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[LED-Test / Review] Lumileds Luxeon Z ES (5000 K, 70 CRI)

Dieses Thema im Forum "Köf3's LED-Tests" wurde erstellt von Köf3, 2. September 2017.

  1. LED-Test

    Lumileds Luxeon Z ES

    5000 K 70 CRI – LXZ25070



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    Technische Daten des getesteten Emitters


    Binning: Tj 85 °C / 700 mA

    Order code: LXZ25070

    Typ: single die (monolithic)
    Binning: N (typ. 245 lm, min. 220 lm)
    Nennspannung: typ. 2,8 V (min. 2,5, max. 3,25 V)
    max. Strom: 1200 mA
    Farbtemperatur: typ. 5000 K
    Abstrahlwinkel: typ. 116°, total 140°
    Wärmewiderstand: typ. 3,0 °C/W
    Max. Temperatur Tj: 150 °C


    Äußerliches Erscheinungsbild


    Die Luxeon Z ES ist ein sehr kleiner Emitter mit einer Grundfläche von 1,64 x 2,05 mm, wovon der Die den absoluten Großteil der Grundfläche einnimmt. Zusammen mit dem Dome less-Design ist die Besonderheit dieser LED.


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    Durch das extrem kleine Design besitzt die LED ein spezielles Footprint, aber mit dediziertem Thermal Pad. Es gibt allerdings spezielle Aluminium-Sinkpads, welche auch dadurch eine sehr gute Wärmeableitung durch DTP ermöglichen.


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    Das sehr kleine Design der LED ist nicht unbedingt ein Vorteil. Es sind ruhige Hände, und ein hoher Grad an Detailgenauigkeit gefragt, diese LED zu händeln und auf ein Board zu reflowen, zumal sich dieser Emitter nicht wie bei anderen /größen) LEDs von allein auf das Footprint „saugt“, sondern noch vorsichtig ausgerichtet werden muss. Bei den kleinen Maßen eine echte Herausforderung.

    Zudem ist das Phosphor wie bei vielen domeless-LEDs sehr empfindlich. Bereits kleinere Berührungen reichen, um das Silikon über der Leuchtfläche abzubrechen. Das ist mir nach diesem Test passiert, beim Versuch die Silikonschicht über der Leuchtfläche zu reinigen ist ein Teil der rechten oberen Ecke abgebrochen – mit Phosphor daran, sodass nun ein kleiner Teil der LED tiefblaues Licht ausstrahlt.


    Leuchtfläche


    Vom Grundsatz her entspricht die Leuchtfläche in Größe und Lichtbild der einer dededomten XP-G2.
    Farbabweichung sind nicht erkennbar. Es gibt keine außenliegende Bonddrähte; wie bei der XP-G3/L2 wird die Leuchtfläche daher in voller Größe ausgenutzt, Verluste gibt es daher nicht.


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    Die reine Leuchtfläche ist 1,774 mm² groß. Bondierungen gibt es keine, daher kann die Leuchftfläche vollständig ausgenutzt werden.

    Hinweis: ich messe ausschließlich den Teil der LED, bei welchem mit dem Halbleiter und der darauf aufliegenden Phosphor-Schicht tatsächlich Licht erzeugt wird. Etwaige Koronas oder schimmernde Flächen werden nicht mit einbezogen!



    Leistung

    Ich habe die Luxeon Z ES mit dedomten Cree-Emittern und der Black Flat verglichen, also jenen bekannten LEDs, welche in Punkto Leuchtflächengröße mithalten können.


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    Innerhalb offizieller Parameter:
    • bei 1200 mA (offizieller Maximalstrom bei 3V): 397,5 lm @ 3,02 V
    • Leistung bei offiziellem Maximum: 3,62 W
    • Effizienz bei 1200 mA: 109,7 lm/W
    • bei 700 mA (Binning conditions, 25 °C Tsp): 257,9 lm @ 5,73 V – umgerechnet auf 85 °C nach Lumileds Datenblatt: 243,3 lm
    Die hier getestete LED entspricht bei 700 mA und umgerechnet auf 85 °C Tj/Tsp fast exakt dem angegeben typ. Binning bei 85 °C, nämlich 245 lm. Passt also!

