Ratgeber

HighPower-LED » Hohe Lichtleistung und Farbintensität

HighPower- oder Hochleistungs-LEDs sind hell, manche sogar sehr hell. Kein Wunder also, dass sie in vielen Bereichen nicht nur die klassischen Glüh- und Leuchtstofflampen, sondern auch Halogen-Leuchtmittel ersetzen. Zumal sie sowohl hinsichtlich der Lebensdauer, als auch beim Stromverbrauch die Vorteile auf ihrer Seite haben. In unserem Ratgeber informieren wir Sie über die wichtigsten Typen und Bauformen kompletter LED-Module.



Was sind HighPower-LED Module?

HighPower-LEDs sind Single- oder Multi-Chip-LEDs, die in der Regel auf Keramiksubstraten aufgebracht sind und mindestens ein Watt Leistung besitzen. Ihr effizientes thermisches Design ermöglicht eine zuverlässige Beleuchtung mit hoher Lichtleistung und Farbstabilität über die gesamte Lebensdauer hinweg.

Während sich konventionelle Leuchtdioden mit Strömen von 20 bis etwa 100 Milliampere begnügen, erfordern HighPower-Emitter wenigstens 350 Milliampere. Entsprechend groß ist auch die Betriebsspannung, die meist zwischen 5 und 24 Volt beträgt. HighPower-LED-Module dienen denn auch in erster Linie als Lichtquelle.

Typische Beispiele sind Beleuchtungseinrichtungen von Industrieanlagen, Sportstätten und Außenbereichen. Zu finden sind sie aber auch in Scheinwerfern von Kraftfahrzeugen und Fahrrädern, in Taschenlampen und Smartphone-Blitzlichtern.

Die Investition in Leuchten, die HighPower-LEDs als Lichtquelle verwenden, ist zwar mit vergleichsweise hohen Anschaffungskosten verbunden. Ihre optische Leistung, die Helligkeit und die Zuverlässigkeit führen jedoch häufig zu einer deutlich höheren Investitionsrendite als bei der Verwendung von Emittern mittlerer Leistung. Tatsächlich ermöglichen die höheren tolerierbaren Betriebstemperaturen und die kompakte Grundfläche ein Design mit kleinen Kühlkörpern. Sie bieten damit enorme Einsparungen bei der Herstellung von Leiterplatten, Reflektoren und Diffusoroptiken, die bei Systemen mit MidPower-LEDs einen großen Teil der Stücklistenkosten ausmachen.



Das Wärmemanagement von HighPower-LEDs

HighPower-LEDs können wie bereits erwähnt 350 Milliwatt und mehr in einer einzigen LED verbrauchen. Der größte Teil des Stroms – etwa 70 Prozent – wird dabei in Wärme und nicht in Licht umgewandelt. Ohne Wärmeabfuhr laufen die LEDs bei hohen Temperaturen, was nicht nur ihre Effizienz senkt, sondern auch ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigt. Daher sind die Temperaturen sowohl der Sperrschicht als auch der Phosphorteilchen auf einen Wert zu begrenzen, der die gewünschte Lebensdauer des Moduls gewährleistet.

Normalerweise sind LEDs in einem transparenten Harz auf Polyurethanbasis eingekapselt. Dieses Harz ist allerdings ein schlechter Wärmeleiter. Fast die gesamte an der n-p-Sperrschicht erzeugte Wärme wird daher über die Rückseite des Chips abgeleitet. Die Werte für den Wärmewiderstand sind je nach Material oder Komponentenlieferant sehr unterschiedlich und können zwischen 2,6 und 18 Grad Celsius pro Watt reichen.

HighPower-LEDs sind deshalb häufig auf Leiterplatten mit Metallkern und Kühlkörper montiert, deren Wärme durch Konvektion und Strahlung abgeführt wird. Beim Gehäusedesign sind die Oberflächenebenheit und -qualität jedes Bauteils, der ausgeübte Montagedruck, die Kontaktfläche, die Art des Oberflächenmaterials und dessen Dicke wichtige Parameter für die Auslegung des Wärmewiderstands.



Typen und Bauformen von HighPower-LED Modulen

HighPower-LEDs sind in vielen Varianten erhältlich. Zu den wichtigsten gehören folgende Varianten:

HighPower-LED-Platinen

Diese meist runden, ring- oder bogenförmigen Lichtquellen enthalten mehrere LED-Elemente, in der Regel für die additiven Grundfarben Rot, Grün und Blau. Durch entsprechende Ansteuerung lassen sich mit ihnen alle Regenbogenfarben erzeugen.

Der Abstrahlwinkel beträgt wie für HighPower-LEDs üblich 120 Grad, die Betriebsspannung liegt bei 5 Volt. Der Lichtstrom ist mit 8 Lumen allerdings relativ gering und entspricht einer Lichtstärke von 2547 Millicandela. Die Leistung dieser in der Regel auch dimmbaren Platinen liegt allgemein zwischen 2 und 5 Watt.

