Acrich LEDs

Bei der Multi-Junction-Technologie sitzen mehrere Emitterzellen in Reihe auf einem Chip, statt eine einzige große Sperrschicht zu betreiben. Die Durchlassspannung addiert sich damit über die Zellen, während der Strom für dieselbe Leistung entsprechend kleiner ausfällt. Die Datenblätter zeigen das unmittelbar:

• MJT3030: 21,5 bis 24,5 V bei 40 mA (SAW9C72A) oder 45 bis 50 V bei 20 mA (SAW8CF2A)
• MJT5630 (SAW8KG0B): typisch 22 V bei 20 mA
• MJT5630D (SAW8Q24D): Spannungsbins von 5,4 bis 6,0 V bei 32 mA

Der kleine Strom ist der eigentliche Hebel: Er senkt die ohmschen Verluste in Leiterbahnen und Treiber, erlaubt schmalere Leiterzüge und lässt schon eine überschaubare Zahl von Bauteilen in Reihe die gleichgerichtete Netzspannung erreichen. Weil die Reihenschaltung schon auf dem Chip entsteht, entfallen zugleich viele Bonddraht- und Lötverbindungen.

Der Unterschied liegt in der Stromversorgung, nicht in der Lichterzeugung. Eine Standard-LED mit rund 3 V braucht ein Schaltnetzteil, das die Netzspannung auf eine kleine Gleichspannung herunterregelt; Acrich LEDs arbeiten im AC-Direktbetrieb an der gleichgerichteten Netzspannung, geregelt von einem schaltenden Treiber, der als „Driver on Board“ mit auf der Platine sitzt. Für das Leuchtendesign bedeutet das:

• weniger externe Bauteile und kein separates Treibergehäuse
• flachere, leichtere Aufbauten, bei denen Lichtfläche und Elektronik dieselbe Platine nutzen
• dafür ein Lichtstrom, der den Netzhalbwellen folgt und ohne Gegenmaßnahmen mit doppelter Netzfrequenz schwankt
• Dimmen über Phasenan- und -abschnitt (LE/TE) oder 0–10 V, soweit der eingesetzte Treiber es unterstützt
• Leistungsfaktor und Oberwellen (THD) entstehen auf der eigenen Platine; Seoul nennt für Acrich-Systemlösungen rund 0,97 und unter 15 %
• eine Baugruppe, die auf Netzpotenzial liegt

Die Kategorie umfasst drei MJT-Serien, die sich vor allem in Bauform, Spannungsklasse und Wärmewiderstand unterscheiden:

• MJT3030 — SMD 3030, 3,0 × 3,0 × 0,65 mm, in zwei Spannungsklassen: 21,5 bis 24,5 V bei 40 mA mit Rth(J–S) 9 K/W und CRI ab 90 (SAW9C72A) sowie 45 bis 50 V bei 20 mA mit Rth(J–S) 10 K/W und CRI ab 80 (SAW8CF2A); beide 120° Abstrahlwinkel
• MJT5630 — SMD 5630, 5,6 × 3,0 × 0,75 mm; typisch 22 V bei 20 mA, Rth(J–S) 27 K/W, 115°, CRI 80 bis 90
• MJT5630D — SMD 5630, 5,6 × 3,0 × 0,65 mm; Spannungsbins 5,4 bis 6,0 V bei 32 mA, Rth(J–S) 7 K/W, 120°, Strom bis 100 mA

Die Auswahl beginnt bei der Spannungsklasse, denn sie bestimmt, wie viele Bauteile eine Kette bis zum Scheitelwert der Halbwelle benötigt. Danach entscheidet das thermische Budget: Zwischen 7 und 27 K/W liegt fast Faktor vier, was bei gleicher Verlustleistung unmittelbar auf die Sperrschichttemperatur durchschlägt. Farbort, CRI und Abstrahlwinkel grenzen die Auswahl zuletzt ein.

Maßgeblich ist nicht die Effektivspannung von 230 V, sondern der Scheitelwert der gleichgerichteten Halbwelle von rund 325 V. Eine Kette aus Bauteilen mit je 22 V erreicht diesen Scheitelwert nach etwa 14 LEDs, mit den 45- bis 50-V-Typen des MJT3030 nach rund sieben. Eine feste Kette dieser Länge würde allerdings nur im obersten Teil der Halbwelle leuchten, weil die Momentanspannung von null bis zum Scheitel läuft. Genau deshalb arbeiten Acrich-Treiber segmentiert: Sie schalten Teilketten mit steigender Spannung zu und wieder ab und halten den Strom dazwischen konstant. Die tatsächliche Zahl der LEDs je Segment und je Modul ist damit eine Frage der Treibertopologie und keine feste Eigenschaft des Bauteils.