    Überbestromung:
    • Maximum bei 4,6 A, an diesem Punkt 914,0 lm @ 3,55 V
    • Leistung bei Maximum 16,3 W
    • Sweet Spot bei etwa 3,4 A (829 lm @ 3,40 V)
    • Leistung im Sweet Spot 11,56 W
    • Effizienz im Maximum 56,0 lm/W
    • Effizienz im Sweet Spot 71,7 lm/W
    Auf den ersten Blick und nach dem Diagramm zu urteilen könnte man meinen, diese LED könne mit einer XP-G2 nicht mithalten und sei nicht geeignet, eine dedomte XP-G2 abzulösen. Doch ich gebe diesen Emitter noch nicht auf, ehrlich gesagt.

    Die maximale Temperaturdifferenz zwischen Leuchtfläche (Tj) und LED-Gehäuseunterseite (hier Tsp) wird folgendermaßen berechnet: Wärmewiderstand in °C/W bzw. K/W * el. Leistung in Watt.
    Wendet man diese Formel auf die Z ES an, so ergibt sich bei 16,33 W (gemessenes Maximum bei 4,6 A) eine Differenz von ziemlich genau 49,0 °C. Bedeutet: bei 25 °C Umgebungstemperatur und absolut perfekter Wärmeabfuhr vom Thermal Pad zu Board und natürlich Kühlkörper wäre der Die (Tj) etwa 75 °C warm – eine Temperatur, welche sogar noch unter der Binning-Temperatur von 85 °C liegt und absolut unschädlich ist, auch auf langen Betrieb gesehen.

    Die Vf steigt zum Ende des Lichtstrommaximums nicht an, sondern sinkt im längerfristigen Trend sogar. Dies deutet darauf hin, dass die Kontaktierung des Die nicht bei der Z ES limitiert, sondern noch (deutlich) höhere Ströme übertragen kann. Bei der XP-G2 oder XP-L2 steigen die Vf vor dem „durchbrennen“ der Kontakte bzw. Bonddrähte extrem an (auf bis zu 5,5 V!), was auf immer höhere Verluste durch Widerstände hindeutet und die Bonddrähte immer weiter erwärmt, bis sie sich selbst zerstören.


    Also gibt es vier naheliegende Möglichkeiten:
    • deutlich höherer Wärmewiderstand Tj -> Tsp als im Datenblatt angegeben
    • zu kleines Thermal Pad, welches die Wärme nicht an das Board abführen kann
    • zu dünne Zuleitungen oder zu kleine Kontaktierungen an der LED
    • zu hoher Wärmewiderstand des Aluminium-Sinkpads

    Würde ich den ungefähren Wärmewiderstand anhand des in diesem Test angewendeten Setups mit 25 °C Umgebungstemperatur auf die Tj von 150 °C übertragen, käme ich auf etwa 7,6 °C/W (125 °C / 16,33 W = 7,65 °C/W).
    Dies wäre also 4,6 °C/W höher als angegeben.


    Die XP-G2 besitzt ein fast doppelt so großes Thermal Pad wie die Z ES, weist aber einen höheren Wärmewiderstand von 4 °C/W auf als die Z ES. Bei dieser LED auf Cu-DTP-Board wird die nach obiger Formel umgerechnete Differenz Tj -> Tsp und max. 145 – 155 °C Tj ziemlich genau am Lichtstrommaximum erreicht, was bspw. auch für XM-L2

    Es könnte natürlich sein, dass der Die einer LED auch ohne signifikante Lichtstromverluste erheblich heißer werden kann (vielleicht 200, 300 °C?) als die maximal spezifizierte Tj und daher diese Annahmen nichtig sind. Bekannt sind mir LEDs mit diesem Verhalten allerdings nicht.

