Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement
Werbung
Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Dipl.-Ing. André Domhardt Kolloquium über optische und lichttechnische Fragen – Berlin 08. Februar 2010 Lichttechnisches Institut KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu Gliederung Vorstellung KIT und LTI Optikdesign Maßschneidern optischer Systeme Anwendungsbeispiele Maßschneidern Thermomanagement RGB-LED-Modul mit minimaler Einbautiefe Hochleistungs-UV-LED-Modul 2 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Maßschneidern optischer Systeme Dipl.-Ing. André Domhardt Dipl.-Phys. Simon Wendel [email protected] [email protected] Lichttechnisches Institut KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu André Domhardt, Simon Wendel Optische Simulationen und Design Simulation des optischen Systems CAD-Modell Totalreflektionsoptik 4 Gerenderte Totalreflektionsoptik Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Gliederung Optikdesign Maßschneidern optischer Systeme Anwendungsbeispiele Maßschneidern Totalreflektionsoptiken Lichtleitstäbe LED-Scheinwerfer, Linienlicht, Warnleuchte, Blinker 5 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Einführung Optikdesign Beleuchtungsdesignanforderungen effiziente Erzeugung der gewünschten Lichtverteilung auf einer Oberfläche (z.B. homogen oder auch winkelabhängig) I (y) Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte, Lichtstärke Farbwiedergabeindex, Blendung, ….. 6 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Maßschneidern optischer Oberflächen analytischer Algorithmus zur automatisierten Berechnung optischer Komponenten unter Vorgabe der gewünschten Lichtverteilung optische Systemeigenschaften in partielle Differentialgleichungen übersetzen in 3D anspruchsvolles numerisches Problem 7 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 8 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 9 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Maßschneidern optischer Oberflächen Simultanes Maßschneidern von zwei Freiformflächen zusätzlicher Freiheitsgrad Reduktion der Anzahl optischer Komponenten z.B. gewünschte Leuchtdichteverteilung auf der Lichtaustrittsfläche und gleichzeitig gewünschte Intensitätsverteilung im Fernfeld Fertigungsbedingte Erfordernisse in den Designprozess einbeziehbar Entformungsschrägen fertigungsbedingte Radien Æ (Form-)Toleranzbetrachtungen 10 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Maßschneidern optischer Oberflächen Anwendungsmöglichkeiten Maßschneidern Design von Optiken und optischen Systemen Sowohl für Beleuchtungs- als auch für Sensorsysteme geeignet Rückwärts-Modellierung ausgedehnter Quellen z.B. aus Nahfeldmessungen und/oder Geometrien 11 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Praxisbeispiel – LED-Warnleuchte 12 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Praxisbeispiel – LED-Warnleuchte Geometrischer Wirkungsgrad 78% 13 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Praxisbeispiel – LED-Warnleuchte 14 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Illumination Design with Virtually Reflecting/Refracting Surfaces André Domhardt SPIE Europe Optical Systems Design Illumination Optics Glasgow U.K. September 2, 2008 15 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Motivation Typical illumination design task specifics: • Complex surface shapes (nonsmooth ) • Versatile parameter set www.bmw.de • Design goal defined as a composite of different subjects (merit function) tools for easier handling are requested 16 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Motivation Example: Design of a LED lamp with integrator rod and segmented reflector Input from source 17 Parameters Design goal (merit function) Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Motivation Parameter reduction Segmented reflector 18 replaced by virtually reflecting surface Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 19 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 20 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 21 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 22 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 23 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 24 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 25 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Virtually Reflecting/Refracting Surfaces freie Formgebung der optischen Fläche möglich (z.B. zur Kontrolle der Einbautiefe oder Gewicht) einfache Handhabung der Parameter in der Entwurfs- und Optimierungsphase i.a. keine Ausgestaltung als glatte Fläche Æ Segmentierung (beam forming elements), Æ diffraktive Strukturen 26 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut VRS Example Corresponding segment with geometrical normal vector 3D-view of a VRS with virtual normal vectors 27 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut VRS Replacement Light distribution: VRS Light distribution: Segments Segmented surface 28 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut VRS Replacement VRS Tailoring: Given a VRS design of a surface (e.g., preliminary result), calculate the real surface by iterative adjustment of the surface parameters to the VRS data. 29 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut VRS Replacement VRS Freeform 30 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Virtually Reflecting/Refracting Surfaces (VRS) • are a surface type used within the design process of an optical system, preferably an illumination system, • provide a modified surface handling, • offer new design tools, and • are appropriate for direct solutions as well as for the iterative improvement of a system. 