HighPower-LED-Module

Bei diesen LED-Komponenten handelt es sich um wirklich echte Module, denn sie enthalten neben den meist mehrfach vorhanden LEDs auch die komplette Steuerungselektronik für Wechsel- und Gleichstrom sowie ausreichend dimensionierte Kühlkörper. Aufgrund ihrer geringen Baugröße lassen sie sich – die passende Stromversorgung vorausgesetzt – einfach gegen konventionelle Leuchtmittel austauschen. Am unteren Ende der Leistungsskala rangieren Module mit 40 bis etwa 130 Lumen und teilweise farbigen LEDs, am oberen Ende warm- und kaltweiße Strahler mit 2000 Lumen. Letztere benötigen eine Spannung von rund 24 Volt und einen Strom von knapp einem Ampere.

HighPower-LED-Spots

Diese kleinen Leuchten für Versorgungsspannungen um 3 Volt und mit einer Stromaufnahme von einigen Hundert Milliampere bieten ideale punktuelle Beleuchtungen, besonders ausgeprägt mit einem Abstrahlwinkel von lediglich 15 Grad.

Ihre Leistung beträgt in diesem Fall zwar nur 2 Watt bei 205 Lumen, durch die extreme Fokussierung der Plexiglaslinse erreicht dieser Leuchtentyp eine Helligkeit von über 3.813 Candela. Es gibt auch Varianten dieser Leuchte mit Abstrahlwinkeln von 30 oder 45 Grad sowie mit roter, grüner und blauer Lichtfarbe.

LED-Bausteine

Dabei handelt es sich um starre dimmbare LED-Boards, die bereits mit Leuchtdioden ausgestattet sind und komplett auf Kühlkörper verzichten können. Der Abstrahlwinkel liegt typischerweise bei 120 Grad, der Farbwiedergabeindex bei 85 (Tageslicht = 100). Das garantiert eine flächendeckende und nahezu farbechte Ausleuchtung. Typische Einsatzbereiche sind Wand- und Deckenleuchten sowie Shop- und Schaufenster Beleuchtungen. SMD-Klemmen ermöglichen eine einfache und lötfreie Stromversorgung.

Mehrfarbige SMD-LEDs

Die Abkürzung SMD steht für Surface-mounted Device, also für auf der Oberfläche einer Platine montierbare Bauelemente. Sowohl die LED als auch auch elektronische Komponenten wie die Spannungssteuerung zum Dimmen sind fest mit der Platine verlötet. Da die LEDs Licht in den Grundfarben Rot, Grün und Blau emittieren, lassen sich mit diesen Modulen alle sichtbaren Farbnuancen erzeugen. Die Versorgungsspannung liegt im Allgemeinen bei 5 Volt, der Lichtstrom betragt meist 8 Lumen.



Unser Praxistipp: Lichtfarben

Der optische Kristall bestimmt die Lichtfarbe einer Leuchtdiode. Eine Leuchtdiode allein kann deswegen nur in unterschiedlichen Helligkeiten leuchten, aber nicht mehrfarbig sein. Der Farbeffekt im RGB-Spektrum wird durch die Kombination mehrerer einfarbiger Leuchtdioden realisiert, weswegen es sich bei mehrfarbigen LEDs immer um Module handelt.



Warum sind für den Betrieb von HighPower-LED-Modulen Konstantstromquellen oder zumindest Vorschaltwiderstände empfohlen?

Bei den meisten Hochleistungs-LEDs gibt es eine exponentielle Beziehung zwischen der an die LED angelegten Vorwärtsspannung und dem durch sie fließenden Strom. Wenn die LED eingeschaltet ist, kann selbst eine kleine Spannungsänderung von nur 5 Volt zu einer 100-prozentigen Erhöhung des Stroms führen. Der macht die LED zwar heller, führt aber durch die Wärmeentwicklung auch zu einer Überlastung oder sogar zum Durchbrennen des Leuchtmittels. Mit einer Konstantstromquelle hält der Treiber den Strom konstant, auch wenn sich die Spannung mit der Temperatur ändert, ohne die LED zu sehr zu belasten.

Beim Betrieb von Hochleistungs-LEDs mit Batterien oder Akkus – wie in Taschenlampen beispielsweise – sind keinerlei Strombegrenzungen notwendig: Der Innenwiderstand des Stromspeichers ist so hoch, dass eine Überlastung der LED ausgeschlossen ist – die richtige Versorgungsspannung natürlich vorausgesetzt.

Conrad Electronic GmbH & Co KG benötigt für einzelne Datennutzungen Ihre Einwilligung, um die Funktion der Website zu gewährleisten und Ihnen unter anderem Informationen zu Ihren Interessen anzuzeigen. Mit Klick auf "Zustimmen" geben Sie Ihre Einwilligung dazu. Ausführliche Informationen erhalten Sie in unserer Datenschutzerklärung.
Sie haben jederzeit die Möglichkeit Ihre Zustimmung in der Datenschutzerklärung zurückzunehmen.
Ablehnen
Zustimmen