    Ein Test mit einer Z ES auf einem Kupfer-DTP-Board (XP20 Noctigon) bringt Klarheit – die Leistungseigenschaften haben sich gegenüber der Performance auf Alu-DTP-Board absolut nicht verändert, auch der Verlauf der Vorwärtsspannung blieb gleich.
    Der Lichtstromverlauf entspricht exakt dem der auf der Alu-Platine montierten LED, daher gibt es kein gesondertes Diagramm dieses Tests zu sehen.
    Dies bedeutet dass entweder der Wärmewiderstand höher ist als angegeben oder die Wärmeableitung wegen dem (zu) kleinen Thermal Pad bei höheren Strömen nicht optimal ist.

    Diese LED steht sich damit - wenn letzter Punkt so zutrifft - mit ihrer sehr kompakten Größe selbst im Weg. Eigentlich ein herausragendes Merkmal für ihre Leistungsklasse, welches Lumileds selbst auch aktiv bewirbt, sorgt dieses doch auch dafür, dass der Wärmeübergang von LED zu Board weniger effizient ist als der offiziell angegebene Wärmewiderstand von 3,0 °C/W vermuten lässt.
    Selbst innerhalb der offiziellen Parameter wird die Tj durch das (zu) kleine Thermal Pad wärmer als es bei einer gleich starken LED in größerem Package der Fall ist. Dadurch sinkt natürlich auch die Gesamtlebensdauer, doch wird dies bei offizieller Maximalbstromung kaum bis gar keine Rolle in den meisten Applikationen spielen.


    Nun - nach dem langen Einwurf das obligatorische Vergleichsdiagramm!


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    Ich habe die Z ES mit folgenden LEDs verglichen:
    • Osram Oslon Black Flat HWQP
    • Cree XP-E2 Torch U5 (dedomt)
    • Cree XP-G2 S4 2B (dedomt; alte Version mit kleiner Leuchtfläche)
    Alles in allem also hauptsächlich LEDs mit hoher Leuchtdichte und kleiner Leuchtfläche, wie die Z ES.


    Ein paar Dinge fallen auf:
    • grundlegend effizienter als Black Flat, fast gleicher Maximallichtstrom bei geringerer Stromaufnahme, allerdings besitzt diese weiterhin die erheblich höhere Leuchtdichte
    • in Punkto Effizienz ist diese LED ein gutes Mittelding zwischen Black Flat und XP-G2 (welche heutzutage so nicht mehr erhältlich ist)
    • Die XP-E2 hat keine Chance. Die Leuchtfläche ist zwar kleiner, aber der Lichtstrom ist es auch. Daher ist auch die Leuchtdichte geringer. Die XP-E2 ist damit nur noch für Thrower im untersten Leistungsbereich (bis 1,5 A / 5W) eine Option
    • die XP-G2 S4 2B zieht bei minimal größerem Die davon. Sie besitzt das größere Package, hat die effizientere Wärmeableitung dank erheblich größerem Thermal pad und kann daher höher bestromt werden, ehe die Tj über 150 °C steigt

    Alles in allem ist die Z ES durchaus ein Ersatz für dedomte XP-G2. Die Leuchtfläche entspricht von der Größe her der einer XP-G2, durch den geringeren Gesamtlichtstrom und die geringere Grundeffizienz ist die Leuchtdichte der XP-G2 (etwas) höher.

    Ein entscheidender Vorteil ist der fehlende Tint-Shift dank werksdedoming und die breite Verfügbarkeit auch im HighCRI Bereich. Es sind auch Luxeon Z ES Sinkpads (mit DTP, aber nur aus Aluminium) verfügbar. Wie der Test gezeigt hat, kein Problem – auch auf Kupfer performt die Z ES nicht besser.