31 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut 32 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Virtually Reflecting/Refracting Surfaces a) VRS-Design 33 b) Vier-Sektoren-Realisierung c) Rückansicht Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut TIR Optics for Non-Rotationally Symmetric Illumination Design André Domhardt et al. SPIE Europe Optical Systems Design Illumination Optics Glasgow, UK 2 September 2008 34 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Motivation • Benefits of TIR optics for LED-based lighting: - usage of complete LED‘s light flux - highly efficient beam shaping (up to 90%) - small system dimensions • new design possibilities Æ proper illumination design techniques 35 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Source – and Output Light Distribution Lambertian radiating point source Desired output light distribution 36 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Elliptical Light Distribution curvature of the tailored front surface 37 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Square Light Distribution curvature of the tailored front surface 38 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Rectangular Light Distribution curvature of the tailored front surface 39 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Conclusion • TIR optics with freeform front surfaces are proper components • applicable to single-chip LEDs • up to 90 % optical efficiency • adjustable to extended light sources • Application areas: - automotive lighting - general lighting - sensor optics 40 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Flache LED-Motorrad-Rückleuchte 41 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Light Source Modulation Using Light Guide Rods André Domhardt, Simon Wendel Optics & Photonics, Optical Engineering & Applications Nonimaging Optics and Efficient Illumination Systems VI San Diego Convention Center 03 August 2009 42 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Lichtleitstäbe Vorteile • Erfassung des gesamten emittierten LED-Lichtstroms • hocheffizient aufgrund verlustfreier Totalreflektion • Transformation der realen Lichtquelle zu einer problemspezifischen Zwischenquelle am Stabausgang • z.B. Verkleinerung des Öffnungswinkels, Erfassung mehrerer LED-Chips, nichtrotationssymetrische Abstrahlcharakteristik 43 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Motivation • Challenges: - state-of-the-art LGR‘s not convinient for arbitrary beam shaping - enhance the system performance and the designer‘s tool box - design approach: application of tailoring routines 44 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Common Light Guide Rods (LGRs) • multiple internal reflections • theoretical lossless light propagation • homogeneous luminance distribution at the output surface (color mixing) • Solid Rods (transparent material) and Tunnel Rods (mirrors) 45 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Straight Mixing Rods • length-diameter ratio ↑, uniformity at the output surface↑ • less sensitiv to input light distribution alterations 46 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Tapered Mixing Rods • adjustable to provide uniformity and angular conversion • input-output-aperture ratio ↑, number of reflections per length ↓ 47 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Mixing Rods with Rippled Surface Structures • surface ripples extruded along the longitudinal rod section • improvement on the source alignment insensitivity [1] 48 Cassarly, Davenport, ”Non-rotationally symmetric mixing rods”, IODC, SPIE Vol. 6342 (2006). Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Tailoring a Collimating Light Guide Rod • non planar input surface • ray separation at the input surface • LGR length adjustable 49 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Tailoring a Collimating Light Guide Rod • sidewall tailoring for angle-to-area conversion • uniformity independent from the length of the rod 50 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Tailoring a Collimating Light Guide Rod • output surface tailoring Æ arbitrary output distribution • sequential operating LGR 51 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Collimating Light Guide Rod with LED • Rotational symmetric tailored LGR for collimated light (perspective view) 52 • maximum diameter: 19 mm • length: 38 mm Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Tapered Mixing Rods 53 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Example Line Light a) 1x2 mm2 54 b) 1x4 mm2 c) 1x6 mm2 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Tailored Light Guide Rod • all sidewalls freeform shapes • LGR works absolutely sequential • specific extrusion of the input sectional curve 55 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Tailored Light Guide Rod • output plane planar • filling sidewalls 56 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Tailored Light Guide Rod • line light distribution aspect ratio 1:7 57 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Tailored Light Guide Rod with Ripples a) planar exit surface 58 b) with sinusodial surface ripples Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut • Extension of common LGRs Æ operate sequentially Æ arbitrary luminous distributions • Additional degrees of freedom Æ significantly enhancement • Adjustability of the LGR length • Adaptability to different source types • Powerful and highly efficient illumination components 59 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut LED-Abblendscheinwerferoptik 60 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Motivation LED-Schweinwerfer • LED-Einsatz in konventionellen Projektionssystemen • HDG-Erzeugung durch Blende -> reduzierte optische Effizienz Audi R8 LED headlamp (www.audi.de) • Design-Fragen: - HDG ohne Blende? - eine mechanische Komponente? 61 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Motivation LED-Schweinwerfer Antwort auf die Fragen • der erreichbaren optischen Effizienzen? • Einbautiefe und Bauraum? Annahme • Einzel-Chip-LED, Chipabmessungen 1x1 mm² 62 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Erzeugung einer Abblendlichtverteilung Testpunkte nach ECE-R 98 63 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Erzeugung einer Abblendlichtverteilung • Einzel-Chip-LED • optische Komponente erzeugt komplette Abblendlichtfunktion 64 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Erzeugung einer Abblendlichtverteilung • untere Chip-Kante erzeugt HDG • obere Chip-Kante wird unterhalb der HDG abgebildet • Chip-Abbild wird in horizontaler Richtung verzerrt 65 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Erzeugung einer Abblendlichtverteilung • Verwendung zur Erzeugung der Grundausleuchtung • 70 % optische Effizienz Vertikaler Schnitt 66 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Strahlformung mittels Kissenoptiken 67 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Erzeugung einer Abblendlichtverteilung • 3D-maßgeschneiderte Kissenoptiken für Spot mit hoher Beleuchtungsstärke • scharfe HDG • 82 % optische Effizienz Vertikaler Schnitt 68 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Erzeugung einer Abblendlichtverteilung 15°-Anstieg mit hoher Beleuchtungsstärke 69 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Ergebnisse: Einzel-Chip-Entwurf • 35 mm tief, 70 mm Durchmesser • Mindestlichtstrom 625 lm Æ Multi-Chip-LEDs Frontansicht 70 Rückansicht Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Ergebnisse: Einzel-Chip-Entwurf Vertikaler Schnitt 71 Horizontaler Schnitt Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Ergebnisse: Einzel-Chip-Entwurf • 70 % optische Gesamteffizienz (Fresnelverluste inklusive) • Verluste: - 10% des LED-Lichts nicht erfasst - 9% in der Innenlinse - 11% durch die Kissenoptiken • skalierbar (sechs bis acht Module) 72 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Lichtleitstäbe • Transformation der realen Lichtquelle zu einer problemspezifischen Zwischenquelle am Stabausgang • Verkleinerung des Öffnungswinkels, Erfassung mehrerer LED-Chips, nichtrotationssymetrische Abstrahlcharakteristik (www.osram-os.de) 73 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Multi-Chip-LED-Scheinwerfer Multi-Chip-Entwurf mit Lichtleitstäben • drei Vier-Chip-LEDs • gesamter LED-Lichtstrom erfasst • „neue, besser passende“ Lichtquelle erzeugt 74 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Ergebnisse: Multi-Chip-Entwurf Multi-Chip-Entwurf: - keine modulare Bauweise notwendig Rückansicht 75 Frontansicht Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Multi-Chip-LED-Scheinwerfer Multi-Chip-Entwurf: - Linsenelement plus segmentiertes Spiegelelement - BxHxT in mm: 100x30x35 76 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Zusammenfassung • hocheffiziente Abblendlicht-Erzeugung ohne Blende ist mit Einzel-Chip- und Multi-Chip-LEDs möglich • Vollständige Abblendlichtverteilung aus einer optischen Komponente Æ skalierbare modulare Konfiguration • Xenon-Performance in erreichbarer Nähe 77 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Vollfarbsteuerbares High-Power-LED-Modul zum Einsatz in Hochtemperaturumgebungen Dipl.