Alterung, Farbveränderung und Totalausfall Die COB-LED bietet ein optimales Wärmemanagement

Autor / Redakteur: Jan Weinsheimer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Schlechtes Wärmemanagement bei der LED führt zu vorzeitiger Alterung, unerwünschten Farbveränderungen oder sogar zum Totalausfall der LED. Eine Lösung verspricht die COB-LED.

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Thermisches Management: Dank der COB-Technik konnte der Hersteller den thermischen Widerstand stark reduzieren. Die LED kann Wärme besser abführen.
Thermisches Management: Dank der COB-Technik konnte der Hersteller den thermischen Widerstand stark reduzieren. Die LED kann Wärme besser abführen.
(Bild: LemTec)

Im Vergleich zu klassischen Leuchtmitteln besteht die Herausforderung der LED-Technik darin, die bei der Lichterzeugung in der Diode entstehende Wärme über das Gehäuse abzuführen. Schlechte Temperaturkontrolle führt zu hohen Temperaturen in kritischen Bauteilen des Leuchtmittels. Dazu zählt die Diode selbst; betroffen sind außerdem die Lötstellen, das verwendete Phosphor oder das Silikon. Es kommt zu einer vorzeitigen Alterung, Ausfall und unerwünschten Farbveränderungen. In der Vergangenheit konzentrierte man sich bei der Weiterentwicklung der LED-Technik auf die Verringerung der thermischen Leistung über Effizienzsteigerung der LED selbst.

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Geringer Thermischer Widerstand von 0,5 bis 0,6 K/W

Standard-LEDs im Gehäuse weisen durch ihren Aufbau einen hohen thermischen Widerstand von 20 bis 200 K/W auf. High-Power-LEDs auf einem Keramiksubstrat immerhin noch 6 bis 12 K/W. Die LowTemp-COB-LEDs von LemTec kommen auf einen Wert von 0,5 bis 0,6 K/W. Wie in der schematischen Darstellung zu erkennen, sind deutlich weniger Schichten im thermischen Pfad vorhanden. Hieraus resultiert eine direkte thermische Anbindung an den Kühlkörper.

COB-Module werden klassische LED-Techniken ablösen

Die Erfahrung der letzten Jahre hat jedoch gezeigt, dass dieser Ansatz nicht ausreichend ist und der thermische Widerstand sämtlicher Komponenten des Wärmepfades betrachtet und optimiert werden muss. Hier konnten große Erfolge mit der COB-Technik erzielt werden, welche eine optimale Wärmeanbindung ermöglicht.

Begann der Siegeszug der LED noch mit bedrahteten LEDs geringer Leistung für spezielle Anwendungen, so werden mittlerweile konventionelle Leuchtmittel in sämtlichen Anwendungsszenarien verdrängt – selbst in Hochleistungsanwendungen wie der industriellen Beleuchtung. Heute steigt daher die Nachfrage nach LEDs mit hoher Leistung.

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Bei nur unzureichend auf Wärmeabfuhr optimierten Bauformen führen die mit hoher Leistung einhergehenden Wärmemengen jedoch unweigerlich zu hohen Temperaturen der LED. Zahlreiche Studien zeigen, dass hohe Temperaturen der beherrschende Faktor bei einer Lebensdauerbetrachtung von LEDs sind. Bei hohen Temperaturen sinkt die Effizienz der Diode selbst, es kommt zu einer Degradation des Silikons, Phosphorschichten und Lötstellen werden zerstört. Das bedingt sinkende Lichtströme, Veränderungen der Farbzusammensetzung oder den kompletten Ausfall der LED.

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Optimiertes Thermomanagement

Der Hersteller LemTec arbeitet ausschließlich mit COB-LED-Modulen. Bei den COB-LED-Modulen ab der Typbezeichnung 5009 2.0 handelt es sich um LowTemp-Module, bei denen der thermische Widerstand Rth gesenkt wurde.

Aufgrund des geringen thermischen Widerstandes und den damit einhergehenden verbesserten Wärmeleiteigenschaften ergibt sich ein deutlich effizienterer Wärmeabtransport bei der LED. Das bedeutet für den Einsatz der COB-LED-Module eine besser kontrollierbare Temperatur des Boards samt LED-Modul. Der Hersteller vergibt außerdem den Zusatz „LowTemp“, der meist in der Kombination mit der Performance Temperatur (Tp) des COB-LED-Moduls im verbauten Zustand innerhalb einer Leuchte ausgewiesen wird.

So ist es dem Betrachter möglich, bei der von ihm ausgewählten Leuchte auch gleich Rückschlüsse auf die Betriebstemperatur der LED zu ziehen.

Label für die Kaufentscheidung etablieren

Im Detail aufgezeigt hat dieses Problem die vom Bundesministerium für Wirtschaft geförderte und auf drei Jahre angesetzte Performance-Quality-Label- (PQL-) Studie. Hier wurden mehr als 70 LED-Leuchten auf Schwachstellen und Unzulänglichkeiten untersucht. Das Ziel war es, den Leuchtenherstellern konkrete Hinweise über Alterungsmechanismen, thermisches Management bei verschiedenen Betriebstemperaturen und die Restwelligkeit der LED-Ströme zu geben.

Zudem soll ein Label entwickelt werden, dass die Kaufentscheidung von Handel und Endanwendern durch eine größtmögliche Transparenz der Produkte erleichtert. Außerdem möchten die Auftraggeber der Studie einen Katalog für die Mindestanforderungen für LED-Leuchten entwickeln, mit dem die Produktqualität der Leuchten bestimmt werden kann.

Als eine Antwort auf die möglichen Schwachstellen und Unzulänglichkeiten setzen sich seit zwei Jahren die COB- (Chip-On-Board-) LEDs mit verbesserter Wärmeableitung mehr und mehr durch und verdrängen gerade in der Hochleistungsbeleuchtung die klassischen LED-Bauformen vom Leuchtenmarkt.

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