Neue Möglichkeiten mit Citizen LED

Auswahl der Lichteigenschaften wie Farbtemperatur und Farbwiedergabe
Bevor die Bauform oder die eigentliche LED ausgewählt werden kann, ist die Auswahl der Farbtemperatur sowie des Farbwiedergabeindexes entscheidend für eine ansprechende Beleuchtung. Endrich Bauelemente bietet mit Citizen LEDs Farbtemperaturen von 2.700 K, 3.000 K, 3.500 K, 4.000 K und 5.000 K an. Es gibt bereits schon Applikationen auf dem Markt, bei denen die Farbtemperatur vom Bediener einstellbar ist. Dies kann über 2 LEDs mit verschieden Farbtemperaturen und separater Steuerung der LEDs erreicht werden.

Für eine homogene Beleuchtung werden LEDs mit einer exakten Lichtfarbe benötigt. Citizen bietet hier das sogenannte MC Adam Step 3 Binning an. Bei 3.000 K soll die Toleranz bei ca. +- 70K liegen und ist, laut eigener Aussage, nahezu vom Anwender nicht mehr erkennbar. Die Lichteffizienz moderner LEDs liegt bei ca. 30 – 35 %, der Rest der eingegebenen Energie wird in Wärme umgesetzt.  Es ist deshalb für den Anwender wichtig, die Abhängigkeit der Farbverschiebung unter dem Einfluss der Temperatur zu kennen. Bei einigen Wettbewerbsprodukten liegt die Abweichung bei bis zu 300 K.  

Momentan sind von Citizen LEDs mit Ra typ 65 für Lösungen mit hocheffizienten Lm/W  für den Außenbereich als auch LEDs mit Ra min. 80 mit geringerer Lichtausbeute für Innenraumbeleuchtungen verfügbar. Zur Light & Building 2012 wurde die neue Serie mit Ra 90 vorgestellt. Diese Serie wird ab Mitte 2012  lieferbar sein. Bei der Produktion wird besonders der R9 kontrolliert. Dieser Wert ist ein Maßstab für die Abbildung von roten Farben, die mit der LED beleuchtet werden.

Auswahl der LED
Citizen bietet drei komplett neue SMD-Produkte in der 0,06 W, 0,1 W und 0,2 W Klasse an. Da hier LED dice der neuesten Generation verwendet werden, soll die Effizienzen bei bis zu 134 lm/W (5.000 K) liegen. Auch bei wärmeren Farbtemperaturen wurde die Effizienz der LED deutlich gesteigert und es ist eine LED mit 126 lm/W bei 3.000 K erhältlich. Die neuen Baureihen werde alle mit einem Farbwiedergabeindex von Ra>80 und einem MC Adam Step 3 Binning angeboten.

Alternativ dazu kann für eine Lichtlösung eine Lichtquelle  mit einer oder mehreren LEDs höherer  Leistung eingesetzt werden. Citizen hat in seinem Produktportfolio   LEDs in einer Bandbreite  von 2,7 W - 82,4 W in fünf verscheiden Bauformen  an.  Für die Auswahl dieser Bauteile bietet Endrich  auf seiner Homepage einen Lumenkalkulator für MS Excel an.

Nach Eingabe der  gewünschten Farbtemperatur und der gewünschten Helligkeit erscheinen die verwendbaren LEDs für die geforderten Werte. Nicht immer ist die LED mit der kleinsten Leistung auch die beste Lösung. Die Effizienzen steigen, je höher die Leistungsstärke der LED ist. Somit soll der Preis einer teureren LED meist durch die Verwendung eines kleineren Kühlkörpers mehr als kompensiert werden können.
 
Auswahl der  Stromversorgung
Bei einer High Power LED hängt die Stromstärke exponentiell von der Spannung ab. Das heißt, eine kleine Stromänderung bewirkt eine hohe Änderung der Stromstärke. Auch unter dem Einfluss der Temperatur verändert sich bei gleichbleibender Spannung der Strom. Eine Veränderung der Stromstärke wiederum bewirkt sowohl eine Änderung der Farbtemperatur als auch der Helligkeit. Ein stabiles System ist somit nur über den Betrieb in einer Reihenschaltung mit einem stromgeregelten LED-Vorschaltgerät möglich, das den eingestellten Strom ständig nachregelt. Der geforderte Stromwert ergibt sich nach Eingabe der geforderten Helligkeit aus dem Lumenkalkulator.

