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LED Anschluss für jede Leiterplatte

| Autor / Redakteur: Lukas Muth* / Robert Weber

Bei der Anschlusstechnik elektronischer Baugruppen im LED-Bereich stehen Zuverlässigkeit, Funktion, Baugröße und elektrische Größen im Vordergrund. So sind Elektronik-Designer und -Entwickler auf der Suche nach geeigneten Anschlusslösungen für ihre LED-Leiterplatten.

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Je nach Typ der Leiterplatte eignen sich ganz unterschiedliche Anschlusstechniken, die mitunter auch gemischt werden.
Je nach Typ der Leiterplatte eignen sich ganz unterschiedliche Anschlusstechniken, die mitunter auch gemischt werden.
(Bild: Phoenix Contact)

Die Hersteller industrieller Anschlusstechnik haben es immer häufiger auch mit Kunden aus der LED-Branche zu tun, die für ihre LED-Baugruppen unterschiedliche Leiterplatten verwenden. Die Leiterplatte fungiert dabei als Träger für die elektronischen Bauteile - sie dient der mechanischen Befestigung und der elektrischen Verbindung dieser Bauteile. Die zunehmenden Anfragen der Hersteller von LED-Leuchtmitteln beziehen sich hinsichtlich der Anschlusstechnik auf drei Kategorien von Leiterplatten:

  • Leiterplatten aus Epoxidharz und Glasfasergewebe
  • Metall-oder Metallkern-Leiterplatten - auch IMS (Insulated Metallic Substrate)-Leiterplatten genannt
  • Flexible Leiterplatten

In allen drei Kategorien besitzen die Leiterplatten spezifische Eigenschaften, die bei der Suche nach der geeigneten Anschlusstechnik zu berücksichtigen sind. Für diesen Leiterplatten-Typ hat sich in der Praxis die Bezeichnung FR-4 eingebürgert. Dieser Typ ist seit langem in der Industrie etabliert und wird im LED-Umfeld meist als Träger für Low-Power-LED-Anwendungen oder Baugruppen der LED-Ansteuerung verwendet. Das Basis-Material der FR-4-Leiterplatten wird den Isolierstoffen zugerechnet. Diese Materialien haben einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand - mindestens 1.010 Ohm x cm. Somit sind auch die Lötstifte der bedrahteten Bauelemente nach dem Verlöten auf der Leiterplatte gegeneinander isoliert – sofern diese nicht durch Leiterbahnen verbunden sind. Leiterplatten aus Epoxidharz und Glasfasergewebe bieten den bedrahteten Bauelementen daher eine ideale Plattform. SMD (Surface Mounted Device)-Bauelemente sind ebenfalls auf diesem Leiterplattentyp gut einsetzbar.

Häufig setzen sich elektronische Baugruppen aus SMD-Bauelementen und bedrahteten Bauelementen zusammen. Ein solcher „Mix“ ist durch die isolierenden Eigenschaften des verwendeten Basismaterials auf einfache Weise möglich. Gefertigt werden diese Baugruppen meist in vollautomatischen SMT (Surface Mount Technology)-Verfahren. Ursprünglich wurde dieses Verfahren für reine SMD-Bauteile entwickelt, aber inzwischen können auch bedrahtete Bauelemente in diesem Produktionsschritt verarbeitet werden. Die Integration der bedrahteten Bauelemente erfolgt durch die sogenannte THR (Through Hole-Reflow)-Technologie. Diese Technologie erlaubt die automatisierte Durchsteckmontage - Through Hole - der bedrahteten Komponenten bei der Bestückung und beim anschließenden Löten. Mit diesem Verfahren und mit geeigneten Komponenten lassen sich heute auch Baugruppen aus bedrahteten und SMD-Bauelementen automatisiert und somit wirtschaftlich fertigen. Entwickler, die Baugruppen auf anderen Leiterplattentypen fertigen wollen, müssen allerdings Besonderheiten berücksichtigen.