    Leuchtdichten


    Die Messwerte wurden in einer Testanordnung ohne Restlicht von Reflexionen o.ä. erfasst.

    Beide hier gezeigten XP-G2 weisen die alte Leuchtfläche auf. Die XP-G2 R5 steht exemplarisch für alle XP-G2 welche auch heute noch die altbekannte kleinere Leuchtfläche aufweisen und in dedomten Zustand in Throwern genutzt werden!


    LEDStrom If mALeuchtdichte cd/mm2
    XP-G2 R5 (Z5) dedomt 2800 141,5
     5000 (max) 150,4
    Luminus Luxeon Z ES 5000 K 2800 111,5
     4600 (max) 173,3
    Cree XP-G2 S4 2B dedomt 2800 135,5
     6000 (max) 197,3
    Cree XP-G3 S5 E3 dedomt 2800 107,3
     8400 (max) 200,7
    Osram Oslon Black Flat HWQP 2800 196,7
     5400 (max) 266,5
    SYNIOS DMLN31.SG white 950 (max) 297,8



    Die Z ES wird auch in Punkto Leuchtdichte von vielen Emittern überholt. Für maximale Reichweite ist die Black Flat weiterhin das erste Mittel der Wahl, wenn hohe Reichweite bei minimalstem Stromverbrauch vordergründig ist, ist die SYNIOS mit ihrer extrem kleinen Leuchtfläche und gegenwärtig höchster Leuchtdichte überhaupt zu empfehlen.

    Die XP-G3 besitzt eine höhere Leuchtdichte als die XP-G2 S4 2B. Diese erreicht sie nicht durch eine kleinere Leuchtfläche, sondern insbesondere durch den extrem hohen Lichtstrom, der bei 8,4 A Maximalbestromung 1600 lm erreicht. Durch die hohe Leistungsaufnahme und damit einhergehende anspruchsvollere Kühlung ist dies für Thrower auch weiterhin keine wirkliche Option, zumal der Leuchtdichten-Gewinn im Vergleich zur XP-G2 S4 2B wirklich marginal ist.


    Lichtqualität und Verhalten in Optiken


    Hier brauche ich eigentlich nicht viel zu schreiben. Wer das Lichtbild einer dedomten XP-G2 kennt, fein – genau das trifft auch auf die Z ES zu. Durch die fast gleich große Leuchtfläche und das fehlen von Farbabweichungen in Spot/Korona bedingt gibt es zur dedomten XP-G2 keinen Unterschied. Es gibt einen engen Spot und einen recht dunklen Spill, bei geringer Korona – was je nach Reflektor und innerer Texturierung (wenn vorhanden) stark abweichen kann.
    Außer die Lichtfarbe. Diese ist bei meinem Sample sehr schön, ein Neutralweiß mit minimalem Rotstich, wie man es von der Cree MT-G2 kennt. Bei einer dedomten XP-G2 ist diese Lichtfarbe durch Tint-Shift fast unmöglich zu erreichen, was diese LED sehr interessant macht.


    Fazit


    Eine interessante LED, auch wenn sie bei Betrachtung der reinen Leistungsfähigkeit nicht so interessant zu sein scheint. Dedomed ab Werk, sehr hohe Leuchtdichte welche in der Liga der XP-G2 mit der bekannten kleinen Leuchtfläche spielt und vor allem in vielen (schönen!) Lichtfarben verfügbar – inklusive HighCRI.

    Leider ist die Leistungsfähigkeit trotz geringem Wärmewiderstand begrenzt, wohl durch die extrem kompakten Maße und den daraus resultierendem sehr kleinen Thermal Pad.

    Wer nicht die maximale Leistung braucht, aber dennoch einen Thrower mit schöner Lichtfarbe bauen will und an die für diese LED benötigten Sinkpads kommt, der sollte sich diese LED als XP-G2 Ersatz einmal näher anschauen!


