COB-Module, Nichia und allgemein

  • Vor etwa einem halben Jahr hat Nichia einige neue COB-Module auf den Markt gebracht, die die bis dahin scheinbar unvereinbaren Parameter Effizienz, Farbwiedergabe und Preis endlich unter einen Hut gebracht haben. Bis zu diesem Zeitpunkt hatte ich praktisch nur mit der 757er-Serie von Nichia gearbeitet, die ein optimales Preis-Leistungs-Qualitäts-Merkmal hatten. Da es sich hierbei um Mid-Power-LEDs handelt, war der Arbeitsaufwand immens. Nicht selten hatte ich für eine Leuchte 128 LEDs verarbeitet; bei 2 Lötstellen je SMD-LED kann sich wohl jeder vorstellen, was das für ein Arbeitsaufwand war.


    Bei den COB-Modulen reduziert sich der Aufwand auf 2 Lötstellen je Modul, die zudem auch noch viel einfacher auszuführen sind. Abstriche muss man bei der Effizienz machen, trotzdem sind 120 lm/W locker erreichbar. Folglich habe ich einige Projekte mit diesen COB-Modulen aufgebaut.


    Bisher habe ich 8 Module verbaut und möchte hier einfach meine Erfahrungen weitergeben. Teile davon wie z.B. das Verlöten lassen sich durchaus auch auf Module anderer Hersteller übertragen.


    Die COB-Module enthalten - je nach Typ - zwischen 36 und 216 LEDs auf einem Keramikträger. Für uns "Bastler" sind dabei die Versionen NSBxL121A (121 LEDs) und NSCxJ216A (216 LEDs) am interessantesten. Bei diesen beiden Serien entspricht der Nennstrom weitestgehend dem erhältlicher KSQs.


    Die Module bestehen aus einem Keramikträger und den darauf kreisförmig platzierten LED-Chips:



    Dass bei diesen Modulen eine ausreichende Wärmeabfuhr erforderlich ist, sollte eigentlich selbstverständlich sein. Eine Effizienz von ca. 120 lm/W entspricht einem elektrischen Wirkungsgrad von etwas über 30%. Der Rest muss an die Umgebungsluft abgegeben werden.


    Erste Wahl für mich waren bisher die Kühlkörper SK 572 SA 25 und SK 584 SA 25 mit einem Wärmewiderstand von 1,4 bis 1,8 K/W. Je nach Anwendung habe sich beide Typen bewährt.


    Der Keramikträger der Module hat einen sehr niedrigen Wärmewiderstand. Einmal auf dem jeweiligen Kühlkörper montiert, ist ein normaler Lötvorgang kaum noch durchführbar. Die Wärmeenergie des Lötkolbens wird schlicht und einfach viel zu schnell an den Kühlkörper abgeleitet.


    Deshalb müssen sowohl die Lötstellen des COB-Moduls als auch das verwendete Kabel entsprechend vorbereitet werden:


    Ich verwende bleihaltiges Lot. Auch wenn dieses für industrielle Zwecke nicht mehr zugelassen ist: für Privatanwender hat es dennoch 2 Vorteile:
    1. Die Schmelztemperatur liegt niedriger.
    2. Eine Lötstelle mit bleihaltigem Lot glänzt nach entsprechender Reinigung, eine bleilose wirkt matt und kann damit von der Qualität der Lötstelle her optisch nicht beurteilt werden.


    Zurück zur Vorbereitung:
    Das Modul hat vergoldete Anschlüsse; für Kontaktfedern optimal, zum Löten eher nicht. Folglich muss das Gold erst entfernt werden; beim Verlöten einer vergoldeten Lötstelle diffundiert das Gold in die Lötstelle und mattiert diese. Eine Beurteilung der Lötstelle wird dadurch erschwert. Das Prinzip ist simpel: zunächst wird etwas Lötzinn aufgeschmolzen; die entstehende Lötstelle ist eher matt:



    Nun wird das aufgetragene Lötzinn mit Entlötlitze entfernt (und damit auch das Gold) und erneut Lötzinn aufgetragen. Zwischendurch wird die Lötstelle mit Isopropanol oder Ethanol gereinigt. Ergebnis:


    Wir haben jetzt optimale Lötflächen, auf die wir etwas Lötzinn auftragen.


    Das COB-Modul ist damit vorbereitet. Den Anschlussdraht bereiten wir ebenfalls durch Verzinnen vor:


    Die bisherigen Schritte werden durch Einsatz von Flussmittel erheblich vereinfacht.


    Das COB-Modul wird mit ArcticSilver auf den Kühlkörper geklebt.


