Zentrales Thema ist bei allen LED-Anwendungen die Wärmeentwicklung der auf einem Wafer aus Metall oder Keramik gefertigten LED. Betriebstemperatur und Wirkungsgrad der LEDs und die applikationsabhängige Umgebungstemperatur liefern die Grundlage zur Berechnung der Wärmedifferenz, die über den Kühlkörper abzuführen ist. Noch vor wenigen Jahren war es undenkbar, eine LED mit einer Lichtleistung von über 3000 Lumen ohne aktive Kühlung zu betreiben.

Heute bringt ein Wechsel auf passive Kühlung nicht nur eine Kostenreduzierung beim Kühlelement selbst, sondern ersetzt komplexe und teure LED-Treiber. Dazu funktioniert diese geräuschlos ohne Risiko für mechanische Defekte beispielsweise bei Lüftern in der aktiven Kühlung. Einer der Hersteller von Konvektionskühlung für COB-LEDs, Power-LEDs und LED-Engines ist Mechatronix. Der taiwanesische Hersteller liefert kleine und mittelgroße Serien an Standard-Kühlkörpern zu wettbewerbsfähigen Preisen. Auch kundenspezifische Anpassungen sind möglich.

Eckdaten

Mechatronix stellt seine Dimensionierungssoftware vor. Auf physikalischen Grundlagen und Berechnungen basierend unterstützt sie bei der Auswahl des passenden Kühlkörpers für LEDs. Damit alles zusammenpasst, erweitert Schukat sein Portfolio, um die komplette Lightingpalette abzudecken. Zu den Komponenten zählen COB-LEDs, Kühlkörper und Netzteile.

Bei einer so großen Auswahl an Kühlkörpern fällt den Anwendern die Berechnung der Dimensionierung eines passenden Modells oft schwer, weiß der Hersteller, und hat darum eine eigene Dimensionierungssoftware entwickelt, die über passende Frequenzen für Anwendungen und daraus resultierende, verfügbare Kühlkörper aus eigener Herstellung informiert. Die Berechnung des für die Applikation geeigneten Kühlkörpers erfolgt dabei basierend auf physikalischen Grundlagen.

Dimensionen berechnen

Ein Beispiel verdeutlicht, wie eine solche Kühlkörperberechnung aussehen kann. Gesucht wird ein Kühlkörper für eine Shopbeleuchtung mit rund 3200 Lumen, basierend auf einer Vero-18-LED-COB aus der Vero-Serie von Bridgelux (Vertrieb Schukat).

Im ersten Schritt untersucht man das Wärmeverhalten der LED. Die Grundangaben stammen aus dem Datenblatt: Ausgehend von einem Nennstrom (lF) von 1050 mA und einer Vorwärtsspannung (VF) von 29,5 V beträgt die Nennleistung (Pe) zirka 31 W. Der typische Wirkungsgrad einer LED beträgt etwa 30 %. Demnach werden 70 % der Energie in Wärme umgewandelt und müssen abgeführt werden. Bei einer Gesamtleistung von 31 W entspricht der Wärmeverlust (Pd) 21,7 W.

Formeln:

  • Pe = lF × VF = zirka 31 W
  • Eff = 30 % => 70 % Wärme
  • Pd = Pe × 0,7 = 21,7 W

Im zweiten Schritt erfolgt eine Betrachtung der Temperaturbedingungen. Die Temperatur für das Gehäuse (Tc) der Vero-18 soll bei 85 °C liegen und die Anwendung bei einer Umgebungstemperatur (Ta) von 40° C laufen. Daraus ergibt sich eine Differenz (dT) von 45 °C. Sollte diese angenommene Umgebungstemperatur von 40 °C bei der Applikation abweichen, ist es unbedingt erforderlich, den genauen Wert vom Entwickler zu erhalten, da sonst diese Kühllösung nicht ausreichend zur Wärmeableitung beitragen kann.

Die Skizze verdeutlicht die Schritte der thermischen Berechnung.

Die Skizze verdeutlicht die Schritte der thermischen Berechnung. Schukat

Aus den in Schritt 1 und Schritt 2 ermittelten Werten lässt sich mithilfe einer einfachen Formel der Wärmewiderstand berechnen: Der Temperaturunterschied (dT) von 45 °C wird durch die Verlustleistung (Pd) geteilt, daraus folgt ein Wärmewiderstand (Rth) von 2,07 °C/W. Von diesem Ergebnis zieht man den Wärmewiderstand des Interface-Materials zwischen der LED und dem Kühlkörper ab. Die Werte aus der Praxis liegen zwischen 0,1° C bis 0,2 °C. Der erforderliche Wärmewiderstand des Kühlkörpers (Rth LED Cooler) darf also maximal 1,87 °C/W oder kleiner betragen.