LED-Baugruppen auf einer Leiterplatte mit Metallkern

Durch den ständigen Vormarsch der Power-LED-Baugruppen hat dieser Typ Leiterplatte an Bedeutung gewonnen. Hier muss der Metallkern der Leiterplatte die entstehende Verlustwärme der LEDs abführen. Es mag im ersten Moment verwunderlich scheinen, dass das Leuchtmittel der Zukunft gekühlt werden muss – dies lässt sich aber leicht erklären. Denn bei der LED handelt es sich ja um einen Strahler, bei dem elektrische Energie durch einen Halbleiter in Licht umgewandelt wird. Bei dieser Umwandlung verhalten sich LEDs wesentlich effizienter als herkömmliche Leuchtmittel. LEDs sind außerdem unempfindlich gegen Erschütterungen, sie erreichen hohe Schaltleistungen, und sie verfügen über eine minimale Baugröße. Allerdings wird ein geringer Teil der zugeführten Energie nicht in Licht, sondern in Wärme umgesetzt. Aufgrund des geringen Bauraums muss gerade bei Hochleistungs- oder sogenannten Power-LEDs die Wärme rasch abgeführt werden – zum Beispiel über Metall- oder Metallkern-Leiterplatten (IMS-Leiterplatten). Bei diesem Typ Leiterplatte dient ein massiver Aluminium- oder Kupferträger als Basismaterial. Auf den Metallkern sind ein Dielektrikum und die Leiterlage aufgebracht. Dabei muss der Entwickler der Baugruppe berücksichtigen, dass keine bedrahteten Bauelemente zum Einsatz kommen. Anders als bei der FR-4-Leiterplatte ist das Basismaterial hier kein Isolator, die Lötstifte von bedrahteten Bauelementen würden über den Metallkern der Leiterplatte elektrisch gebrückt werden. Damit ist der Entwickler auf SMD-Bauelemente angewiesen. Neben den SMD-Lötbeinen für die elektrische Kontaktierung nehmen die seitlichen Lötanker die mechanischen Kräfte auf. Diese Anker sorgen so für eine gute mechanische Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Bauelement.

Auf den rapiden Fortschritt in der LED-Technologie haben sich die meistern Hersteller von Leiterplatten-Anschlusstechnik inzwischen gut eingestellt. So können die Entwickler von LED-Baugruppen mittlerweile aus einer großen Bandbreite von SMD-Anschlussklemmen und -Steckerleisten wählen. Noch vor wenigen Jahren gab es nur eine geringe Auswahl an SMD-Anschlussklemmen mit zuverlässiger Funktion und komfortabler Bedienung. Mit dem dynamischen Fortschritt der LED-Technologie werden auch die flexiblen Leiterplatten – auch Flexleiterplatten genannt – immer populärer. Hierbei handelt es sich um elektronische LED-Baugruppen auf einem flexiblen Basismaterial aus Polyamid oder auch Polyesterfolie. Dieser Typ Leiterplatte wird für die flexiblen LED-Streifen verwendet. Die Streifen werden meist auf Rollen von einer Länge von 5 bis 10 m aufgewickelt und ausgeliefert. Vor dem Einbau schneidet der Anwender die benötigte Länge in zuvor markierten Bereichen ab. Bei den flexiblen und extrem langen Streifen wäre es unwirtschaftlich, an jeder möglichen Trennstelle auch eine Anschlussklemme zu setzen – so wie bei den vorher beschriebenen Baugruppen.

Neben den SMD-Lötbeinen für die elektrische Kontaktierung nehmen die seitlichen Lötanker die mechanischen Kräfte auf.
Neben den SMD-Lötbeinen für die elektrische Kontaktierung nehmen die seitlichen Lötanker die mechanischen Kräfte auf.
(Bild: Phoenix Contact)

Für den elektrischen Anschluss stehen nach dem Abschneiden die Anschlusspads zur Verfügung. Für die Kontaktierung auf diesen Pads verwenden die Anwender dann einen Steckverbinder mit angeschlagenen Leitern, der komfortabel zu bedienen ist. In der Praxis kommt es häufig vor, dass ein LED-System aus mehreren unterschiedlichen Baugruppen besteht. So basiert zum Beispiel eine LED-Steuerung auf einer Leiterplatte aus FR-4, und für die Light-Engine hat der Entwickler eine Metallkern-Leiterplatte vorgesehen. In solchen Fällen kommt es darauf an, dass auch die Baugruppen, die aus unterschiedlichen Leiterplatten bestehen, durch eine übergreifende Anschlusstechnik verbunden werden können. So müssen unterschiedliche Typen von Leiterplatten durch geeignete Anschlusstechnik-Elemente bequem verbunden werden können – zum Beispiel eine THR-Steckerleiste und eine SMD-Buchsenleiste. Somit wird eine hohe Flexibilität für eine Zusammenschaltung von Baugruppen erreicht.

Der Leiterplatten-Typ entscheidet

Bei der Auswahl der geeigneten Anschlusstechnik für LED-Baugruppen reicht es nicht aus, nur die Geometrie und die elektrischen Größen der Steckverbinder zu beachten. Denn eine wesentliche Rolle spielt dabei auch der Leiterplatten-Typ. Außerdem ist darauf zu achten, dass Baugruppen unterschiedlicher Kategorien durch eine übergreifende Anschlusstechnik zusammengeführt werden können. Gerade beim Zusammenschluss unterschiedlicher Baugruppen, wie von Treibern und LED-Modulen, bietet die Anschlusstechnik viele Möglichkeiten für ein gelungenes Design.

* Lukas Muth ist Diplom Ingenieur und arbeitet bei Phoenix Contact im Bereich Device Connectors.

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