-Phys. Manfred Scholdt Dipl.-Ing. André Domhardt [email protected] [email protected] Lichttechnisches Institut KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu Manfred Scholdt, Christian Herbold Thermomanagement und LED Systemtechnologie Temperatur – LED auf Kühlkörper Temperatur – Leiterplatte mit Wasserkühlung Simulation von: Temperaturverteilungen in 3D Strömungsgeschwindigkeiten Thermischen Widerständen 79 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Motivation High-Power-RGB-LED-Modul Vollfarbsteuerung, Dimmen, Pulsbetrieb, Regelung Minimale Einbautiefe (30 mm angestrebt, inkl. Kühlsystem) Kaskadierbarkeit der Module Einsatz in Hochtemperaturumgebung TAmbient ≤ 125°C 80 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Alder newLED: AS-9090C3A2-C6-H3 3W RGB-LED 30 lm rot 50 lm grün 10 lm blau @ 350 mA 81 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut “Waterboard”- Schweizer Electronic AG Integrierte Flüssigkeitskühlung Kühlkanal in Leiterplatte “eingebaut” Während der Leiterplattenherstellung, vor der Bestückung Mittels Standardfertigungsprozess (Fräsen) Aktive, geräuschlose Kühlung möglich 82 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Grundprinzip integrierte Flüssigkeitskühlung Kanal durch Kupferschicht hermetisch gekapselt, keine Feuchtediffusion ins FR4-Material 83 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Grundprinzip integrierte Flüssigkeitskühlung Thermische Durchkontaktierungen können Wärmeeintrag in das Fluid erhöhen 84 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Grundprinzip integrierte Flüssigkeitskühlung System offen 85 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Grundprinzip integrierte Flüssigkeitskühlung System geschlossen 86 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Beispiele möglicher Kühlkanalführungen Beliebige Kanalführungen möglich 87 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Kenndaten Waterboard - SEAG Kanalquerschnitt 2x2 mm2 Leiterplatte max. 3 mm stark Fluid: destilliertes Wasser Wärmeabfuhr: bis 115 W auf 50x50 mm bei 250 ml/min druckfest bis 10 bar 88 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Serielle und parallele Kühlkanalführungen Aussagen zu absoluten LED-Chip-Temperaturen Reihen-/Meanderanordnung: Auswirkungen auf nachfolgende LEDs Variation der Durchflussmenge 89 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Kaskadierungsmöglichkeiten maximale Modulanzahl bei Variation Durchflussmenge/Pumpendruck Einfluss auf Chip-Temperaturen entlang des Kühlkanals Geringere Temperaturdifferenzen bei paralleler Kanalführung 90 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Hydraulischer Widerstand (0,1 bar Wasserdruck) Fließgeschwindigkeit: vges= 1 [m/s] Fließgeschwindigkeit: Fließgeschwindigkeit: vges = 1,14 [m/s] vges = 1,30 [m/s] vl,r = 0,57 [m/s] vl,r = 0,39 [m/s] Vmitte = 0,56 [m/s] 91 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Kühlkanalgeometrie 1. Entwurf 92 Überarbeiteter Entwurf Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut LED-Modul 93 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut LED-Modul in Betrieb 94 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Betrieb mit aktivierter Kühlung 95 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Betrieb mit desaktivierter Kühlung Wasserkühlung an! 96 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Messungen in Hochtemperaturkammer 97 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Messung mit Temperatursteigerung 98 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Aufheizen Messung 100 °C TChip ≈ 43 °C 99 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Aufheizen Messung 125 °C TChip ≈ 45 °C 100 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Zusammenfassung 12x3 W RGB-LEDs Wasserkühlung integriert Vollfarbsteuerung im RGB-Gamut 101 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Zusammenfassung Gesamteinbautiefe: PCB: ED: Elektronik auf der Rückseite: 102 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module 11,5 mm 3 mm 1,5 mm 7 mm Lichttechnisches Institut Zusammenfassung 103 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Zusammenfassung Einsatz bei sehr hohen Umgebungstemperaturen und nur minimalem Lichtstromrückgang möglich sehr geringe Einbautiefe inklusive Kühlsystem realisiert Steckbare Multifunktionskupplung Æ einfachste Montage (elektr. Versorgung + elektr. Ansteuerung + Kühlsystem) Kaskadierbarkeit: bis zu 20 Module in einem Kühlsystem (4 parallele Stränge mit je 5 seriell verbundenen Modulen) 104 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Förderung und Kooperationspartner Dipl.-Ing. (FH) Andreas Kuchelmeister, Wolfgang Herrmann Susanne Seidel, Dipl.-Ing. (FH) Thomas Gottwald 105 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Entwurf und Aufbau eines Hochleistungs-UV-LED-Moduls Dipl.-Ing. Christian Herbold Dipl.