auch lediglich am Driver (Stromversorger) liegen, und wenn Sie den Driver austauschen, funktioniert die Leuchte wieder. Jetzt stellt sich erneut das Problem mit der Wartung in großer Höhe. Eine Lösung wäre, den Driver bei der Installation von den Leuchten zu trennen und in einem Metallkasten auf einer niedriger gelegenen Stelle in der Fabrik anzubringen. Das erleichtert die Wartung.
Es ist außerdem wichtig, die richtige Schutzklasse für den vorgesehenen Anwendungsbereich zu wählen. Für eine schwierige Arbeitsumgebung und im Freien werden robuste LEDs mit der hohen Schutzklasse IP68 benötigt.
Eine jährliche Reinigung hält die Leuchten sauber und staubfrei. Diese Maßnahme ermöglicht eine regelgerechte Wärmeabfuhr und verlängert die Nutzdauer der Leuchten.
LEDs strahlen sehr schön. Der dadurch verursachte Lichtsmog darf jedoch nicht unterschätzt werden. Anders als Luftverschmutzung bedeutet Lichtverschmutzung nicht, dass Licht verschmutzt ist oder Schadstoffe enthält, sondern dass die Umwelt durch zu viel Licht beeinträchtigt wird. Das Thema gewinnt immer mehr Aufmerksamkeit und sollte bei der Planung ebenfalls berücksichtigt werden.
Gründe der Lichtverschmutzung
Problematisch ist der Blaulichtanteil im Licht. Für die meisten industriellen Anwendungen wird das Weißlicht mit einer Farbtemperatur von 5300 K bis 6500 K genutzt. Je höher die Farbtemperatur der Lichtquelle ist, desto höher ist der Blaulichtanteil im beleuchteten Spektrum. Die Folgen sind ein erhöhter Blendungseffekt, intensive Lichtglockenbildung in der Atmosphäre, stärkere Anziehungskraft auf Insekten und Schlafstörungen beim Menschen.
Weitere Ursachen sind eine zu starke Lichtanwendung und eine fehlgeleitete Beleuchtung unter anderem auf gewerblichen Grundstücken, auf Straßen, an Fassaden sowie von Werbereklamen. Das bedeutet zugleich, dass das Licht nicht effizient genutzt wird. Lichtverschmutzung bedeutet im Wesentlichen Energieverschwendung.
Der Grund liegt an dem Optikdesign der LEDs. Bei der Konstruktion wird das Licht nicht effektiv genutzt und fällt auf Bereiche, wo dies nicht erwünscht ist. Ein Beispiel dazu wäre eine breitflächige Straßenbeleuchtung, die zwar die Straße ausreichend erhellt, aber das grelle Licht in die Wohnungen am Straßenrand eindringen lässt und den Schlaf der Bewohner stört, oder eine Straßenlampe, die einen zu kleinen Strahlungsbereich projiziert. Als Folge entsteht ein Lichtloch zwischen den Straßenbeleuchtungen.
Maßnahmen gegen Lichtverschmutzung
Solange Menschen nachts Licht brauchen, ist es unmöglich, Lichtverschmutzung gänzlich zu verhindern. Jedoch lässt sie sich durch Technologie und eine sinnvolle Lichtanwendung reduzieren. Möglichkeiten sind beispielsweise die Absenkung der Beleuchtung auf einem Industriegelände und den Straßen sowie die Abschaltung des Lichts in späten Nachtstunden. Man sollte also einen Kompromiss zwischen Sicherheit und Effizienz finden. Die SIA Norm 491 dient als Grundlage zur Vermeidung unnötiger Lichtemissionen im Außenraum.
Nachhaltig und effektiv ist eine Optimierung der Lichtnutzung, z. B. die Minimierung von unerwünschtem Streulicht bei Werbebeleuchtungen durch den Einsatz der Technik. Auch gelbliches bis warmweißes Straßenlicht mit der Lichtfarbe unterhalb 3000 K spendet Licht mit äußerst geringen Ultraviolett- und Blauanteilen und wird allgemein als sehr angenehm empfunden.
Eine weitere Methode besteht darin, Licht gezielt zu lenken und zu steuern. Die Optiklinse kann hier einen großen Beitrag zur Effizienzsteigerung leisten. Die Linse steuert einerseits die Lichtstrahlung gezielt unter und auf die vorgesehenen Bereiche, verstärkt aber gleichzeitig die Beleuchtungsstärke. Damit werden sowohl Lichtverschmutzung als auch Energieverschwendung vermieden.
Lichtsteuerung durch die Optiklinse
Einige Hersteller optimieren ihre Leuchten durch das Optikdesign und setzen zusätzlich die optische Linse ein. Die Linse hat die Funktion, die Lichtstrahlung zu verstärken und dahin zu lenken, wo das Licht benötigt wird. Bild 2 zeigt den photometrischen Lichtvergleich für eine Fabrikhalle. Die rote Lichtform stellt die ursprüngliche Lichtausstrahlung dar. Die blaue Lichtform zeigt, dass Licht erfolgreich durch die Optiklinse auf die niedrige Fläche geleitet wird und sich weitflächig verbreitet. Das Licht wird vollständig ausgenutzt und es gibt auf dem gesamten Gelände keinen Dunkelbereich.
Achten Sie auf die Qualität der Optiklinse. Linsen mit minderwertiger Qualität sitzen oft nicht richtig und verursachen ein Lichtleck. Ein Lichtleck ist durch einen Strahlenkranz um den Rand der Linse zu erkennen.
Früher war Watt, heute ist Lumen die populäre Maßeinheit, um die Lichtleistung einer LED-Leuchte anzugeben. Bei der Ausschreibung von Lichtprojekten ist es üblich, die Lumen-Werte anzugeben, die Leuchten mitbringen müssen. Für die industrielle Anwendung ist diese Methode leider nicht ganz passend, um dem realen Lichtbedarf eines Unternehmens gerecht zu werden. Als Konsequenz führt dies zu unnötigem Stromverbrauch.
