Kompakte COB-LED-Arrays für bessere Beleuchtung im Einzelhandel

Chip-on-Board-(COB)-LED-Arrays haben sich zu einer beliebten Option entwickelt, da sie es Beleuchtngstechnikern leicht machen, Lösungen mit der Leuchtkraft vieler LEDs zu entwickeln, ohne dabei auf die Probleme von Montage, Betrieb und Temperaturmanagement zu stoßen, wie sie von LED-Gruppen auf Einzelträgern bekannt sind. Diesen Teil haben bereits die LED-Hersteller übernommen: Sie liefern modulare Lösungen mit einem Keramikgehäuse und einem hohen Integrationsgrad. Darüber hinaus ermöglichen COB-LED-Arrays den Herstellern von Beleuchtungsanlagen die Nutzung von effizienzsteigernden Technologien wie z. B. „Remote-Phosphor“ (siehe TechZone-Artikel „Remote Phosphor Offers Alternative to White LEDs“).

Nun liefert eine zweite Generation von COB-LED-Arrays sogar noch mehr Leuchtkraft mit weniger LEDs, wodurch die „Lumendichte“ weiter verbessert wird und Hersteller die Größe der Lichtabstrahlungsfläche verkleinern können. Diese neuen COB-LED-Arrays lassen sich in kleine Lampen mit gerichtetem Licht integrieren und liefern mit hoher Leuchtkraft und schmalem Strahlungswinkel genau die Eigenschaften, die von Einzelhändlern gefordert werden.   

Dieser Artikel beschreibt die neue Generation der COB-LED-Arrays bekannter Hersteller und erläutert deren Vorteile zur Konstruktion kompakter, schlanker Lösungen für gerichtete Beleuchtung im Einzelhandel.

Gerichtetes Licht

Obwohl sich die Leistung von LEDs erheblich verbessert hat, ist die Lichtabgabe von einzelnen Bauteilen immer noch nicht ausreichend für eine gängige Beleuchtungslösung. So erzeugt zum Beispiel eine 100-W-Glühlampe mit 120 V 1.700 Lumen (bei einer Lichtausbeute von etwa 17 lm/W). Im Vergleich hierzu erzeugt eine gängige LED wie die Z5M1 von Seoul Semiconductor 145 Lumen (350 mA, 2,95 V, 140 lm/W). Ein Ingenieur würde demnach ein Dutzend der LEDs von Seoul Semiconductor benötigen, um in etwa dieselbe Lichtausbeute wie die Glühlampe zu erzielen.

Die Gruppierung von LEDs in Arrays, um die Ausbeute herkömmlicher Leuchtmittel zu erreichen, führt hinsichtlich Beleuchtung, Optik und Herstellung zu neuen Herausforderungen. Um das Problem der Entwicklung und anschließenden Montage eines LED-Arrays zu lösen, bieten die LED-Hersteller jetzt eine modulare Lösung in Form eines COB-LED-Arrays an. Derartige Bauteile zeichnen sich sowohl durch ein Keramikgehäuse als auch einen hohen Integrationsgrad (siehe TechZone-Artikel „The Rise of Chip-on-Board LED Modules“).

Durch die Lumendichte der ersten Generation von COB-LED-Arrays war eine Lichtabstrahlungsfläche von mindestens 9 mm im Durchmesser erforderlich, um eine ausreichende Lichtausbeute für Beleuchtungsanwendungen zu gewährleisten. LED-COB-Arrays mit 9 mm Lichtabstrahlungsfläche wie das OSRAM SOLERIQ P9, ein Produkt mit 1800 lm (700 mA, 29 V, 89 lm/W), und das Cree XLamp CXA 1520, ein Bauteil mit 1245 lm (500 mA, 35 V, 72 lm/W), sind bereits sehr erfolgreich, insbesondere in der gerichteten Beleuchtung.

Diese Beleuchtungsart ist im Einzelhandel besonders beliebt. Hier wird sie zum Hervorheben der Produktauslagen durch helle, weiße Lichtstrahlen eingesetzt. Dieser Effekt wird noch intensiviert, je gezielter präzise Lichtstrahlen ohne Ausbreitung des Lichts auf die Produkte gerichtet werden können (Abbildung 1).