    An der Lötstelle sowie am verzinnten Draht wird erneut etwas Flussmittel aufgetragen. Die Lötstation (hier: Weller WHS 40D) wird auf 420°C gestellt. Zum Verlöten des Kabels mit dem COB-Modul wird die Lötspitze am feuchten Schwamm gereinigt, mit einem kleinen Tropfen Lötzinn als Wärmebrücke versehen und bei gleichzeitigem Auflegen von Anschlussdraht und Lötspitze die Lötstelle hergestellt. Ergebnis:



    Es handelt sich hier um ein Foto mit Blitzbelichtung. Die scheinbar kupferfarbene Verfärbung entspricht real einer glänzenden Zinnoberfläche. Hier noch ein Foto eines verdrahteten 216er-Moduls:

  • Teil 2.
    Abschließend noch ein paar Anwendungsbeispiele:


    1. Beistellleuchte:

    Als Leuchtenkopf dient ein Kühlkörper SK572 25 SA. In diesen werden zunächst 2 Löcher mit 10 mm Durchmesser gebohrt:

    In diese Löcher habe ich zwei 28 cm lange Abschnitte eines eloxierten Alurohrs mit 1 cm Durchmesser mit UHU Plus endfest 300 eingeklebt.


    Der Sockel besteht aus einer MDF-Platte mit den Abmessungen 15 x 11 x 1,9 cm und vier passend zurechgesägten Fichtenholzbrettern mit einer Höhe von 5 cm und 5mm Stärke. Diese habe ich mit der MDF-Platte einfach mit Ponal verklebt. Vor dem Verkleben habe ich noch 2 Löcher mit 10 mm Durchmesser passend für die Alurohre gebohrt.
    Den Sockel habe ich dann nach Nacharbeiten der Oberfläche mit grauem Graniteffektlack lackiert. Diesen Lack verwende ich sehr gerne. Zum Einen sieht er gut aus, zum Anderen verdeckt er leichte Oberflächenfehler wie Kretzer etc. Man muss die Oberflächen also nicht zu penibel bearbeiten. :) Den Lack erhält man z.B. im Hellweg-Baumarkt in den Farben weiss, grau und schwarz.


    In die spätere Rückseite wird noch ein Loch mit 6 mm Durchmesser als Kabeldurchführung gebohrt und dann die Alurohre mit dem Sockel verklebt. Jetzt wird das vorverzinnte COB-Modul vom Typ NSBWL121A auf den Kühlkörper geklebt (Arctic Silver), 2 Kabel durch die Rohre gelegt und mit dem COB-Modul verlötet.


    Als KSQ habe ich eine APC-12-350 verwendet. Die KSQ wird mit der MDF-Platte verschraubt, das Netzkabel durch das Loch an der Rückseite des Sockels geführt und alles verdrahtet:


    Als Netzleitung habe ich ein fertig konfektioniertes 2-adriges Kabel mit Schnurzwischenschalter aus dem Baumarkt verwendet. Über das Kabelende habe ich vor dem Einführen noch ein etwa 5 cm langes Stück weissen Schrumpfschlauch geschrumpft. Dies dient als Knickschutz des Kabels am Sockel. Nach einem Funktionstest habe ich den Sockel einfach komplett mit Heißkleber vergossen, dabei aber die Oberseite der KSQ freigelassen. Zum Einen wird der Sockel dadurch schwerer und damit standfester, zum Anderen ist die komplette Verkabelung dadurch vollständig isoliert.


    Abschließend habe ich auf den Kühlkörper noch einen Rohrabschnitt aus SatinIce mit einem Durchmesser von 7 cm und 10 cm Länge (versandkostenfreies Muster von Evonik :D ) geklebt. Von anderen Projekten hatte ich noch eine SatinIce-Bodenscheibe mit 9 cm Durchmesser übrig. Diese habe ich auf das SatinIce-Rohr geklebt.


    Im Dauerbetrieb erreicht der Kühlkörper eine Temperatur von 44°C. Der Nennlichtstrom von 1512 Lumen reduziert sich durch die Temperatur auf ca. 1450 Lumen. Das SatinIce schluckt weitere 17% Licht. Daraus ergibt sich ein effektiver Lichtstrom von ca. 1200 Lumen. Die Leistungsaufnahme beträgt gemessene 12 W, woraus sich eine Systemeffizienz von 100 lm/W ergibt.


    2. Tischleuchte:

    Auch hier dient ein Kühlkörper SK572 25 SA als Leuchtenkopf und ein COB-Modul Typ NSBWL121A als Lichtquelle, dieses aber hier in der Version mit einem CRI>90.
    Stromquelle ist eine Steckernetzteil-KSQ Typ ELP10X1PS von EagleRise. Im Gegesatz zu den meisten anderen KSQs darf diese sekundär geschaltet werden, weshalb ich auch bei dieser Leuchte einen Schnurzwischenschalter verwenden konnte.