Die erforderliche und die reale Lichtleistung
Lumen (lm) ist die Einheit für den Lichtstrom einer Lichtquelle und gibt an, wie viel Licht eine Leuchte pro Zeiteinheit abgibt. Im Klartext beschreibt Lumen den von den Augen wahrnehmbaren Lichtstrom, der von der Lichtquelle radial im gesamten Raum bis auf den Boden ausstrahlt, wie Bild 1 zeigt. Je höher der Raum ist, desto höher müssen die Lumen-Werte sein, um die Helligkeitsanforderungen zu erfüllen.
In Fabrikhallen und Arbeitsplätzen wird Licht vor allem an den Stellen benötigt, wo sich Menschen aufhalten, z. B. auf einem Arbeitstisch, an Maschinen, bei Regalen usw. Für eine Hallendecke reicht das Restlicht völlig aus. Eine Beleuchtung des gesamten Raums bis zur Decke ist eine Verschwendung.
Die richtige Maßeinheit für den industriellen Lichtbedarf ist Lux (lx). Lux ist die Einheit der Beleuchtungsstärke und beschreibt die Intensität eines auf eine Fläche treffenden Lichtstroms (lx = lm / m2). DIN EN 12464-1 & -2 legen die Richtwerte der Beleuchtung für sämtliche Arbeitsräume, Arbeitsplätze und Tätigkeiten fest, sie geben die genaue Helligkeit für den jeweiligen Einsatzbereich an. Die Bezugshöhe für die Bewertung der Beleuchtungsleistung im Büro ist zum Beispiel 75 cm über der Bodenfläche.
Bei der Bewertung der eingehenden Angebote sollte die zentrale Frage gestellt werden, wie viele Leuchten mit welchen Watt für das geforderte Lux auf der Gesamtfläche nötig sind. Je weniger Watt bzw. Strahler gebraucht werden, desto mehr Energie wird gespart.
Zu Bekämpfung von SARS-CoV-2-Viren in öffentlichen Gebäuden wurden im vergangenen Jahr zahlreiche UV-C-Geräte installiert. Wenn es um Sicherheitsbedenken im Zusammenhang mit der Verwendung von Ultraviolett-Licht (UV) geht, denkt man zuerst an die Schäden, die UV-Strahlen an Haut und Augen verursachen können. Aber es gibt noch einen weiteren Risikofaktor: die Ozon-Emission.
Die Möglichkeit einer schädlichen Ozonemission bei UV-C-Licht wurde mit UV-Wellenlängen in Verbindung gebracht. Die Anbieter werben damit, dass ihre Produkte die richtigen Wellenlängen zu Desinfektionszwecken haben sollen. Einige Aufsichtsbehörden möchten das jedoch nicht so einfach glauben und sind lieber vorsichtig. Bekanntlich ist Ozon ein starkes und giftiges Oxidationsmittel, das die Lunge befallen und Atembeschwerden verursachen kann. So will das kalifornische Air Resources Bord (CARB = Behörde für die Reinhaltung der Luft) sicherstellen, dass die im Kampf gegen das SARS-CoV-2-Virus entstehenden UV-C-Geräte ozonsicher sind.
Die UV-Strahlung wird ihrer biologischen Wirkung nach in 3 Wellenlängenbereiche unterteilt:
Bei bestimmten Wellenlängen und Dosen der UV-C-Strahlung wurde nachgewiesen, dass SARS-CoV-2 abgetötet wird. UV-C-Produkte haben Wellenlängen von 222, 254 oder 265 nm. Eine Inaktivierung des Corona-Virus wird bei einer UV-Dosis von 5,1 mJ/Cm² mit einer Rate von 99 % oder noch höher erreicht. Ozon entsteht bei Wellenlängen unterhalb von 242 nm. Experten sind jedoch der Meinung, dass die Ozonproduktion nur unter 200 nm signifikant und nicht tragbar ist.
CARB gibt dazu klare Richtlinien vor. Luftreiniger, die als elektronisch aufgeführt sind, können in der Lage sein, geringe Mengen Ozon zu erzeugen Diese Kategorie umfasst Ionisatoren, Elektrofilter, PCOs, Hydroxyl-Erzeuger, Geräte mit UV-Licht-Bauteilen und andere elektronische Luftreinigungstechnologien. CARB testet UV-Produkte auf Ozon und gibt solche frei, die die Ozonkonzentration in der Luft weniger als 0,050 Teilchen pro Milliarde (50 ppb, parts per billion) emittieren. (Quelle: https://ww2.arb.ca.gov/list-carb-certified-air-cleaning-devices)
Die amerikanische Energiebehörde DOE (U.S. Department of Energy) hat 2020 eine Untersuchung über die globale Fertigungslieferkette der LEDs (Light-Emitting Diodes = Leuchtdioden) sowie der LED-Leuchtprodukte durchgeführt. Der im März 2021 veröffentlichte Bericht ermittelte wirtschaftliche Auswirkungen der Lieferkette auf die Staaten und identifizierte zugleich die Chancen für die heimische Fertigung. Dieser Bericht ist durchaus auch für Europäer interessant, da sich die Lichtindustrie in der EU in einer ähnlichen Lage wie die in den Staaten befindet.
Der Bericht erläutert ausführlich die Fertigungsprozesse der typischen LED-Produkte und stellt das anteilige Verhältnis der LED-Produkte fest, welche in den Staaten sowie weltweit herstellt und zusammengebaut wurden. Dabei wird der Mehrwert hinsichtlich der Herstellung einer typischen LED-Luminaire im eigenen Land oder im Ausland analysiert. Weiterhin wurden die gesamtwirtschaftlichen Konsequenzen auf die globale Lieferkette der LED-Produkte unter der Lupe genommen. Dieser Bericht gibt einen guten Überblick über die Struktur der gesamten Fertigungslieferkette.
