Meer dan lumen per watt…de evolutie van led-licht

Wie vandaag een keuze moet maken uit alle mogelijke marktvarianten van CoB (Chip on Board) led-packages of ledmodules staat vaak voor een lastige klus

De prijzen zijn stilaan uitgekristalliseerd, de lichtopbrengst toont nog lichte variaties, de vormgevingen en maatvoeringen beginnen te standaardiseren… maar er is veel meer aan de hand binnen de ontwikkeling van de ledtechnologie. Alleen is die evolutie minder bekend en zijn de gevolgen minder duidelijk voor de verlichtingsontwerpers.

In dit artikel zoomen we in op de gevolgen van de stijgende rendementen van ledverlichting en het gebruik van hoogwaardig thermisch geleidende materialen binnenin de ledmodules.

Koelrendement

Koen Vangorp, general manager van MechaTronix uit Taiwan, zegt daarover: "Wie in de wereld zit van spotverlichting, downlight en retail-verlichting kan zeker getuigen dat we door een evolutionaire rush gaan de laatste jaren. Elke gerenommeerde ledchipfabrikant brengt tegenwoordig minstens één maal per jaar een nieuwe revisie uit van zijn ledmodules of CoB led-packages. Vaak uit het verschil zich enkel als een grotere lichtopbrengst voor hetzelfde stroomverbruik terwijl het geheel er fysiek exact hetzelfde blijft uit zien, of een betere kleurweergave door een hogere CRI-waarde. Waar minder bij wordt stilgestaan, zijn de invloeden die deze ontwikkelingen hebben op het noodzakelijke koelrendement en de mogelijke kostenbesparingen die hier uit voortvloeien."

Om dit toe te lichten splitst Vangorp de materie in drie delen:

• – Het lichtrendement en de invloed op opwarming

Een hoger licht rendement betekent meteen minder verlies, wat rechtevenredig is met minder warmteproductie die moet worden weggekoeld.

Nog maar twee jaar geleden was het gemiddelde rendement van een high power led 20%, wat betekende dat 80% van de energie werd om gezet in warmte. Nu zijn er volop led-packages te verkrijgen met rendementen van 30 tot 35%

Stel dat je een retail-armatuur bekijkt van 3000 lumen, dan verbruikte de benodigde module in 2011 pakweg 35 watt elektrisch vermogen terwijl 28 watt van dit vermogen werd gedissipeerd in warmte.

Datzelfde lichtarmatuur verbruikt vandaag de dag 30 watt, waarvan slechts 20 watt dient te worden weggekoeld. Hoewel er aan de verbruikskant maar 5 watt wordt gewonnen zien we aan de warmteverlieskant dat er 40% minder vermogen wordt omgezet in warmte, wat meteen zal leiden tot een veel kleinere led-koeler.

Juist door dit effect zagen we in de winkel- en detailhandelverlichting van 3000 lumen en meer een duidelijke overgang van actief gekoelde lichtarmaturen naar passief gekoelde armaturen.

Bijkomend nadeel van de actief gekoelde verlichting was, dat de noodzaak van een extra driverspanning voor een ventilator of blower de kosten al snel deed oplopen

• – De betere led-dies en hogere toegelaten temperaturen

Het effectieve hart van de led heeft ook een flinke evolutie ondergaan, alhoewel na invoer van de blauwe-ledtechnologie met fosfor-wit transformatie dit zich minder uit. Sinds de laatste twee jaar laat de chipfabrikant een iets hogere led-junctietemperatuur (Tj) toe dan voordien

Een referentie-design met een levensduur van 50 000 uur zou voordien op een maximale junctietemperatuur moeten werken van 100 °C, terwijl vandaag zonder enige verdere wijziging een junctietemperatuur van 110 °C dezelfde levensverwachting oplevert.

Hier zien we dus een verbetering van pakweg 10%, want deze extra toegelaten temperatuur leidt ook weer tot mogelijk gebruik van een kleinere heatsink voor hetzelfde eindresultaat.

• – Het gebruik van hoogwaardig thermisch geleidende materialen in de led-opbouw

Dit is waarschijnlijk één van de minst zichtbare veranderingen, maar vooral bij hogere vermogens één van de meest spraakmakende evoluties op gebied van de led-packagingtechnologie en de invloed op noodzakelijke koeling.

Door het gebruik van thermisch sterk geleidende materialen in de opbouw van de junctie tot aan de buitenkant van de ledmodule, maar ook door minder thermische overgangen te maken bij de opbouw van de led-package, is de thermische weerstand van de led-junctie naar case (Rth j-c) extreem gedaald.

Op ditt vlak zien we ook extreme differentiaties tussen verschillende ledfabrikanten.

Als we 3000 lumen led-CoB modules vergelijken van acht vooraanstaande fabrikanten, dan zien we de thermische weerstand van junctie naar case Rth j-c  variëren van waarden tussen 1,1°C/W maximaal tot 0,4°C/W minimaal, dus een verschil van maar liefst 270%.

Als we dit in warmte uitdrukken dan zou bij hetzelfde rendement (dus beide modules dissiperen 20 watt naar warmte), dezelfde toegepaste ledkoeler en dezelfde omgevingsomstandigheden, er een temperatuursverschil in de junctie tussen de twee uiterste ledmodules optreden van (1,1 °C/W – 0,4 °C/W) x 20 W = 14 °C.

Dit laat meteen zien waarom het belangrijk is de interne thermische weerstand zo klein mogelijk te houden, vooral bij ledmodules met een hoger vermogen.

Het voordeel van een lagere thermische weerstand van de package kan ofwel worden benut door een kleinere ledkoeler te gebruiken, ofwel door de junctie effectief lager in temperatuur te houden, wat meteen leidt tot extra levensduur.

Als we deze drie elementen nu samen voegen, dan zien we dat ze alle drie onmiddellijk betrekking hebben op de noodzakelijke ledkoeling om de led op de gewenste temperatuur te houden.

"Vandaag kan een 5000 lumen downlight perfect op temperatuur worden gehouden met een goed ontworpen passieve aluminium ledkoeler van 500 gram. Slechts twee jaar geleden zou dezelfde missie eindigen in een blok aluminium van meer dan een kilo of een actieve koeler. Dus inderdaad: niet alleen ‘lumen per watt’ heeft een enorme evolutie doorgemaakt."

Meer informatie over de thermische aspecten van led-ontwikkelingen is te verkrijgen bij MechaTronix via led@mechatronix-asia.com of op http://www.led-heatsink.com/