Abbildung 1: Gerichtete LED-Beleuchtung wird im Einzelhandel gern zum Hervorheben der Produktauslagen eingesetzt. (Mit Genehmigung von Philips Lighting)

Ingenieure nutzen zur Beschreibung des Lichtmusters von gerichteten Lampen die Begriffe „Strahlungswinkel“ und „Feldwinkel“. Die Referenzmessung ist dabei die „Lichtstärke im Zentralstrahl“ (Center Beam CandlePower, CBCP), die durch Messung der Lichtintensität bei 0° (d. h. am Mittelpunkt der Lichtabstrahlungsfläche der gerichteten Lampe) bestimmt wird. Der Strahlungswinkel bezeichnet den Teil des Lampenstrahls, in dem die Lichtstärke mehr als 50 % des CBCP-Werts beträgt. Der Feldwinkel bezeichnet den größeren Bereich des Strahls, wo die Lichtstärke mehr als 10 % des CBCP-Werts beträgt. Diese Werte werden aus einem Diagramm der relativen Intensität im Verhältnis zur Winkelverlagerung abgeleitet (Abbildung 2). Die Lichtstärke entspricht direkt dem Candela-Wert (cd), der Einheit der Lichtintensität (was die Menge des von einer Lichtquelle abgestrahlten sichtbaren Lichts in einer Zeiteinheit pro Raumwinkeleinheit ist). Siehe TechZone-Artikel „Decoding Luminous Intensity Distribution Data for LED Modules“).

Abbildung 2: Strahlungs- und Feldwinkel von gerichteter LED-Beleuchtung werden aus Diagrammen der relativen Intensität abgeleitet. (Mit Genehmigung von Philips Lumileds)

Kleinere Arrays

Beleuchtungsdesigner, die die Vorteile von COB-LED-Arrays einem noch breiteren Produktbereich zugänglich machen möchten, verlangen sogar noch kleinere Produkte. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, taucht auf dem Markt nun eine zweite Generation von COB-LED-Array auf. Die neuen Bauteile nutzen die gestiegene Lichtausbeute weißer LEDs, um die Lumendichte weiter zu verbessern.

LED-Hersteller wie z. B. Philips Lumileds und Cree haben neue Produktfamilien von COB-LED-Arrays mit kleineren Lichtabstrahlungsflächen mit bis zur 6 mm Durchmesser vorgestellt, die trotzdem eine so hohe Lichtausbeute liefern, dass sie an die älteren Bauteile mit Lichtabstrahlungsflächen von 9 mm herankommen. Diese neuen Produkte zeichnen sich durch geringere Abmessungen bei gleichzeitig geringem thermischen Widerstand aus, wodurch sie sich für extrem kompakte gerichtete Beleuchtungslösungen eignen. Ein weiterer Hauptvorteil – insbesondere für Anwendungen im Einzelhandel – besteht darin, dass diese kleineren COB-LED-Arrays durch Optiken ergänzt werden können, die schmalere Strahlungs- und Feldwinkel ermöglichen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Kleinere COB-LED-Arrays für optimierte gerichtete Beleuchtung. (Mit Genehmigung von OSRAM)

Philips Lumileds hat beispielsweise erst kürzlich sein LUXEON COB 1202 LED-Array vorgestellt (Abbildung 4), dessen Lichtabstrahlungsfläche nur 6,5 mm im Durchmesser beträgt. Das Produkt gehört zur CrispWhite Technology-Palette des Herstellers.

Abbildung 4: Philips Lumileds LUXEON COB 1202 LED-Array mit 6,5 mm Lichtabstrahlungsfläche.

Laut Herstellerangaben liefert die kleine Lichtabstrahlungsfläche des 1202 dieselbe Ausbeute wie die vorherige Generation der COB-LED-Arrays mit 9 mm Durchmesser, allerdings mit einem höheren CBCP-Wert. Im Datenblatt ist die Lichtstärke des Bauteils mit 65.000 cd bei einem Strahlungswinkel von 10^o angegeben. Philips Lumileds verweist auch darauf, dass das 1202-Produkt in einer „sehr warmen“ 2200-K-Version erhältlich ist, die sich für Anwendungen im Einzelhandel eignet, bei denen ein „Licht wie durch Kerzenschein“ gewünscht wird. Die 3000-K-Version des Produkts erzeugt 600 lm (200 mA, 85 lm/W) und hat einen Farbwiedergabeindex (CRI) von 92.

Cree seinerseits bietet das COB-LED-Array XLamp CXA 1304 mit einer Lichtabstrahlungsfläche von nur 6 mm Durchmesser an. Der Hersteller gibt an, das sein 6-mm-Produkt „für diesen Formfaktor eine neue Dimension bei Lichtstrom und Lichtausbeute erschließt“. Die 3000-K-Version des 1304 erzeugt 368 lm (400 mA, 9 V, 102 lm/W) und hat einen typischen CRI von 95.

Kontinuierliche Steigerungen der LED-Lichtausbeute haben es Herstellern ermöglicht, eine zweite Generation von COB-LED-Arrays mit verbesserter Lumendichte zu entwickeln. Diese neuen Bauteile zeichnen sich durch deutlich kleinere Lichtabstrahlungsflächen aus und liefern gleichzeitig die Lichtausbeute der bisherigen, größeren COB-LED-Arrays. Durch Einsatz dieser neuen Produkte in der gerichteten Beleuchtung können Designer genau die helle, engstrahlige Beleuchtung schaffen, wie sie vom Einzelhandelssektor gefordert wird.