Die Untersuchung zeigt, dass sich die Herstellung sowie der Zusammenbau der LED-Produkte vor allem auf Asien konzentriert, wobei China bei der Fertigung der LED-Lampen dominiert. Im Gegenzug findet die Produktion der LED-Luminaires (Beleuchtungskörper) weltweit statt. 89 % des Mehrwerts der inländisch hergestellten LED-Luminaires entfallen auf die USA. Diese Mehrwert-Analyse erweist sich als nützliches Mittel, um die Auswirkungen der globalisierten Lieferketten auf technisch-fortschrittliche Produkte wie LEDs und LED-Leuchten festzustellen. 2019 betrug das gesamte nordamerikanische LED-Luminaire-Marktvolumen 11,6 Milliarden USD, das auf die Staaten entfällt.
Die Hauptmöglichkeiten zur Erhöhung der Präsenz amerikanischer Firmen in den Lieferketten der LED-Beleuchtung sind wie folgt:
Um den Bericht 2020 LED Manufacturing Supply Chain abzurufen, klicken Sie auf den folgenden Link: https://www.energy.gov/sites/default/files/2021-07/ssl-2020-led-mfg-supply-chain-mar21jul21.pdf
b) Vulkanisation der Chips
Der Chip ist auf einen Leadframe gebaut worden, auf dem sich die Dioden (der Lichterzeuger) befinden. Der Leadframe enthält eine Silberschicht. Silber ist ein sehr gutes Material, um Licht zu reflektieren und die Helligkeit zu verstärken. Es ist jedoch leider auch extrem anfällig für Vulkanisation. Findet Vulkanisation statt, wird das Silber schwarz und die Helligkeit reduziert sich dementsprechend. Die schwarzen Punkte sind unterhalb der gelben Silikon-Kapsel des Chips mit bloßem Auge sichtbar. Je größer und deutlicher die Punkte sind, umso fortgeschrittener ist die Vulkanisation.
Minderwertige COBs verlieren dadurch nach 300 Nutzstunden bereits 50 % ihrer Helligkeit. Mittelmäßige Chips erreichen 3 % Verlust nach 1500 Stunden bzw. 13 % nach 3000 Stunden. Gute Chips können bis zu 6000 Stunden ohne Lichtverlust arbeiten.
Im Grund ist Vulkanisation unvermeidbar. Unsere Umwelt ist gekennzeichnet von extrem starker Industrialisierung. Die täglich ausgestoßenen Abgase von Fahrzeugen, Fabriken und anderen Emissionsquellen enthalten zahlreiche Schadstoffe, darunter HC, NOx, CO₂, CO und H₂S. Im Laufe der Zeit dringt H₂S in die LED ein. Vor allem Hochleistungs-LEDs für die Outdoor-Nutzung wie Straßenleuchten, Spotlights und Tunnelbeleuchtungen sind H2S ausgesetzt und stark gefährdet.
Der Schutz vor Vulkanisation verläuft in der Regel auf zwei Wegen: einem starken Immunsystem im Inneren und einem guten Schutz vor Außeneinflüssen. Die Verwendung guter Materialien, unter anderem für den Leadframe, den Verbindungsdraht und die Klebepaste, können die Vulkanisation des Chips von innen her verhindern. Die größte Bedrohung durch H₂S kommt jedoch durch die Außenluft. Hochwertige Materialien der Silikon-Kapsel und ein herausragendes Assembling des Chips schützen ihn vor schädlichen Einwirkungen von außen.
c) Die Alterung der Schutzscheibe
Die Schutzscheibe wird um den Chip (beim COB) oder die Chips (beim SMD) herum an die Leuchte montiert. Das am häufigsten verwendete Material ist Polycarbonat, abgekürzt PC. PC ist unzerbrechlich und widerstandsfähig. Der Nachteil besteht darin, dass PC im Laufe der Zeit dazu neigt, zu beschlagen. Außerdem ist die Verbindungsstelle zwischen Leuchte und Schutzscheibe nicht absolut wasserdicht. Es ist also damit zu rechnen, dass die Feuchtigkeit irgendwann in die Leuchte eindringt und Korrosion auslöst.
Der Strahler verliert zu schnell an Helligkeit
Die Abnutzung des Strahlers ist unmittelbar an einen Helligkeitsverlust gebunden. Bei günstigen LEDs tritt der Lichtverlust oftmals frühzeitig ein. Anfänglich strahlt die Leuchte sehr hell, sie wird jedoch relativ schnell schwächer und verliert deutlich an Helligkeit. Dafür gibt es mehrere mögliche Ursachen. Es folgen drei der häufigsten Probleme.
a) Schlechte Wärmeleitung und -ausstrahlung
LEDs produzieren nicht nur Licht, sondern auch Wärme. Wenn die erzeugte Wärme nicht richtig abgeleitet werden kann, sammelt sie sich und erhitzt den Apparat. Wenn die Lichtquelle (der Chip) zu lange hohen Temperaturen ausgesetzt wird, leidet ihre Beleuchtungsleistung enorm darunter. Ein gutes Wärmemanagement ist ein wichtiger Maßstab bei der Auswahl der LEDs. Je niedriger der Wärmewiderstand ist und je schneller die Leuchte die Wärme abgeben kann, desto länger ist ihre Lebensdauer.
Die Wärme ist sozusagen der größte Feind der LEDs. Insbesondere wenn die Temperatur des Chips über 50 °C steigt, beschleunigt sich der Effekt der Vulkanisation rapide und führt schließlich zum Versagen des Chips. Manche Experten sprechen von 50 % Leistungsverlust, wenn die Temperatur um 10 °C steigt. Die meistens LED-Leuchten auf dem Markt haben eine Temperaturbeständigkeit bis zu 50 °C. Nur wenige Leuchten können diese Schwelle überschreiten und eine Hitzebeständigkeit bis 80 °C oder höher vorweisen. Fragen Sie den Anbieter nach dem Thermo-Testbericht.
