Mehr Lumen pro Cent

Neben Helligkeit und Effizienz spielen bei der LED-Beleuchtung auch die Kosten eine immer größere Rolle. Mit der XLamp XB-D-LED-Familie von Cree vertreibt MSC eine LED, bei der ein Durchbruch zwischen Lichtstrom und Preis gelungen ist.

In den letzten Jahren haben sich Leuchtdioden als das Leuchtmittel der Zukunft entwickelt. Hochwertige LEDs überzeugen durch ihre Umweltfreundlichkeit und die bis zu zehnfach bessere Energieeffizienz. Ein weiterer Pluspunkt ist ihre extrem lange Lebensdauer, die je nach Systemdesign zwischen 25.000 bis weit über 50.000 h liegen kann. Häufige Ein- und Ausschaltzyklen haben keinen negativen Einfluss auf die Lebensdauer.

Die Energiepreise und die Verordnung 245/2009 der Europäischen Kommission, welche die Rahmenbedingungen für den Ausstieg aus den veralteten Beleuchtungstechnologien festlegt, treiben die LED-Beleuchtung weiter voran. Bis zum Jahr 2020 soll sich der Einsatz von LED-basierenden Leuchtmitteln verzehnfachen.

Experten haben bereits vor Jahren abgeschätzt, dass im Jahr 2017 eine Power LED mit einem Lichtstrom von 100 lm etwa 30 Cent kosten wird. Neuste Entwicklungen der LED-Technologie zeigen jedoch, dass dieser Eckwert wesentlich früher erreicht wird als erwartet. Bereits heute liegt der Preis für eine LED mit 100 lm bei nur etwa 100 Cent.

Eine fortschrittliche LED-Generation kann Cree anbieten: Die XLamp XB-D bietet 100 lm für bereits 55 Cent und kann über MSC Vertrieb erworben werden. Zur Unterstützung ihrer Kunden im Lighting-Markt hat MSC ein Europa umspannendes Netz an MSC Lighting Competence Centern aufgebaut. Damit ist der technisch orientierte Distributor bestens gerüstet, nicht nur seinen Kunden vielfältige Komponenten zu liefern, sondern umfassende Lighting-Systeme zu realisieren.

Auf der Basis der unterschiedlichen Bausteine von verschiedenen Herstellern, Standard-, High-Power und High-Brightness- LEDs, Sekundäroptiken, Treiberelektronik, Power-Komponenten sowie die Elektromechanik und Halbzeuge, lassen sich komplette Beleuchtungssysteme aus einer Hand aufbauen. Dabei kommt der MSC natürlich als eigener Komponentenhersteller und international agierender Entwicklungspartner die langjährige Erfahrung im Bauelementevertrieb und die hohe Wirtschaftlichkeit mit vereinfachter Logistik- und Lagerhaltung zugute.

Geringerer Footprint und mehr LEDs pro Fläche

Mit ihrem Footprint von 2,45 mm x 2,45 mm x 1,84 mm ist die XLamp XB-D LED etwa 48% kleiner als die XLamp XP-Serie. Aufgrund des kleinen Gehäuses sind mehr LEDs pro Fläche realisierbar. Beispielsweise lassen sich damit LED-Retrofit-Lampen realisieren, bei denen es auf einen hohen Lichtstrom ankommt und eine kompakte Leuchtquelle erforderlich ist. Cree entwickelt mit der in Kürze verfügbaren Serie XLamp XT-E eine weitere Power LEDFamilie mit 148 lm/W, die einen Footprint von 3,45 mm x 3,45 mm x 2,36 mm aufweist und von den Abmessungen identisch zu den Serien XP-E und XP-G ist.

Damit ist die XT-E Serie zu den meisten sekundären Optiken der XP-Familie kompatibel, was den optischen Designprozess beschleunigt und Kosteneinsparungen für bestehende XP-Produkte schafft. Die XB-D LED liefert einen Lichtstrom bis zu 130 lm bei einer Effizienz von 127 lm/W in kaltweiß mit einer Farbtemperatur von 6000 K oder bis zu 107 lm und 105 lm/W in warmweiß mit 3000 K. Alle Angaben gelten für einen Treiberstrom von 350 mA und eine Betriebstemperatur von 85 °C. Der maximale Treiberstrom liegt bei 1 A.