Natürlich lassen sich diese Stromstärken nicht immer mit Standardlösungen abdecken. Endrich bietet mit NMB Minebea programmierbare Vorschaltgeräte an, die in 5-mA-Schritten per PC über ein USB Kabel einstellbar sind. Die Citizen LED der neuesten Generation sind nicht an einen festen Stromwert gebunden. Somit lässt sich mit diesen Vorschaltgeräten eine große Bandbreite von Applikationslösungen realisieren.

Interessant zu beobachten ist auch, dass viel Power Supply Hersteller sich immer mehr auf die Anforderungen der LED-Beleuchtung einstellen. Bei vielen Herstellern waren nur Geräte verfügbar, die sekundärseitig max. 48 V aufweisen konnten. Multichiplösungen von verschiedenen LED-Lieferanten wie z. B. Citizen benötigen aber hier bis zu 60 V um eine ausreichende Stromversorgung zu gewährleisten.  
Mittlerweise sind über Endrich Komplettsysteme verfügbar, die mit einem Vorschaltgerät und einer LED bis zu 16.500 lm leisten können. Hierbei stellt sich natürlich die berechtigte Frage, ob diese Leistung von 160 W noch ausreichend gekühlt werden kann. Für diese Leistungsklasse >60W arbeitet Endrich hier sehr eng mit dem Hersteller Inventronics zusammen. Hier sind Konstantstromquellen bis zu 200 W verfügbar. Diese Geräte sind in der Schutzklasse IP67 erhältlich und somit auch für den Außenbereich geeignet.
 
Ein entscheidender Faktor für die Stromversorgung ist die Effizienz.
Für eine optimale Effizienz im Gesamtsystem ist jede einzelne Komponente wie die LED, das Vorschaltgerät sowie die Optik entscheidend. Viel wichtiger ist aber die Betrachtung der Wärmeableitung in dem LED-Versorger direkt. Bei einem 150-W-Versorger fallen bei einer Effizienz von 85 % 26,5 W als Verlust an. Bei einer Effizienz von 95 % sind es nur 7,9 W die als Wärme abgeleitet werden müssen.
Bei vielen Vorschaltgeräten ist meist ab einer Temperatur von 50°C die Leistung minimiert (Power Derating). Es kann also bei falscher Auswahl der Stromversorgung sehr schnell zu Überlast oder starken Einschränkungen der Lebensdauer kommen

Die Wärmeableitung im Vorschaltgerät ist deshalb eine wesentliche Voraussetzung für eine lange Lebensdauer und ein entscheidender Qualitätsfaktor. Die Anforderung von einer Lebensdauererwartung von >50.000h kann nur erreicht werden, wenn die verwendeten Bauteilkomponenten unterhalb ihrer erlaubten Maximaltemperatur betrieben werden.

Mechanischer Anbindung/Kühlung
Mittlerweile sind einige Haltersysteme für Multichchip-LEDs verfügbar. Die Halter bieten eine einfache elektrische Kontaktierung sowie eine mechanische Befestigung an die LED an.  Entscheidend für eine lange Lebensdauer der LED ist eine ausreichende Kühlung. Hierbei sind zwei Punkte entscheidend. Zum einen ist eine gute thermische Anbindung an den Kühlkörper notwendig. Dies kann z. B. durch eine Thermoleitfolie erreicht werden. Zum anderen wir ein ausreichend großer Kühlkörper als Wärmesenke benötigt.

Sofern die Sperrschichttemperatur unterhalb des angegeben Wertes liegt, kann die angegebene Lebensdauer der LED garantiert werden. Liegt der berechnete Wert darüber, müssen weiter Maßnahmen zur Kühlung bzw. thermische Anbindung der LED an den Kühlkörper erfolgen.

Endrich Bauelemente hat zusammen mit seinem Systempartner Turck Duotec ein High Power-Modul entwickelt, bei dem die LED maschinell reproduzierbar mit einem sehr geringen thermischen Widerstand  auf eine Kupferplatte aufgebracht wird.  Die Kupferplatte dient der Wämespreizung und kann direkt mit vier Schraubverbindungen an die eigene Applikation angebunden werden. Die Stromversorgung der LED wird über einen Poke-In-Connector realisiert. Dieses Modul bildet für viele Anfragen die Grundlage für kundespezifische Produkte in der Anbindung von Hochleistungs-High Power LEDs.  
Endrich Bauelemente - www.endrich.com
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