Die Wärmeleitfähigkeit der Leuchte hat nicht nur mit der Konstruktion zu tun, sondern auch die den eingesetzten Materialen. Der LED-Strahler ist ein künstlich konstruiertes Lichtsystem. Ist das Baukonzept gut und werden qualitative Materialien beim Bau angewendet, strahlt er einfach besser und länger. Die Zusammenhänge zwischen der Struktur, den Materialien und dem Produktionsverfahren müssen stimmig sein. Manche Metalle haben bessere, andere schlechtere Wärmeleitwerte. Es gibt einfache und günstige Gussverfahren, während andere für den Zweck vorteilhafter, aber teurer sind. Am besten ist ein Kompromiss zwischen Qualität und Wirtschaftlichkeit. Mehr darüber finden Sie in der Serie "Wärmemanagement".
Die Fortsetzung folgt in der nächsten Ausgabe.
Die Angaben über die geschätzte Lebensdauer eines industriellen LED-Strahlers wie z. B. 30.000 Stunden, 50.000 Stunden oder 70.000 Stunden sind die simulierten Ziele. Diese Laborwerte sind auf den Chip bezogen, das Herzstück der LED. Sollte der Chip defekt sein, ist der ganze Apparat unbrauchbar. Der Lichtquellentest LM80 zeichnet die Chip-Qualität mit den Parametern wie Tp55 °C, Tp85 °C, Tp105 °C und L50, L70, L90 etc. auf. Tp bedeutet die Chiptemperatur und L die Restleistung am Ende der angegebenen Stunden. Beispielsweise beschreibt die Lebensdauerangabe von 70.000 Stunden mit Tp 105 °C und L70 einen qualitativen Strahler, der in einer Hochtemperaturumgebung von 105 °C nach einem Dauereinsatz von 70.000 Stunden nur 30 % Lichtstrom-Verlust vom Ausgangswert haben sollte.
Der Strahler ist schneller defekt als versprochen - die Ursachen
Hitze, Schmutz und Feuchtigkeit sind die drei Hauptfeinde der LEDs. Befindet sich der Strahler in innenliegenden Räumlichkeiten und die Umgebung ist sauber und gepflegt, ist die angegebene Lebensdauer problemlos zu erreichen. Ist der Einsatzort heiß und stark verschmutzt, dann zeigt der Apparat seine wahre Natur. Entweder funktioniert er so gut wie versprochen oder er wird schnell defekt. Billig gebaute LED-Strahler vertragen keine Hitze und Temperaturschwankungen. Der Alterungsprozess beginnt frühzeitig und der Strahler gibt schnell den Geist auf. Achten Sie darauf, für Innenräume konstruierte Leuchten nicht in einem Outdoor-Bereich zu installieren. Für eine raue Umgebung und im Freien muss der Strahler die höhere Schutzklasse IP68 statt IP66 aufweisen.
Ein häufig auftretendes Problem besteht darin, dass sich der Chip nach dem Einsatz schnell überhitzt. Hochleistungs-LEDs für die industrielle Anwendung erzeugen selbst einen enormen Wärmestrom, der unbedingt zügig abgeführt werden muss. Sollte der Chip wegen Überhitzung defekt sein, liegt dies entweder an der minderwertigen Qualität des Chips oder an der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Strahlers.
Wasserschaden ist eine weitere häufige Defektursache. Dafür ist eine fehlerhafte Konstruktion verantwortlich. Am Strahler wird die Chip-Platine durch eine durchsichtige Sicherheitsscheibe geschützt. Diese Scheibe schützt einerseits Personen vor möglichen Verbrennungen, wenn sie der Lichtquelle zu nahekommen. Andererseits schirmt sie den Strahler von Staub und Wasser ab. Die Schutzscheibe ist bei den meisten Strahlern, vor allem den SMD-LEDs, aus Kunststoff. Kunststoff neigt dazu, sich nach einer gewissen Zeit zu beschlagen. Außerdem kann er nicht wirklich wasserdicht montiert werden. Nach einiger Zeit gelangen Dämpfe und Feuchtigkeit ins Innere der LED und die Korrosion nimmt ihren Lauf.
Ein hochwertiges Schutzmaterial ist die Glaslinse, wie z. B aus Boro-Silikat-Glas, mit dicker Gummidichtung. Das Edelmaterial Boro-Silikat-Glas wird normalerweise für Laborinstrumente genutzt. Es ist zwar teuer, aber absolut unempfindlich gegen Wasser, Hitze und alle extremen Arbeitsbedingungen.
Auf dem industriellem LED-Markt gibt es eine breite Palette von Angeboten. Es ist aber nicht so einfach, gute Leuchten zu finden. Industrielle LED-Leuchten sollen langlebig und solide sein, weil sie ein raues Betriebsumfeld aushalten müssen. Strahler aus der gleichen Kategorie weisen ähnliche Zahlen und Werte auf. In neuwertigem Zustand machen sie alle einen guten Eindruck. Qualitätsprobleme tauchen erst allmählich im Laufe des Jahres auf. Die Anschaffungskosten der LEDs sind sehr hoch. Die Reparatur oder der Austausch sind zu aufwändig, daher ist es umso wichtiger, beim Kauf die richtigen Leuchten auszuwählen.
Eine gute Orientierungshilfe sind zu Beginn Dokumente wie Normen und Zertifikate. Die Orientierung nach der Norm DIN EN 12464 gibt wichtige Indikatoren, welche vernünftige Beleuchtung für die jeweiligen Arbeitsstellen erwartet wird. DIN EN 12464-1 befasst sich mit den Anforderungen für Arbeitsstätten und Arbeitsplätzen in Innenräumen, DIN EN 12464-2 für Bereiche im Freien. Das Produktblatt informiert genauer über den technischen Umfang einer Leuchte. Auf diese Art sortieren Sie die Produkte aus, die Ihre Anforderungen nicht erfüllen.
Fordern Sie den Anbieter projektbezogen dazu auf, eine Beleuchtungssimulation für den vorgesehenen Bereich zu machen. Der Lichtplan gibt weitere Zahlen bekannt, wie z. B. die Beleuchtungsstärken (Lux) der durchschnittlichen Werte (Em), minimale Werte (Emin) bis hin zu maximalen Werten (Emin) sowie Wartungsfaktoren (WF). Der Wartungsfaktor sollte bei guten Leuchten nicht unterhalb 0.8 liegen. Das heißt, dass die Leuchte nach Ablauf der Garantie noch 80 % Beleuchtungsleistung hat. EULUMDAT-Dateien (.ies & .ldt) enthalten wichtige Grunddaten in reiner Textform und die Graphiken der Lichtverteilung. All diese Daten sollten sorgfältig geprüft werden.