LED-Fertigungsprozess und die GaN-Technologie

Im Mittelpunkt des Fertigungsprozesses steht die Galliumnitrid-Technologie (GaN) in Kombination mit einem Siliziumkarbid-Wafer. Die von Cree patentierten SiC-Wafer bieten mehrere Vorteile gegenüber dem bislang verwendeten Saphirsubstrat, da weniger Gitterversetzungen entstehen.

Damit lässt sich eine höhere Effizienz der Leuchtdiode erreichen. Durch die vergrößerte Oberfläche der Chips können mehr Photonen den Die verlassen. Dank der aufeinander abgestimmten Brechungsindexes beider Materialien GaN und SiC lässt sich die Lichtausbeute weiter erhöhen. Die XB-D weist einen niedrigen Wärmewiderstand von 6,5 °C/W auf, die XT-E-Serie 5 °C/W. Durch die niedrigen Spannungswerte von kleiner als 3,0 V@350 mA bei 85 °C lässt sich die Verlustleistung des gesamten Systems reduzieren. Das wirkt sich direkt auf das Kühlkonzept aus. Der Betrachtungswinkel der Bauteile liegt bei 115°.

Der komplexe Epitaxieprozess bei der modernen LED-Herstellung ist immer noch gewissen Schwankungen unterworfen, kann nicht kontinuierlich eine gleiche Verteilung aller Bauteile angeboten werden. Jedoch ist gerade bei weißen LEDs die Streuung durch leicht unterschiedliche Farborte vom menschlichen Auge gut wahrnehmbar.

LEDs nach ihrem streuenden Farbort sortieren

Mit dem herstellerneutralen ANSI-Standard C78.377-2008 gibt es eine einheitliche Referenz, so dass LEDs unterschiedlicher Bauart zumindest in puncto Farbort vergleichbar sind. Um ein bestehendes System mit neuen LEDs zu ergänzen, muss genau das gleiche Bin verbaut werden. Binning ist eine logistische Herausforderung und deshalb hat Cree für LED-Arrays die Easywhite- Technologie entwickelt.

Dabei werden die einzelnen Chips genau vermessen und Algorithmen zur Kombination unterschiedlicher LEDs genutzt, um entsprechend genaue und reproduzierbar Zielfarborte zu erreichen. Für Einzel-LEDs kommt jedoch nur Binning in Frage. Eine Schwäche des Verfahrens war schon von Anfang an, dass die Hersteller die diversen Parameter der Leuchtdiode bei einer Referenztemperatur von 25 °C messen und spezifizieren. Da dieser Prüfvorgang am Ende der LED-Fertigung nur wenige Millisekunden dauert, tritt praktisch keine Eigenerwärmung auf und die Junction-Temperatur entspricht quasi der Raumtemperatur. Das entspricht jedoch nicht der Praxis, da in den meisten Anwendungen die LED längere Zeit eingeschaltet oder gar im Dauerbetrieb ist.

LEDs werden bei Betriebstemperatur qualifiziert

Aus diesem Grund spezifiziert und qualifiziert Cree heute ihre LEDs nicht mehr bei Raumtemperatur, sondern bei Betriebstemperatur, zum Beispiel bei 85 °C im Inneren des Chips. Mit dem als Hot Binning bekannten Verfahren lassen sich Lichtstrom und Flussspannung während des Dauerbetriebs und nicht nur beim Einschalten bestimmen. Zusätzlich wird der Farbort bei Betriebstemperatur gemessen und die LED-Charge nach realen Bedingungen charakterisiert. Der Kunde erhält also Produkte, die bereits vom Hersteller so getestet wurden, dass sie seinen Einsatzanforderungen weitestgehend entsprechen.

Als Vorreiter des Hot-Binning-Konzepts unterzieht Cree die neuen LEDs einem Hot Binning bei 85 °C über den kompletten Colour Correlated Temperature-Bereich (CCT) von 2700 bis 10.000 K und nicht nur bei warmweißen CCTs. Das Hot Binning bezieht sich auf die Helligkeit, die Farbe und den Spannungswert, um die Gewissheit zu haben, dass die Werte der Spezifikation auch in der Anwendung realistisch sind.