    Pro:

    - werksdedomed
    - recht hohe Leuchtdichte
    - recht hoher Lichtstrom bei moderatem Maximalstrom
    - schöne Lichtfarben trotz fehlendem Dome, auch HighCRI verfügbar
    - angenehmes Lichtbild wie von dedomten XP-G2 bekannt

    Neutral:

    - Nutzung von Kupfer-DTP-Boards bringt keinerlei Vorteile
    - sehr klein, was Handling bei Umbauten erheblich erschwert

    Contra:

    - begrenzte/ineffiziente Wärmeabfuhr
    - spezielle LED-Boards erforderlich



    Danke fürs Lesen des (nun noch längeren) Tests! :) :schlafen:

    Lieben Gruß und auch im Sommer weiterhin gut Licht, Dominik



    Hinweise auf Fehler oder Anregungen mir am besten per PN mitteilen!
     
    #1 Köf3, 2. September 2017
    Zuletzt bearbeitet: 2. Oktober 2017
    Jinbodo, oOFOXOo, amaretto und 9 andere Flashys haben sich hierfür bedankt.
  2. zum ThruNite-Shop
    Interessanter Test!
    Ich würde sie für kompakte Linsen Thrower empfehlen, da sie einen schön gleichmäßig leuchtende Die ohne fehlenden Ecken o.Ä. hat.
     
  3. Gut daß Du die tatsächlich leuchtende Fläche nachgemessen hast. Ich messe die normalerweise, weil sie eh selten angegeben wird, hatte mich hier aber fälschlicherweise darauf verlassen, daß die Emittergröße paßt. Die ist aber größer als die leuchtende Fläche.
     
  4. Miboxer.com
    Das Problem hatte ich allerdings auch. Ich hab's bei mir überhaupt erst auf einem Makrophoto entdeckt. Auf Deinem Bild sieht es auch so aus, als ob die LED leicht auf Lötzinn "aufsitzt". Schwer abzuschätzen, wieviel Einfluß das auf Überstromversuche hat. Ich habe den Reflow dann wiederholt.

    Konntest Du Tsp messen oder gehst Du wegen des Ergebnisses davon aus, daß dort 25°C herrschen? Ich ging bisher davon aus, daß die Hersteller so eine Messung nur durch Pulsen erreichen und die Größenordnung von 85°C an der Stelle aufgrund der begrenzten Wärmeleitfähigkeit für uns das Minimum sind.
     
  5. Ich habe tatsächlich auf dem Kühlkörper in unmittelbarer Nähe zur LED einen Temperatursensor (K-Typ) montiert. Die Temperatur des Kühlkörpers wird bei jedem Test mit protokolliert.

    Da bei Noctigon und Sinkpad die Messpunkte für Tsp unmittelbar mit dem Kühlkörper verbunden sind (DTP) und diese erfahrungsgemäß einen sehr geringen Wärmewiderstand besitzen kann man zumindest bei geringeren bis mittleren Strömen so durchaus die "Tsp" messen. Natürlich wird man immer Ungenauigkeiten haben, zumal eine vernünftige Messung von Tsp nicht trivial ist (zwar weiß ich wie das "richtig" geht, aber ich wechsle ja dauernd die Boards auf dem Kühlkörper, da kann ich keinen Temperatursensor auf den Messpunkt kleben), aber 85 °C Tj/Tsp kann ich bis geschätzt 3-4 A mit meinem Setup ganz klar unterbieten.

    Hier spielen auch und vor allem eigentlich banale Kleinigkeiten wie die verwendete Lötpaste und vor allem Wärmeleitpaste sowie die Reflowtechnik und das Verteilen der WLP eine entscheidende Rolle.

    Da nicht einmal das Reflowen auf ein Kupfer-Noctigon Änderungen des Maximalstroms bewirkt, denke ich nicht, dass diese "Abweichungen" die Überbestromungseigenschaften verschlechtern, zumal unsere Ergebnisse ziemlich deckungsgleich sind.