Die wirkliche Produktqualität zeigt sich erst im Einsatz. Genau hier liegt in vielen Fällen der Hund begraben. Zu den häufigsten Problemen bei industriellen LED-Strahlern zählt Folgendes:
In dieser Serie werden die häufigsten Fallen aufgezeigt und Wege, wie man sie vermeiden kann.
Am Anfang gab es nur die Sonne, die auf die Erde strahlt. Nachdem das Feuer entdeckt wurde, dauerte es ziemlich lange, bis der Mensch die elektrische Lichtquelle erfand. Danach wurde im Bereich der Beleuchtung die menschliche Kreativität entfesselt. Während die erste Glühlampe nur ein schwaches Licht abgab, liefern die heutigen LEDs ein so starkes und helles Licht, dass sie an kleine Sonnen erinnern.
Die LEDs sind künstliche effiziente Lichtquellen mit weniger Stromverbrauch. Sie funktionieren auf der Basis eines interdisziplinären Leuchtsystems, das mehrere voneinander unabhängige Einzelwissenschaften umfasst. Das daraus entstandene Produkt stellt ein gelungenes Zusammenspiel verschiedener angewandter Technologien dar. Das fachübergreifende Leuchtsystem umfasst folgende Disziplinen:
Optoelektronik
LED ist ein Bauelement der Optoelektronik. Die Lichterzeugung findet mit Hilfe einer Diode statt, die den Strom nur in eine Richtung fließen lässt. Dieses lichttechnische Verfahren wandelt elektronisch erzeugte Energien in Licht um, das sich entweder in Freiräumen oder in festen, lichtdurchlässigen Medien (Chips) ausbreitet.
Halbleitertechnik
Der Chip ist der Dioden-Träger. Als Halbleiterbauelement übernimmt der Chip die Funktion der Lichtquelle. Der Bauteil wird anschließend auf einen Kühlkörper montiert und erzeugt Licht durch Strom.
Technische Mechanik
Die Qualität der Leuchte ist abhängig davon, ob die elektronischen und mechanischen Zusammenhänge aller Bauteile perfekt miteinander übereinstimmen. Eine geschickte mechanische Konstruktion des Kühlkörpers kann die Wärmeabfuhr entschieden begünstigen und sichert dabei eine hohe Lebensdauer der Leuchte.
Physik
LEDs senden während der Nutzung einen großen Wärmestrom aus, der den LEDs selbst auf Dauer schadet und die eigene Leistung beeinträchtigt. Es ist daher enorm wichtig, auf die physikalische Eigenschaft der Wärme zu achten, um eine möglichst niedrige Wärmebeständigkeit zu gewährleisten.
Optik
Die Natur des Lichts ist freiströmend. Es lässt sich jedoch mit bestimmten Mitteln beliebig lenken. Der Einsatz eines optischen Verstärkers wie z. B. der Linse ermöglicht eine präzisere Lichtsteuerung und erzielt dabei eine höhere Lichtausbeute.
Elektrotechnik
Keine LED-Beleuchtung ohne Netzteil: Die elektrische Eigenschaft der LEDs unterscheidet sich von anderen Beleuchtungsmitteln. LED-Leuchten benötigen einen konstanten Strom. Die Lichtstärke wird vom Strom bestimmt. Das bedeutet, dass mehr Lichtausbeute pro Watt stattfinden kann.
Die kleine Sonne ist das Resultat menschlicher Intelligenz und die Entwicklung ist fortlaufend. Es ist zu erwarten, dass weiterhin neue Materialien und innovative Verfahren entwickelt werden. Aus dem kleinen Sonnensystem könnte sich durchaus eine kleine Galaxie auf der Erde entwickeln.
Photoquelle: pixalba.com
Das Blaulicht des LED-Lichts kann Netzhautschädigungen der Augen verursachen und den Bio- und Schlafrhythmus des Menschen stören, warnt die französische Gesundheitsagentur ANSES. Der Fachausschuss von „Physical agents, new technologies and development areas” legt in seiner Untersuchung offen, dass das von LEDs abgegebene Lichtspektrum zu viel Blaulicht und dabei zu wenig Rotlicht enthalten könnte. Die Lampen können vor allem bei einer Farbtemperatur über 6000K extrem hohes Blaulicht ausstrahlen. Der Mangel an Rotlicht in den LEDs kann nach DIN EN 62471 VED 0837-471 eine mögliche Gefährdung der photobiologischen Sicherheit hervorrufen. Außerdem kann die hohe Helligkeit der LED-Leuchten, wie beispielsweise das Spotlicht oder Autolicht, auf relativ kleinen Bereichen einen stärkeren Blendungseffekt begünstigen.
LEDs sind energieeffizient. Die Kehrseite ist, dass sie auch Schwachstellen haben. Dazu wird es in Zukunft mehr Studien und Forschungen geben. Eines ist aber jetzt schon sicher: Überflüssiges Blaulicht wirkt sich nicht nur negativ auf die menschliche Gesundheit aus, sondern auch auf die Natur. In Taiwan wurde zum Beispiel schon beobachtet, dass Reisfelder am Straßenrand ein schnelleres Wachstum aufweisen, da die Pflanzen das helle LED-Straßenlicht in der Nacht als Tageslicht wahrnehmen. Der Biorhythmus des Reiswachstums wird dadurch gestört und das führt zu Ernteverlusten.
