Wie und warum Chip-on-Board(COB)-LEDs in Beleuchtungskonzepten Kosten reduzieren und Energie sparen

LEDs konkurrieren mit traditionellen Lichtquellen in verschiedener Weise, zum Beispiel durch höhere Energieeffizienz, längere Lebensdauer und geringere Größe. Ein großer Nachteil, der viele Lichtdesigner ärgert, sind jedoch die Kosten, ein wesentlicher Grund, warum LED-Hersteller versuchen, Skalierungseffekte zu verbessern. Eine der neuesten Lösungen zur Senkung der Kosten sind Chip-on-Board(COB)-Lichtquellenmodule, bei denen die LED-Chips in Form eines Halbleiterchips auftreten, der weder umhüllt ist, noch angeschlossen wird, sondern direkt auf eine Platine aufgebracht wird - dies wird ganz allgemein als Substrat bezeichnet. Diese Bauteilart bietet auch einige weitere Vorteile, wie höhere Flexibilität, bessere Lichtverteilung und einfachere Fertigungsprozesse.

Es gibt noch andere Gründe, warum Designer COB-LEDs ernsthaft für das nächste Design in Erwägung ziehen sollten. In einem aktuellen Bericht von "Research and Markets" erwähnen Analysten, dass COB-LEDs, die großflächige Lichtemitter sind (so dass sie auch in Autobahn- und Straßenbeleuchtungen verwendet werden können), drei wesentliche Vorteile liefern: bessere Farbmischung, bessere Lichtwirkung und niedrigeren thermischen Widerstand. Darüber hinaus, da diese COB-LEDs eine höhere Leistungsdichte und effizientere Wärmeableitung bieten sowie eine kleinere Fläche auf der Platine belegen, sind sie sehr geeignet für eine Vielzahl von Anwendungen der allgemeinen Beleuchtung, so die Meinung der Analysten des Unternehmens.

Lassen Sie uns nun mehrere COB-LED-Beispiele untersuchen, einschließlich der Produkte Vero™ von Bridgelux, Zenigata von Sharp und CXA von Cree, die zeigen, wie diese Komponenten Beleuchtungskonzepte vereinfachen und Energie und Kosten sparen.

Letztes Jahr stellte Bridgelux (Livermore, CA) seine Vero-Reihe von COB-LED-Arrays (Abbildung 1) hoher Effizienz vor: 120 lm/W Nennwert, 110 lm/W Mindestdurchschnitt. Diese Verbesserung soll eine Energieeinsparung von rund 11 Prozent im Vergleich zur vorigen Produktgeneration liefern. Diese Serie ist in vier Konfigurationen für die Lichtemissionsfläche (LES) erhältlich und kann über einen weiten Strombereich betrieben werden. Darüber hinaus stehen die Vero-Arrays mit zwei SDCM- (Farbanpassung nach Standardabweichung) und drei SDCM-Farbkontrolloptionen für hohe Farbregelgenauigkeit und gleichmäßige Beleuchtung zur Verfügung.


Abbildung 1: Die Vero-Familie von Bridgelux bietet CRI-Optionen von 70, 80, 90 und 97-Décor. (Das Farbspektrum ist für Warmweiß 3000 K 80 CRI, für Neutralweiß 4000 K 80 CRI und für kühles Weiß 5000 K 70 CRI. Mit freundlicher Genehmigung von Bridgelux).

Eine höhere Präzision der Farbsteuerung "verbessert die Qualität von Licht durch eine größere Konsistenz und Einheitlichkeit zwischen benachbarten Lichtquellen", so Bridgelux. Darüber hinaus übertrifft die Vero-Serie die R9-Anforderungen für Leuchten und Lampen der "California Energy Commission".

Nach Bridgelux ist die 120 lm/W Effizienz-Spezifikation eine durchschnittliche Leistung für alle Formfaktoren auf Basis der 3000 K, 80 CRI Konfigurationen, betrieben bei Nennströmen. Allerdings können Designer Wirkungsgrade von bis zu 140 lm/W bei niedrigeren Strömen erreichen.

Die Vero-Plattform ermöglicht auch Plug-and-Play-Konnektivität dank eines On-Board-Anschlusses, der eine lötfreie elektrische Verbindungen ermöglicht und die Montage erleichtert und somit hilft die Produktionsprozesse der Lichthersteller zu vereinfachen. Die Vorteile sind geringere Kosten, schnellere Markteinführung und geringere Anforderungen an die Lagerhaltung.