    Der Sockel der Leuchte besteht aus 2 miteinander verklebten MDF-Platten mit einer Stärke von 19 mm und einer Kantenlänge von 15 cm. Die Verbindung zwischen Sockel und Leuchtenkopf wird durch ein Flachprofil aus eloxiertem Aluminium mit den Maßen 80 cm x 20 mm x 5 mm, bei dem ein Ende mit einer Länge von 15 cm auf einen Winkel von 100° abgebogen wurde.


    Sockel und Flachprofil sind mit schwarzem Graniteffektlack lackiert.


    Auf das aufgeklebte und fertig verdrahtete COB-Modul habe ich einen "Ledil Reflektor 22.6mm für Citizen CL230 Wide, 61°" geklebt, als Blendschutz dient ein Rohrsegment mit einer Höhe von 2 cm, einem Außendurchmesser von 5 cm und einer Wandstärke von 5 mm.


    Die Leitungsführung zwischen Sockel und Leuchtenkopf erfolgt über selbstklebendes Kupferband, das nach dem Lackieren nicht mehr zu sehen ist.
    Der fertig montierte Leuchtenkopf (noch ohne Reflektor) sieht dann so aus:


    Am unteren Ende des Flachprofils habe ich das an die Kupferstreifen gelötete Kabel mit UHU Plus schnellfest vergossen und dadurch sicher fixiert:

    In obigem Foto ist das Kabel bereits mit Malerkrepp abgeklebt, da der Bereich ja noch nachlackiert werden muss.


    Der Kühlkörper erreicht im Dauerbetrieb eine Temperatur von 45°C, die Leistungsaufnahme beträgt 12 W bei einem Lichtstrom von etwa 1200 Lumen. Im Zentrum des Lichtkegels habe ich eine Beleuchtungsstärke von 2800 lux gemessen, 40 cm vom Zentrum entfernt sind es noch 1000 lux.


    3. Deckenfluter:

    Der Leuchtenkopf besteht aus einem Kühlkörper SK584 25 SA, einem COB-Modul vom Typ NSCWJ216A und einem Rohrsegment als Blendschutz wie bei der Tischleuchte.


    Der Sockel besteht aus 3 miteinander verklebten MDF-Platten mit einer Stärke von 19 mm und einer Kantenlänge von 30 cm. Sockel und Leuchtenkopf werden durch ein Alurohr mit 15 mm Durchmesser verbunden. Im Sockel wird mittig ein durchgehendes Loch mit 15 mm Durchmesser gebohrt, in den Kühlkörper entsprechend mittig ein Loch mit einer Tiefe von etwa 15 mm, also nicht durchgehend.


    Am oberen Ende des Rohrs wird seitlich etwa 2 cm vom Rohrende entfernt ein 5mm-Loch gebohrt. Durch dieses Loch wird das Kabel innerhalb des Rohrs zur Unterseite des Sockels geführt. In die Unterseite des Sockels habe ich eine Nut gefräst, in die das Kabel eingeklebt wird und zu einer Seite des Sockels geführt wird.


    Als KSQ dient eine LPC-35-700. Diese habe ich einfach auf eine Seite des Sockels geschraubt und dort verkabelt. Die Netzzuleitung habe ich mit 2 Kabelschellen fixiert. Anschließend habe ich ein Stück passend zugeschnittenes Alu-Lochblech U-förmig gebogen, über die Seite mit der KSQ geschoben und an Ober- und Unterseite des Sockels verschraubt. Sockel und Lochblech sind mit schwarzem Graniteffektlack lackiert.


    Die Leistungsaufnahme der Leuchte beträgt 28,5 W bei einem Lichtstrom von ca. 3200 Lumen, die Systemeffizienz beträgt damit 112 lm/W.


    In das Rohrsegment am Leuchtenkopf passt ein Endlightenstab mit 4 cm Durchmesser. Auch hier bietet sich wieder ein versandkostenfreies Muster von Evonik mit einer Länge von 10 cm an. Vor der Verwendung müssen die Schnittkanten des Stabs natürlich poliert werden.


    Durch den Endlightenstab wird ein Teil des Lichts seitlich abgestrahlt. Im Betrieb sieht dies richtig edel aus:



    Wie man an diesen Beispielen sieht, reduziert sich der Arbeitsaufwand bei der Konstruktion selbstgebauter Leuchten durch den Einsatz der COB-Module erheblich. Die Farbwiedergabe der Module ist hervorragend bei gleichzeitig relativ hoher Effizienz.

  • Das finde ich mal ein gelungenes Projekt. :thumbsup: Preislich sind die Nichia COB-Module auch sehr interessant.
    Die Umsetzung ist sehr gut gelungen und mit einfachen Materialien umgesetzt.


    Dank der Anleitung sollten beim Löten der Module auch keine Probleme mehr auftauchen.