Leider existiert auf der Welt keine Perfektion. Eine konstruktive Haltung besteht darin, mögliche Schwachstellen zu identifizieren und nach Lösungen zu suchen. Die Technologie entwickelt sich weiter und in Zukunft wird es noch bessere LEDs geben. Bis zu diesem Zeitpunkt arbeiten wir an Optimierungsmöglichkeiten. Eine effektive Schnelllösung gegen unkontrollierte Lichtstrahlung ist die optische Linse. Durch den Einsatz der Linse lässt sich die Lichtstrahlung präziser steuern. Es wird dann nur die Stelle beleuchtet, wo man Licht benötigt. Mit Hilfe der Linse wird die Straßenbeleuchtung lediglich auf die Straße konzentriert. Das Licht wird effektiv ausgenutzt und die Wohnungen daneben bleiben frei von schädlichen Lichtstrahlen.
Ein ganzheitliches Abkühlungskonzept ist das Zusammenspiel von Materialien, Verfahren und Technologie. Fachkenntnisse und ebenso die Kreativität des Ingenieurs sind gefordert, unter den bestehende Konditionen ein bestmögliches Resultat zu erzielen. Eine gute Konzeption der mechanischen Kühlkörperstruktur trägt auch dazu bei, die Abkühlung zu verstärken.
Eine vertikale Einbaulage des Kühlkörpers hat beispielsweise gegenüber einer horizontalen Position eine bessere Wärmeableitung. Durch den physikalischen Kamineffekt lässt sich die Wärmeabfuhrleistung um 15 % bis 20 % steigern. Aufgrund desselben Prinzips sollten die Kühlrippen nicht waagerecht von unten nach oben angeordnet werden, da dies die Wärmeableitung behindert. Die gesamte Konzeption der Einbaulagen sollte also darauf ausgerichtet sein, dass möglichst keine Stellen für einen Wärmestau entstehen.
Die Stiftkühlkörper können dabei zusätzlich eine gute Hilfe leisten, die Luft verstärkt nach oben abzuleiten. Eine hohe Anzahl der Stifte sorgt für einen optimalen Luftdurchsatz und erhöht die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers bei der Entwärmung.
Eine innovative Abkühlmethode ist der Einsatz der Vapor-Chamber-Technik. Die Wärmeableitung wird in zwei Phasen umgesetzt. Dabei wird eine Dampfkammer zwischen Chip und Kühlkörper eingebaut. Die Abwärme der Chips verteilt sich zuerst auf der großflächigen Dampfkammer (die erste Phase), bevor sie an den Kühlkörper weitergeleitet wird (die zweite Phase). Die mit destilliertem Wasser gefüllte Vakuumkammer verarbeitet die Wärme weiter. In der Vakuumkammer wird der Siedepunkt des Wassers bereits bei 30 °C erreicht und verwandelt nun die Wärme zügig in Dampf. Der Umlauf zwischen Verdunstung und Verflüssigung beschleunigt den Abkuhlungsprozess.
Der Kühlkörper schützt das Gerät vor Überhitzung. Diverse Faktoren können dessen Kühlleistung beeinflussen. In der letzten Ausgabe wurde vom Einfluss der Materialien im Werkzeugbau berichtet. Weitere Schlüsselfaktoren sind die Formenverfahren und der anschließende Oberflächen-Behandlungsprozess. Beide wirken unmittelbar auf die Abkühlungsfähigkeit des Kühlkörpers ein.
Formentechniken und Oberfläche-Behandlung
Die thermische und mechanische Stabilität des Kühlkörpers bestimmen die Lebensdauer einer LED-Leuchte. Die häufig angewandten Metallbearbeitungsmethoden sind Druckguss- und Extrusionsverfahren, die jeweils Vor- und Nachteile haben.
Das Druckguss-Verfahren oder der auf dem Gussverfahren basierende Spritzgießprozess sind die gängigen Metallbearbeitungsmethoden für den Kühlkörper in der Lichtindustrie. Der größte Vorteil sind die günstigen Herstellungskosten. Jedoch weisen die daraus hergestellten Produkte nur eine mittelmäßige Dichte auf, dadurch verzerren sich die Formen leicht unter schwierigen Konditionen wie z. B. bei hohen Temperaturen. Um die Oberfläche vor Rost zu schützen, erhalten die Kühlkörper eine Lackbehandlung, die leider zu zusätzlichem
Bei der Extrusionsmethode sind die Herstellungskosten deutlich teurer. Die gefertigten Produkte weisen eine sehr gute Dichte auf und halten extreme Hitze und hohen Druck aus, daher wird ein solches Verfahren auch in Industrien eingesetzt, die hauptsächlich für die Herstellung von Radachsen zuständig sind. Im Gegensatz zum Druckgussprozess haben die durch die Extrusion gefertigten Bauteile eine wunderschön glatte Oberfläche, die eine Oberflächenbehandlung durch den Prozess des Anodisierens ermöglicht. Anodisierte Materialien widerstehen Säure und Hitze. Außerdem besteht eine große Farbenauswahl für die Oberfläche.
Der Kühlkörper sollte optimalerweise im Ganzen geformt werden. Ist er aber aus verschiedenen Einlagen geschweißt und zusammengesetzt, erhöht sich die Gefahr, dass die Schweißstellen im Laufe der Zeit rosten. Außerdem ist auch zu erwarten, dass durch den Wärme-Kälte-Effekt Risse entstehen.
Der Kühlkörper ist neben dem Chip der zweite wichtige Bestandteil für das Wärmemanagement. Ein guter Chip muss die vom ihm selber erzeugte Wärme zügig abgeben können. Der Kühlkörper muss in der Lage sein, die angenommene Wärme unverzüglich in sein unmittelbares Umfeld abzuleiten. Viele Faktoren spielen dabei eine wichtige Rolle, wie z. B. Materialauswahl, Formentechnik, Metalloberflächen-Behandlung, strukturelle Konstruktion des Kühlkörpers etc. Unten finden Sie ausgewählte Beispiele, die zeigen, wie die Einzelfaktoren jeweils die Leistung der LEDs beeinflussen und wie dadurch große Kostenunterschiede zwischen den LEDs entstehen.
Materialien
Aluminium wird aufgrund der guten Verarbeitbarkeit, der elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit gerne für den Kühlkörper der Leuchten eingesetzt. Bei der Anwendung ist es üblich, reines Aluminium mit weiteren Materialien zu mischen und daraus diverse Aluminiumlegierungen (aluminium alloy) wie AlCuSiMn, AlMgSi, AlMn etc. zu gewinnen, die aushärtbar oder naturhart sind.