Die Formeln lauten:

  • dT = Tc – Ta = 45 °C
  • Rth = dT / Pd = 2,07 °C/W
  • Rth LED Cooler = 1,87 °C/W

Im dritten Schritt erfolgt eine Beurteilung der mechanischen Kompatibilität. Bei der Lösung der Frage, welche Kühlkörper zur jeweiligen LED passen, liefert die Webseite www.led-heatsink.com von Mechatronix eine Auflistung aller verfügbaren Kühlkörper aus eigener Herstellung mit entsprechendem Wärmewiderstandswert, passenden Montagebohrungen und unterschiedlichen Höhen und Durchmessern.

Mit dem passenden Kühlkörper laufen LED-Module zur Bestform auf – eine  übersichtliche Auflistung von passenden Kühlkörpern liefert die Webseite von Mechatronix.

Mit dem passenden Kühlkörper laufen LED-Module zur Bestform auf – eine übersichtliche Auflistung von passenden Kühlkörpern liefert die Webseite von Mechatronix. Mechatronix

Dazu gibt es unter dem Menüpunkt Branded LED Coolers in der Abfragemaske weitere Informationen hinsichtich LED-Marke, des kalkulierten Wärmewiderstands und gegebenenfalls Eigenschaften wie Durchmesser. Nun liefert die Abfrage eine Liste an passenden Kühlkörpern, welche die anfangs definierten thermischen und mechanischen Anforderungen zur Montage (etwa Montagebohrungen) des LED-Moduls auf dem Kühlkörper erfüllen.

Individuelle Beleuchtungsapplikationen

Alle Komponenten zur Erstellung einer kompletten Beleuchtungslösung sind direkt bei Schukat erhältlich. Das Portfolio des Distributors umfasst eine breite Auswahl an Standardkomponenten zum Zusammenstellen einer individuellen Beleuchtungsanwendung – fachkundige Beratung gehört bei Schukat dazu.

Die Wahl von Standardkomponenten verspricht Vorteile, da sie für den Anwender schnell verfügbar sind und sein Design-In signifikant vereinfachen. Zusätzlich zu den COB-LEDs und Kühlkörpern enthalten die Beleuchtungskombinationen von Schukat eine Stromversorgung von Meanwell. Seit fast zwanzig Jahren ist Schukat mit Meanwell im Stromversorgungsbereich tätig.

Der LED-Beleuchtungsmarkt ist einer der wachstumsstärksten Bereiche und äußerst dynamisch im Bereich des Design-In. Die Verbindung von LED, Kühlkörper und Netzteil ist somit nur eine logische Weiterführung für Schukat und ein weiterer Schritt, um den Kunden möglichst weitreichend bei seiner Arbeit zu unterstützen.

Einfach gut kombiniert

Für die ersten Schukat-Beleuchtungskombinationen sind die COB-LEDs von Bridgelux nun erhältlich. Kooperationen mit weiteren LED-Anbietern sind in Planung. Die Vero-Baureihe ist in vier Konfigurationen für die Lichtemissionsfläche (LES) verfügbar und lässt sich über einen weiten Strombereich betreiben. Dank eines On-Board-Anschlusses, der eine lötfreie Verbindung ermöglicht, liefert die Vero-Plattform auch Plug-and-play-Konnektivität. Das vereinfacht die Produktionsprozesse der Lichthersteller und erzielt niedrige Kosten, eine schnellere Markteinführung und senkt die Anforderungen an die Lagerhaltung.

Zu den LED-Kühlkörpern von Mechatronix für die Konvektionskühlung von Power-LEDs, COB-Modulen und LED-Engines gehört die Pin-Fin-Serie mit Rundstiften.

Zu den LED-Kühlkörpern von Mechatronix für die Konvektionskühlung von Power-LEDs, COB-Modulen und LED-Engines gehört die Pin-Fin-Serie mit Rundstiften. Schukat

In Kombination mit den Kühlkörpern der Modul-LED-Micro-Baureihe erhalten Kunden eine aufeinander abgestimmte Lösung für die Vero-Baureihe. Das Portfolio aus schwarz eloxierten oder silbernen Aluminium-Kühlkörpern ist betriebsfertig mit Montagebohrungen erhältlich.

Eine weitere Form der passive Kühlung eröffnet Mechatronix mit den um 45 Grad kippbaren LED-Pin-Fin-Modellen mit Rundstiften. Diese quasi Supercooler kombinieren Leitvermögen, Wärmeströmung und Abstrahlung. Die offene Struktur der Rundstifte ermöglicht die Luftzirkulation, sodass die heiße Luft ungehindert entweichen kann. Dadurch erzielen diese Stift-Kühlkörper auch in einer schrägen Position eine deutlich effektivere Kühlung als extrudierte LED-Kühlkörper. Sie eignen sich für schwenkbare oder schräg montierte LED-Strahler und Lampen mit Flächenausleuchtung. Erste Modelle sind für die Bridgelux-LEDs verfügbar.