Eine Baugruppe, die direkt an der gleichgerichteten Netzspannung arbeitet, führt Netzpotenzial und ist damit kein SELV-Kreis mehr — das prägt Layout und Prüfung stärker als die LED selbst. Zu berücksichtigen sind:

• Luft- und Kriechstrecken nach EN/IEC 60664-1 und den Leuchtennormen der Reihe EN/IEC 60598, abhängig von Überspannungskategorie und Verschmutzungsgrad
• die Isolation gegen den Kühlkörper bei Metallkern-Leiterplatten, einschließlich Prüfspannung
• Berührschutz im eingebauten Zustand wie im Servicefall
• Schutz vor Sperrspannung: Die Treiberschaltung darf an der LED nur Durchlassspannung zulassen, sonst droht Migration im Bauteil
• der Verschiebungsfaktor (cos φ1) der fertigen Lichtquelle: Die Ökodesign-Verordnung (EU) 2019/2020 fordert mindestens 0,5 ab 5 W, 0,7 ab 10 W und 0,9 ab 25 W Leistungsaufnahme

Gegen elektrische Überlastung empfehlen die Datenblätter ausdrücklich eine Überspannungsschutz- und Strombegrenzungsmaßnahme in der Schaltung.

Ohne Gegenmaßnahmen folgt der Lichtstrom den Netzhalbwellen und schwankt mit doppelter Netzfrequenz, bei 50 Hz also mit 100 Hz. Wie viel davon am Ende messbar bleibt, entscheidet der Treiber und nicht die LED. Verbindlich ist die Ökodesign-Verordnung (EU) 2019/2020: Für Netzspannungslichtquellen in LED-Technik gelten seit dem 1. September 2021 PstLM ≤ 1,0 für das Flimmern und SVM ≤ 0,4 für den Stroboskopeffekt, jeweils bei Volllast (Anhang II, Tabelle 4). Geprüft wird die fertige Lichtquelle, nicht das einzelne Bauteil. Erreichbar sind diese Werte: Seoul gibt für Acrich-Systemlösungen einen Flicker-Index unter 0,12 an. Wer die Kennzahlen erst am fertigen Muster misst, riskiert eine Leuchte, die photometrisch überzeugt und trotzdem nicht in den Verkehr gebracht werden darf.

Die Auslegung beginnt beim Wärmewiderstand Rth(J–S), der bei diesen Serien zwischen 7 und 27 K/W liegt und im Datenblatt von der Sperrschicht bis zur Lötstelle angegeben ist — alles darunter, also Leiterplatte, Wärmeleitmaterial und Kühlkörper, kommt aus dem eigenen Aufbau hinzu. Als Grenze gilt eine Sperrschichttemperatur von 125 °C; der zulässige Umgebungsbereich endet je nach Serie bei 85 bis 100 °C. Der Betriebsstrom wird über die Deratingkurve festgelegt: Beim MJT5630D sind 100 mA bis rund 65 °C Umgebungstemperatur zulässig, darüber muss der Strom zurückgenommen werden. Maßgeblich ist dabei nicht die Umgebungs-, sondern die am angegebenen Messpunkt gemessene Gehäusetemperatur.

Am stärksten sind Acrich LEDs dort, wo Bauraum und Stückkosten zählen und die Leuchte ohnehin fest am Netz hängt:

• Retrofit-Lampen und kompakte Deckenleuchten mit wenig Platz für ein Vorschaltgerät
• flache Panels und Lineartechnik, bei denen Lichtfläche und Treiberelektronik eine Platine teilen
• Beleuchtung in Haushaltsgeräten, Möbeln und Einbausituationen
• dekorative und werbliche Beleuchtung mit langen, gleichmäßigen Leuchtenketten

Nicht die erste Wahl sind sie, wenn das Dimmverhalten über Phasenan-/-abschnitt und 0–10 V hinausgehen soll, wenn die Anlage aus einem Gleichspannungs- oder Batterienetz gespeist wird — dann entfällt der Systemvorteil vollständig — oder wenn in der Umgebung Kameras, rotierende Maschinen oder Bildschirmarbeitsplätze auf einen sehr niedrigen Stroboskopeffekt angewiesen sind. Auch für den Notlichtbetrieb aus einer Gleichspannungsquelle muss der Treiber diesen Fall ausdrücklich abdecken.

Die Bauteile sind feuchtigkeitsempfindlich nach MSL 2a und dürfen nach dem Öffnen der Trockenverpackung rund vier Wochen verarbeitet werden; danach ist ein Trockenschritt von 10 bis 24 Stunden bei 65 °C vorgesehen. Weiter gilt laut Datenblatt:

• Reflow höchstens zweimal, bleifrei mit einer Spitzentemperatur bis 260 °C nach IPC/JEDEC J-STD-020
• die Silikonoberfläche nicht mit Pinzette oder spitzem Werkzeug berühren; die Bestückdüse größer wählen als die Reflektoröffnung
• Reinigung nur mit Isopropanol, kein Ultraschall
• ESD-Schutz einhalten: die Serien sind mit Class 3A nach JESD22-A114-E beziehungsweise 5 kV HBM angegeben
• keine ausgasenden Klebstoffe und Gehäusewerkstoffe verwenden — flüchtige organische Verbindungen können durch das Silikon diffundieren und den Lichtstrom dauerhaft senken