Die Materialtypen der Aluminiumlegierung und die Behandlungsart haben die Schlüsselfunktion, das Wärmemanagement der Leuchten zu fördern oder zu behindern. Es gibt eine Bandbreite dieser Leichtmetalle mit unterschiedlicher Qualität und Wärmeleitfähigkeit. Eine häufig für den Kühlkörper verwendete Aluminiumlegierung ist Typ ADC12, die üblicherweise mit dem Druckguss-Verfahren gefertigt wird und einen Wärmeleitwert von 96 W/mK hat. Das Leichtmetall Typ AA6063 wird für das Extrudierverfahren (Fließpressen) eingesetzt und weist einen deutlich höheren Wärmeleitwert von 201 W/mK auf. Typ AA1070 hat die besten Werte von 226 W/mK und ist geeignet für das Kaltfließpressen.
Qualität hat seinen Preis. Bessere Materialien kosten mehr. Die Ausgaben für Beleuchtung sollte nicht nur von den verfügbaren Finanzmitteln abhängen, sondern auch vom Anwendungsbereich. Ist das Einsatzumfeld rau und schwierig, sollte die Qualität beim Entscheidungsprozess mehr Bedeutung gewinnen, sonst sparen Sie an der falschen Stelle. Wenige Jahren später wäre dann das Thema Beleuchtung erneut aktuell.
Halbleiterindustrien entwickeln sich in schnellem Tempo weiter. Ständig werden neuartige Materialien, verbesserte Verfahren und neue Technologien eingeführt und die Leistungen der LEDs steigern sich dementsprechend. Einzelne Bauteile des Chips wie die Diode, die Leadframe, Phosphor, die Silikon-Kapsel etc. könnten die Chip-Qualität beeinflussen. In diesem Abschnitt werden Leadframe und Verbindungsdraht als Beispiele gewählt.
Leadframe
Bei herkömmlichen COB-LEDs wird der integrierte Schaltkreis in der Form eines winzigen Kristalls auf einem Leadframe (Trägerplatine) aus Aluminium eingekapselt. Dieses Aluminiumsubstrat besitzt einen Wärmeleitwert von 150 W/mK. Der Wärmewiderstand des kompletten Bauteils beträgt 3 bis 4 K/W (6 °C/W). Zwischen Chip und Leadframe befindet sich eine Schicht von Dielektrikum, was die Wärmeableitung leider verhindert.
Bei einer neuen Generation von COB-LED wird das Herstellungsverfahren vereinfacht. Der Kristall wird direkt auf einen Kupfer-Leadframe montiert. Kupfer hat sehr gute Wärmeleitwerte von 300 ~ 400 W/mK. Der thermische Widerstand des zusammengesetzten Bauteils ist ebenfalls sehr niedrig (Rth < 0,3 K/W). Die neuen COB-LEDs haben daher eine deutlich bessere Wärmeableitung als die herkömmlichen LEDs.
Verbindungsdraht
Bei günstigen LEDs wird oft am Verbindungsdraht gespart. Der Verbindungsdraht schließt den Kristall mit der Wire-Bond-Technik auf der Trägerplatine an und aktiviert somit durch Strom die Funktionalität des Chips.
Aluminiumdraht ist billig, leicht oxidierbar und hat einen hohen elektrischen Widerstand (Wert: 2,7). Das Hauptproblem bei Alu-Drähten ist, dass sie nach einiger Zeit leicht abbrechen oder sich an den Lötstellen ablösen. Eine Reparatur des Chips ist nicht möglich und die komplette Leuchte muss ausgetauscht werden.
Golddraht hat dagegen noch niedrigere Widerstandswerte von 2,2 und ist außerdem nicht anfällig für Oxidation. Dank seiner herausragenden Dehnfähigkeit bricht der Golddraht im Laufe der Betriebszeit nicht, ein absoluter Vorteil gegenüber einem Aluminiumdraht.
Kupferdraht hat die besten Wärmeleitwerte. Sein Wärmewiderstand beträgt 1,7. Jedoch gehört Kupfer zu den leicht oxidierbaren Materialien. Um diese Schwäche zu kompensieren, wird Kupferdraht auf der Außenschicht mit einer sehr dünnen und antioxidierenden Schicht übergezogen.
Die Wärmeleitfähigkeit ist neben der Beleuchtungsleistung der Schlüsselfaktor der LED-Leuchte. Hohe Temperaturen schaden der LED und die Konsequenzen sind Helligkeitsverlust und verkürzte Lebensdauer der Luminaire. Bei der Betriebsaufnahme erzeugt der Chip (die Lichtquelle) binnen Sekunden extreme Wärme, die während des gesamten Betriebs aufrechterhalten wird. Die Herausforderung liegt also darin, die erzeugte Wärme schnellstmöglich abzuleiten und den Chip ständig kühlzuhalten.
SMD- und COB-LEDs wenden aufgrund ihrer Bauarten verschiedene Kühlverfahren an. Bei der SMD-LED wird jeder Chip in einen kleinen Kühlkörper eingefasst. Eine große Anzahl von Chips verteilt sich eingelötet auf einer großen Metallplatine (Aluminiumsubstrat). Die Wärmeableitung erfolgt über die komplette Rückwand. COB-LED hat dagegen eine hohe Anzahl an Dioden, oft über 100 Stück, die dicht auf einer sehr kleinen Fläche (Leadframe) eingekapselt sind, die einen Durchschnitt von 3 cm oder noch weniger aufweist. Ein gutes Wärmemanagement ist daher bei COB-LED extrem wichtig, um die gewünschte Leistung während der gesamten Nutzdauer zu gewährleisten.