-Phys. Manfred Scholdt [email protected] [email protected] Lichttechnisches Institut KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu Gliederung - Hochleistungs-UV-LED-Modul Motivation Auswahl der LEDs Thermisches Management Aufbau Prototyp Messergebnisse Ausblick 107 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Motivation - Hochleistungs-UV-LED-Modul LED-Technologie im UV-Bereich Grenzen des technologisch Machbaren ausreizen thermisches Management sehr hoher Leistungsdichten Umsetzung AVT: Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE) elektrische Versorgung: Studienarbeit: „Entwurf und Aufbau eines elektronischen Betriebsgerätes für Hochleistungs-LED-Strahler“ 108 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Auswahl der LEDs Wellenlänge Strahlungsleistung mögliche Packungsdichte Î optische Flächenleistungsdichte 109 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Auswahl der LEDs Wellenlänge UV-B, UV-C Î 365 - 400 nm 110 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Auswahl der LEDs Strahlungsleistung Nichia NCSU033A Nichia NCSU034A Semileds SL-V-U40AC Semileds SL-V-U40AC Nitride NS365C Î 250 - 300 mW pro LED-Chip 111 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Auswahl der LEDs optische Flächenleistungsdichte Semileds SL-V-U40AC Semileds SL-V-U40AC Nitride NS365C Nichia NCSU034A Nichia NCSU033A Î Prognose: 10 W/cm² 112 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Auswahl der LEDs Semileds SL-V-U40AC Peak-Wellenlänge: 395 nm optische Leistung: > 250 mW pro LED-Chip optische Flächenleistungsdichte: > 10 W/cm² elektrische Leistung: 1,3 W pro LED-Chip 113 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Thermisches Management Herdplatte: 12 W/cm² LED-Modul: 61 W/cm² Î Thermisches Management erforderlich!!! Aufgabe: Chiptemperatur: < 125 °C 114 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Thermisches Management LED-Chips Chipanbindung Schaltungsträger Kühlkörperanbindung Kühlkörper Maximaltemperatur Chip: 125°C Umgebungstemperatur: 25°C Verlustleistung: 61,3 W/cm² Î Anforderung: Rth < 1,63 K/W (bezogen auf 1 cm²) 115 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Thermisches Management Anbindung LED-Chips: LED-Chips Chipanbindung Schaltungsträger Kühlkörperanbindung Kühlkörper Kleben (Rth < 0,1 K/W) Löten (Rth < 0,02 K/W) Keramik-Schaltungsträger: Aluminiumoxid (Rth < 0,42 K/W) Aluminiumnitrid (Rth < 0,09 K/W) Wärmeabfuhr: Luft (Rth > 30 K/W) Flüssigkeit (Rth < 0,5 K/W) Î Anforderung: Rth < 1,63 K/W 116 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Thermisches Management Simulation: Anbindung Kühlkörper Î starke Abhängigkeit der Chiptemperatur von der Kühlkörperanbindung 117 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Thermisches Management Anbindung Kühlkörper Aluminium-Kühlkörper 118 Keramik-Kühlkörper Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Thermisches Management Simulation: Anbindung Kühlkörper AlN-KeramikKühlkörper Î Verringerung der Chiptemperatur durch Einsatz eines Keramik-Kühlkörpers 119 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Thermisches Management Temperaturen im Vergleich 500 LED-Chips, 25°C Umgebungstemperatur, 25°C Wassertemperatur 0,2 mm Klebstoffschicht zur Anbindung des Alu-Kühlkörpers Kühlkörper aus Aluminiumnitrid als Schaltungsträger Î Ergebnis: LED-Chip-Temperaturen von 75°C sind möglich (Rth=0,9 K/W) 120 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Aufbau Prototyp 98 LED-Chips, ca. 1 cm x 2 cm Schaltungsträger: Aluminiumoxid-Platte LED-Chips aufgeklebt CPU-Kühlkörper 121 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Aufbau Prototyp 122 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Messergebnisse Temperaturverlauf Î Chiptemperatur ~ 125°C @ 400 mA 123 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Messergebnisse Temperaturverteilung bei maximaler Leistung (@ 500 mA, 300 V) Wärmebildkamera Simulation Hotspot nach rechts verschoben Temperaturdifferenzen zwischen einzelnen LED-Chips 124 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Messergebnisse Bestrahlungsstärke in 23 mm Abstand Î Maximum beim Betrieb @ 400 mA 125 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Ergebnisse 126 optische Flächenleistungsdichte: 13,15 W/cm² @ 400 mA externe Effizienz (Pout opt. / Pin elektr.): 22 % @ 400 mA Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Ausblick thermisch optimierter zweiter Prototyp Î Steigerung der optischen Flächenleistungsdichte LED-Chips löten statt kleben Kühlkörper aus Aluminiumnitrid anstatt Aluminiumoxid Wasserkühlung anstatt luftgekühltem CPU-Kühler 127 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut Ausblick Skalierbar in Größe und Geometrie der homogen auszuleuchtenden Fläche Æ kundenspezifische Designs C´t (Nr. 16, 2008) Anwendung im Pulsbetrieb: Wunschtraum: effizientere UV-LED-Chips für UV-B und UV-C übertragbar auf beliebige LED-Anwendungen (weiß, farbig, IR) 128 Dipl.-Ing. André Domhardt | Maßgeschneidertes Optikdesign und Thermomanagement für anwendungsspezifische LED-Module Lichttechnisches Institut