    Ich hatte auch schon ähnliches vor, ich wollte ein Endlightenstab im Backofen erhitzen und zu einem "Knäuel" verdrehen
    und beide Seiten mit einer HP LED bestücken. Da machen die Nichia COB-Module natürlich mehr Sinn, zum einen die
    größere Helligkeit und die größere Licht abstrahlende Fläche.


    Hast Du den Graniteffektlack noch mit einer Klarlackschicht überzogen?


    Ich hätte nicht gedacht, dass der Kühlkörper für diese Leistung ausreichend dimensioniert ist, aber 45°C liegen ja im optimalen
    Bereich.


    Für mich sind da auf jeden Fall einige Anregungen dabei. :thumbup:

  • Danke für die Blumen. ;)


    Bezüglich der Kühlkörper kannst Du Dich auf meine Angaben verlassen, das sind echte Messwerte (Infrarotthermometer +/- 0,5°C).


    Zitat

    Hast Du den Graniteffektlack noch mit einer Klarlackschicht überzogen?


    Teils, teils. Der Lack ist nach 48 Stunden Aushärtezeit bombenfest. Die Oberfläche entspricht dann aber wirklich einem Granitstein und ist etwas rauh. Bei der Beistellleuchte hab ich es dabei belassen. Dabei (wie bei allen anderen Projekten auch) kam es mir auf eine eine möglichst minimalistische Umsetzung an. Hauptkosten sind hier COB, Kühlkörper und KSQ (was ja auch schon mehr als genug ist).


    Bei anderen Projekten hab ich den Sockel noch mit Diamant-Effekt-Spray bzw. Metallic-Lack überzogen. Beides ist ein Klarlack mit integrierten Metall-Partikeln, die das Licht entsprechend reflektieren. Neben dem optischen Effekt bewirkt der anteilige Klarlack eine Glättung der Oberfläche. Wichtig ist bei der Verarbeitung nur die Aushärtezeit von ca. 48 Stunden je Schicht; da muss man einfach etwas Geduld aufbringen.


    Es müssen übrigens nicht unbedingt Nichia-Module sein. Die gleichen Überlegungen gelten auch für Bridgelux und Edilines III und IV.

  • Du meinst sicher diese Elemente:



    Ich hatte sie mir mal probehalber bestellt, werde sie aber wohl niemals anwenden. Einfach zu klobig, speziell was die Verbindung (Klemmanschluss) betrifft. Ich werde wohl eher bei der Montage per ArcticSilver und Lötverbindung bleiben. Das ist einfach professioneller.


    Das ist aber sicherlich auch eher Geschmackssache.

  • @ Cossart


    Das ist jetzt wirklich Geschmackssache.


    Eine Klemmbefestigung, die erheblich größer als das COB-Modul ist, soll schöner und einfacher sein?


    Na ja, eben Geschmackssache....


    Mein Ding ist das nicht.


    No Offence meant!
    Löterei geht auch ohne Gefummel, Wärmeleitkleber auch. ;)


    Übung macht den Meister.

  • Servus…


    Oh, ich kann löten, lieber Tex. Für meine Diplomarbeit habe ich einen Mikrowellenverstärker mit SMD-Bauteilen handgelötet. Das Ding ist heute, nach 22 Jahren, immer noch im Einsatz.


    Und eben deshalb finde ich den Halter bedeutend praktischer. Kein Löten, kein Fummeln und bei Bedarf kriegt man die LED auch zerstörungsfrei wieder runter.

  • Hallo, Cossart!


    Da hast Du meinen letzten Post falsch verstanden. Ich wollte damit in keinster Weise ausdrücken, dass Du nicht löten kannst. Wie käme ich auch dazu, sowas zu behaupten?
    Sollte das wirklich so rübergekommen sein: Sorry!! So war´s wirklich nicht gemeint.


    Wie schon gesagt, die Verwendung von Haltern ist eben Geschmackssache. Ich persönlich halte Sie für überflüssig. Selbst wenn so eine Leuchte 10 Stunden am Tag an ist, ist eine Lebensdauer von mindestens 13 Jahren zu erwarten.


    Sollte tatsächlich mal ein Modul defekt sein, lässt sich auch ein geklebtes Modul leicht wieder entfernen. Dazu reicht ein Skalpell und ein kleiner Hammer: Schneide des Skalpells an einer Kante ansetzten und einen leichten Schlag mit dem Hammer auf die Klinge. Zumindest auf eloxierten Oberflächen funktioniert das sehr gut, da haftet Arctic Silver nämlich gar nicht so gut, wie oft behauptet wird. Mit COB-Modulen hab ich das noch nicht ausprobiert, bei Leistungs-LEDs und Star-Platinen hatte ich da aber noch nie Probleme. Das hab ich schon das Eine oder Andere mal gemacht, um die Kühlkörper zu retten und veraltete LEDs zu entsorgen.


    Gruß
    Tex