Hier die wichtigsten Daten:

• Lumen-Ausgangsleistung im Bereich von 240 bis 16400 Lumen
• CCT-Optionen von 2700 bis 5000 K
• CRI Optionen umfassen 70, 80, 90 und 97 CRI Dekor-Produkte
• Drei SDCM Standard für 2700 K bis 4000 K CCT mit zwei SDCM-Optionen
• Zuverlässiger Betrieb bei bis zum 2-fachen des Nennbetriebsstroms
• Radiales Chipmuster verbessert Lumendichte und Strahlsteuerung
• Thermisch isolierte Lötaugen
• Lötfreier Anschlussport für Plug-and-Play-Konnektivität und Felderweiterung
• Produktkennzeichnung und 2D-Barcode auf Oberseite

Weitere Vorteile sind die Kompatibilität mit einer Vielzahl von Standard-Treibern (350 mA Schritte) und optischen Komponenten, was eine größere Design-Flexibilität und mehr Möglichkeiten für einen Beitrag zu kürzeren Produktentwicklungszyklen, reduzierten Kosten und geringeren Inventarproblemen bietet.

Auch die Zenigata-COB-Technologie von Sharp Electronics Corp stellt eine Vereinfachung der Designs bereit. Die Zenigata-Modulenserie gibt es in drei Sorten: Mega, Mini und Petite Zenigata. Das Design von Sharp verwendet ein Keramiksubstrat statt eines aus Metall, was laut dem Unternehmen eine "optimale Wärmeableitung ohne Verfärbung" bietet. Dies führt zu einer niedrigen Farbverschiebung mit konsistenter Lichtleistung über der Zeit. Die einheitliche LES erleichtert das optische Design bei gleichzeitiger Verbesserung der Lichtqualität in einer Vielzahl von Anwendungen.

Werfen wir einen genaueren Blick auf die COB-Module von Sharp.

Die Mega-Zenigata-Module mit 50 bis 80 W zielen mit ihren Energieeinsparungen auf Hochleistungs-Beleuchtungsanwendungen. Die lichtstarken LEDs sollen Homogenitätsprobleme bei Verwendung mehrerer LEDs in einer Leuchte beseitigen. Diese Module ermöglichen die Verwendung von nur einer LED in einer Halterung und lösen damit das Problem der Homogenität und sparen zudem Platz. Erhältlich in 20 x 24 mm Gehäuseabmessungen, enthält die Mega-Zenigata-Familie Module mit sowohl hohem als auch normalem CRI mit Mindestleistungen von 90 CRI bzw. 80 CRI. Diese COB-LEDs können in Innen- und Außenbeleuchtungsanwendungen verwendet werden, darunter architektonische Beleuchtung, Strahler, Deckenleuchten, Einbauleuchten, Flächen- und Objektbeleuchtung sowie Beleuchtung hoher Intensität.

Für mittelgroße Produktanwendungen bietet Sharp die 15 W Mini-Zenigata-COB-Familie, die das Linsen- und Reflektordesign dank seines kreisförmigen 8 mm LES vereinfacht. Die Mini-Zenigata-LEDs, erhältlich in einer Gehäusegröße von 15 x 12 x 1,6 mm, bieten etwa ein Drittel der Fläche der Mega-Produkte zusammen mit einer Verringerung der Emissionsfläche, so Sharp. Anwendungen sind Innen- und Außenbeleuchtung, Architekturbeleuchtung, Leseleuchten, Strahler, Mobilbeleuchtung, Pendelleuchten, Zeichen- und Symbol-Leuchten sowie Bereichs- und Objektbeleuchtung .

Für niedrigere Wattzahlen gibt es die Petite-Zenigata-COB-LEDs (Abbildung 2) mit 4 bis 6 W. Sie sind für Anwendungen mit kleineren Linsen geeignet, einschließlich kleiner Strahler oder Schienenleuchten. Diese LEDs bieten eine kleine Gehäusegröße von 8 x 12 mm und 4 mm LES. Die 9,6 V Produkte ermöglichen die Verwendung eines DC/DC-Abwärtswandlers in MR16-Lampen (die normalerweise 12 V benötigen), während eine Komponente höherer Spannung, mit 40 V, das Treiber-Design für GU10-Lampen, die mit Netzspannung betrieben werden, vereinfacht. Diese LEDs können in Konstruktionen mit sehr kleinen, kompakten Linsen verwendet werden, einschließlich MR16-Ersatzlampen, GU10-Ersatzlampen, kleine Schienenleuchten, kleine Strahler, Pendelleuchten, kleine Leselampen und kleine Akzentbeleuchtungen. Die Produktlinie mit hohem CRI (mindestens 90 CRI) bietet 300 bis 395 Lumen Helligkeit.