    LG, Dominik
     
    cuxhavener hat sich hierfür bedankt.
  6. Apropos, ich hab mal eine Messung gesehen (bloß wo...), die den Hinweis gab, daß DTP das wichtigere Kriterium ist, weniger ob Cu oder Alu.
     
    #6 sma, 4. September 2017
    Zuletzt bearbeitet: 5. September 2017
  7. Skilhunt Taschenlampen
    Vorrangig ist das Vorhandensein von DTP, ja. Es ist aber so, dass im Grenzbereich (Tj 120 - 150 °C, wo es für Leistungsfreaks langsam interessant wird) die bessere Wärme(ab)leitung von Kupfer zum Tragen kommt. Sprich: je besser die Wärmeableitung, und seien es nur Kleinigkeiten wie Cu statt Al oder bessere Lötpaste o.ä. kann die LED einfach besser überbestromt werden.

    Vorausgesetzt die Kontakierung wie die bekannten Bondierungen limitieren nicht, doch das kann man ja während des Testlaufs bereits erkennen.

    LG, Dominik
     
  8. Sorry, ich hab hier Tsp mit "SPerrschicht" verwechselt, aber es steht ja für "solder point". Um Tsp geht es mir gar nicht, sondern um Tj ("junction", Sperrschicht).

    Mir ist klar, daß Du die Temperatur der Lötstelle auf dem Lötpad messen kannst. Aber im Datenblatt ist doch nie von Tsp die Rede, sondern von Tj.

    Ich ging bisher davon aus, daß Tj eher ~ 85°C ist, wenn Tsp ~25°C ist. Und daß man es im Zweifelsfall, wenn vorhanden, mit dem angebeben Wärmewiderstand zurückrechnen kann. Aber überprüfen kann man es dann eben nicht mehr. Verstehe ich es richtig, daß Du die beiden Temperaturen in etwa gleich setzt?

    EDIT: ich hab mir noch nie nähere Gedanken über den gesamten Wärmewiderstand gemacht, weil man noch die Abmessungen, v.a. Schichtdicken, einfließen lassen muß, wenn es um den Übergang beim Lötzinn und der Wärmeleitpaste geht (die man nicht so einfach bestimmen, aber vielleicht nach oben abschätzen kann). Beim Wärmewiderstand j->sp (3 K/W) ist es allerdings einfacher:
    - bei 700mA: 3K/W * 0.7 A * 2.8V = 6 K, also rel. klein
    - bei 4.5 A: 3K/W * 4.5 A * 3.6 V = 48.6 K
     
    #8 sma, 5. September 2017
    Zuletzt bearbeitet: 5. September 2017
  9. Diese Rechnung habe ich bereits in meinem Test angewendet, denn 4,5 A* 3,6 V ergeben 16,2 W, nah zu meinen 16,33 W bei 4,6 A. Also 3 K/W * 16,2 W = 48,6 K
    - und 49 °C bzw. K Diff. Tj -> Tsp habe ich schon hier berechnet:

    ;)

    Das Problem dabei alle Wärmeübergänge in den Rechnungen zu berücksichtigen liegt auch darin, dass gerade bei Wärmeleitpasten und die Werkstoffe für Kühlkörper häufig die Wärmeleitfähigkeit statt der Wärmewiderstand angegeben wird und man daher dies erst umrechnen muss. Wie das geht, darin bin ich noch nicht wirklich firm.

    LG, Dominik
     
  10. Outdoor Forum
    Der Wärmewiderstand ist der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit.
    Siehe hier.

    Cree bietet ein schönes Dokument an, welches erklärt, wie man vieles ausrechnen kann: Thermal Management of XLamp LEDs.
     
    #10 The_Driver, 5. September 2017
    Zuletzt bearbeitet: 5. September 2017
  11. Wie immer klasse und imho professionell betrachtet :thumbup:
     
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