Ein Blick auf das technische Datenblatt der Luminaire reicht nicht aus, um deren Wärmeleitqualität festzustellen. Eine hochwertige LED-Leuchte mit starker Leistung ist abhängig von den verwendeten Materialien, den Verfahrenstechniken und der Konstruktion. Die eingesetzten Materialien sollen eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Der Wärmewiderstand zwischen den zusammengesetzten Materialien sollte so niedrig wie möglich sein. Somit kann die Wärme zügig über den Kühlkörper abgeleitet werden.
Das Nachhaltigkeitsprinzip gilt nicht nur für die Umwelt, sondern auch für die Leistung der Leuchten. LEDs sind mit hohen Anschaffungskosten verbunden. Viele Hersteller setzen günstige Materialien ein und bieten preiswerte Leuchten an, die jedoch schnell an Beleuchtungsstärke verlieren und eine kürzere Lebensdauer haben. Ein nachhaltiges Kostenbewusstsein hilft, die Investition richtig einzusetzen und nicht auf Kosten der Qualität an falschen Stellen zu sparen. Der Teufel steckt im Detail. Folgende Aufsätze stellen ausgesuchte Beispiele mit Insidertipps dar und klären darüber auf, was eine gute LED ausmacht.
Mit einem Europäischen Aufbauplan „Next Generation EU”, der am 26.Mai 2020 präsentiert wurde, möchte die Europäische Kommission die durch die Corona-Pandemie entstandenen Schäden in der Wirtschaft und Gesellschaft beheben, Aufschwung und Beschäftigung ankurbeln und Arbeitsplätze schützen. Insgesamt sollen von 2021 bis 2024 750 Milliarden Euro in verschiedenen Bereichen investiert werden. Das Ziel ist, die EU aus der Krise zu führen und den Weg für eine moderne und nachhaltigere Union zu ebnen.
Unter anderem steht die Förderung einer klimaneutralen Wirtschaft im Fokus. Das Teilprogramm hat die Aufgabe, einen gerechten Übergang zur Klimaneutralität zu sichern sowie die erforderlichen Strukturanpassungen für den europäischen Grünen Deal umzusetzen. Dabei umfasst die im Aufbauplan erfasste „Renovation Wave” neben Energie, Verkehr, Produktion und Lebensmittel die Gebäudesanierung. Lautet EU-Bericht sind EU-weit rund 75 % der Gebäude nicht energieeffizient.
Die Lichtindustrien fordern, dass Smart- und energieeffizientes LED-Lighting zum Programm gehören müssen. In einer zukunftsfähigen Gemeinschaft sind die Gesundheit, das Wohlbefinden und die Produktivität der Bürger wichtig. Bei der Gebäuderestaurierung und -sanierung spielt die Beleuchtung eine zentrale Rolle, um die Gebäude nicht nur energie-effizienter zu machen, sondern gleichzeitig auch eine adäquate ökologische Qualität im Raum zu schaffen. Die Beleuchtungssanierung bis hin zu Smart Lighting und IoT (Internet of Things) ist daher unverzichtbar.
Wissenschaftler forschen unermüdlich nach neuen Materialien und erzielten einen Durchbruch bei kubischen III-Nitriden, Halbleitermaterial zur Herstellung von Chips, wie es in einer Studie im Chemie Journal ACS Omega Januar 2020 vorgestellt wurde. Mit Hilfe des Supercomputers von Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) in Texas, USA, entdeckten Wissenschaftler im Inneren von kubischen III-Nitriden eine neue vielversprechende Eigenschaft, die sich für das neue Material der nächste LED-Generation entwickeln lässt.
Bisher war die Forschung bei grünen LEDs auf Indiumgalliumnitrid (InGaN)-Basis auf natürlich vorkommende Baugruppen mit hexagonaler Phase beschränkt. Sie sind jedoch in Bezug auf Leistung, Effizienz, Geschwindigkeit und Bandbreite begrenzt, insbesondere, wenn sie die grüne Farbe emittieren, so die Forscher. Sie fanden heraus, dass kubische Phasenmaterialien den für die grüne Farbemission erforderlichen Indium-Gehalt aufgrund einer geringeren Bandlücke um zehn Prozent reduzieren. Außerdem vervierfachen sie die Strahlungsrekombinationsdynamik aufgrund ihrer Nullpolarisation.
LED-Industrien profitieren von dieser Grundlagenforschung. Die daraus gewonnenen Materialien zur Herstellung der photonischen und elektronischen Halbleiterbaugruppen ermöglichen es, noch bessere LED-Beleuchtungsleitungen z. B. beim Stromverbrauch der Helligkeit und Belastbarkeit zu erzielen.
Der globale Vormarsch von LED-Leuchten ist unaufhaltsam. Während der Umsatz 2013 erst einen Anteil von 5 Prozent der weltweit verkauften Leuchten ausmachte, nahm die Entwicklung innerhalb von 6 Jahren rasant zu. 2018 beanspruchten LED-Leuchten laut International Energy Agency (IEA) bereits 40 Prozent des Weltmarkts. Die LED-Technologie entwickelt sich ständig weiter. Die Ziele sind klar vorgegeben: noch bessere Leistung und noch mehr Anwendungsmöglichkeiten. Die Chip-On-Bord-Technologie (COB) ist eine der neuesten und am schnellsten zunehmenden Trends.
COB-LEDs machen im Vergleich zu herkömmlichen LEDs vor allem durch folgende Funktionen auf sich aufmerksam: Sie leuchten heller, verbrauchen weniger Strom, erzeugen bessere Strahlqualität und haben einen hohen Farbwiedergabeindex (CRI-Wert). Das einfache Einkreis-Design und die herausragende Wärmesenkung sorgen für erhöhte Stabilität und Zuverläigkeit; ein entscheidender Vorteil für eine lange Lebensdauer.
Die COB-Technologie weist eine viel höhere und gleichmäßigere Lichtintensität auf, was durch die Verwendung mehrerer Dioden (neun oder mehr) erreicht wird, während ältere LED-Generationen nur eine (DIP-LEDs) oder drei (SMD-LEDs) einsetzen. Daraus ergeben sich bei COB-LEDs ein vergleichsweise geringer thermischer Widerstand (ca. 2 K/W) und eine hohe Effizienz.