Abbildung 2: Die Petite-Zenigata-COB-LEDs von Sharp bieten eine kleine Gehäusegröße von 8 x 12 mm und 4 mm LES. Die 9,6 V Produkte ermöglichen die Verwendung eines DC/DC-Abwärtswandlers in MR16-Lampen (die normalerweise 12 V benötigen), während eine Komponente höherer Spannung, mit 40 V, das Treiber-Design für GU10-Lampen, die mit Netzspannung betrieben werden, vereinfacht (Mit freundlicher Genehmigung von Sharp).

Cree Inc. (Durham, NC) hat vor kurzem seine CXA-Familie um das LED-Array CXA3070 erweitert, das mehr als 11000 Lumen bei 85°C liefert. Zur Vereinfachung des Designs und zur Senkung der Gesamtsystemkosten liefern die LED-Arrays eine hohe Lichtausbeute von bis zu 134 Lumen pro Watt bei 85°C und Optionen mit 70 bis 95 CRI. Die LEDs, charakterisiert und klassifiziert bei 85°C sind in den Farbtemperaturen ANSI-Weiß und EasyWhite verfügbar (2700 K bis 5000 K).

Durch die Lieferung hoher Lichtausbeute und hoher Wirksamkeit ist das LED-Array CXA3070 in der Lage, eine Systemleistung von 8000 bis zu mehr als 10000 Lumen zu liefern. In anderen Worten: es kann in Anwendungen sehr hoher Lichtleistung, wie Hochregalbeleuchtung und als Keramik-Metallhalogenid-Ersatz, verwendet werden.

Die vom Lieferanten des CXA-3070-Arrays (Abbildung 3 unten) zur Verfügung gestellten relativen Lichtstromwerte sind das Verhältnis der Messungen der CXA3070 bei stationärem Betrieb bei den gegebenen Bedingungen, geteilt durch den Fluss, gemessen während der Klassifizierung (Pulsmessung bei 1925 mA bei TJ = 85°C).

Zum Beispiel ist bei stationärem Betrieb bei T_C = 25°C und I_F = 1300 mA das relative Lichtstromverhältnis 80 Prozent, wie in der Grafik dargestellt. Eine CXA3070-LED, für die während der Klassifizierung 8500 lm gemessen wird, wird 6800 lm (8500 x 0,8) bei stationären Betrieb bei T_C = 25°C und I_F = 1300 mA liefern.


Abbildung 3: Die relativen Lichtstromwerte sind das Verhältnis der Messungen der CXA3070 bei stationärem Betrieb bei den gegebenen Bedingungen, geteilt durch den Fluss, gemessen während der Klassifizierung (Pulsmessung bei 1925 mA bei TJ = 85°C) (Mit freundlicher Genehmigung von Cree).

Die Hauptspezifikationen für das Array CXA3070 von Cree sind:

• Erhältlich in Vier- und Zwei-Stufen-EasyWhite-Bins bei 2700 K, 3000 K, 3500 K, 4000 K und 5000 K CCT
• Erhältlich in ANSI-Weiß-Bins bei 4000 K und 5000 K CCT
• Verfügbar in 70- und 80-Minimum-CRI-Optionen
• Durchlassspannung: 38,5 V
• 85°C Binning und Charakterisierung
• Maximaler Ansteuerungsstrom von 2800 mA
• Ausleuchtungswinkel von 115°, gleichmäßiges Chromatizitätsprofil
• Lötanschlüsse an der Oberseite

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Kosten immer ein großes Problem für Lichtdesigner sind. Da jedoch die durchschnittlichen Verkaufspreise für LEDs sich verringern, wird die Verbreitung der COB-LEDs weiter zunehmen, da die Entwickler immer öfter die Möglichkeiten sehen, die diese Komponenten für höhere Energieeinsparungen, mehr Flexibilität im Design, sowie eine bessere Lichtverteilung bieten, von denen sowohl das Lichtsystem als auch Hersteller und Endanwender profitieren.