Die LED-Beleuchtung hat längst einen festen Platz im alltäglichen Leben eingenommen, ob es sich nun um Spot-, Hintergrund- oder allgemeine Beleuchtung handelt. Die Bandbreite reicht von der kleinen Retrofit-Leuchte über Strahler für Hallenbeleuchtung bis hin zur Straßenbeleuchtung. LEDs sind sowohl von Designern und Architekten, als auch vom Endverbraucher mehr denn je gefordert und gefragt. Um die vorteilhaften Eigenschaften der attraktiven Leuchtdioden möglichst effektiv zu nutzen, schreitet die Technologie in punkto Effizienz, Helligkeit und Lichtqualität weiter voran. Verschiedene Marktforschungsinstitute sagen der LED ein fulminantes Wachstumspotenzial voraus, so dass der derzeitige Marktanteil bei LED-Beleuchtungen von unter fünf Prozent mit Sicherheit schnell Geschichte sein wird.
LEDs sind unempfindlich gegen Erschütterungen, haben hohe Schaltleistungen, beanspruchen nur wenig Platz, sie benötigen nur zirka 12 Prozent der Energie einer Glühlampe und erfordern im Betrieb gegenüber einer Energiesparlampe nur halb so viel Strom bei hervorragender Lichtqualität. Diese Eigenschaften müssen auch langfristig erhalten werden: Neben der LED-Stromversorgung, -Optik, -Treiber und -Elektronik gehört weiterhin zum Gesamtsystem der LED das thermische Management, welchem man besondere Beachtung schenken sollte. LEDs mögen es nämlich kühl: Nur wenn es der LED gut geht, lebt sie lange.
Auf einen Blick
Um das enorme Potenzial der Leuchtdioden auch entsprechend ihrer langen Lebensdauer zu nutzen, ist die Kenntnis des optimalen thermischen Umfelds wichtig. Bei der Wahl der Kühlung für die Applikation sollten sowohl die Datenblätter als auch die verschiedenen Berechnungsformeln richtig interpretiert werden.
Warum kühlen?
Ist eine effektive und entsprechende Entwärmung gegeben, beziffert sich die realistische Lebensdauer einer LED auf mehr als 50.000 Stunden, welches gegenüber der Glühlampe immer noch einer fünfzigmal längeren Lebenszeit entspricht. Ausschlaggebende Kriterien für die LED-Lebensdauer sind sowohl die bei der LED-Herstellung verwendeten Halbleitermaterialien (p-n-Übergang) als auch das Lichtstrom-Temperaturverhältnis. Das oftmals in den LED-Datenblättern angegebene Verhältnis zwischen abgestrahltem Lichtstrom zu eingesetzter elektrischer Energie, Lumen per Watt (lm/W), beschreibt den Wirkungsgrad und die Effizienz einer LED.
Die LED gehört ebenso wie die Leuchtstoff- und Gasentladungslampen zu den Lumineszenzstrahlern, die den angelegten elektrischen Strom direkt in Licht umwandeln. Fälschlicherweise wird die LED häufig als kalter Strahler bezeichnet und vermittelt somit den Eindruck, dass keine weitere Entwärmung erforderlich ist. Aber nach dem heutigen Stand der LED-Technik wandeln sich nur zirka 35 Prozent der aufgebrachten elektrischen Energie in Lichtleistung um. Die restliche Energiemenge, entwickelt in Analogie zu üblichen Halbleiterbauelementen eine Verlustwärme von 65 Prozent, die unbedingt durch eine wirkungsvolle Wärmesenke an die Umgebungsluft abgegeben werden muss.
Je höher der zuvor beschriebene Lichtstrom zur Erzeugung höherer Lichtleistungen, zum Beispiel bei Hochleistungs-LEDs, desto mehr Wärme entsteht. Starke Temperaturschwankungen der LEDs verkürzen ihre Betriebsdauer erheblich und eine Überschreitung der zulässigen Chiptemperatur hat einen direkten Einfluss auf die Lichtausbeute. Das Verringern der LED-Chiptemperatur um zirka 10 °C, kann die Lebensdauer der LED etwa um den Faktor 3,5 erhöhen. Die gute LED-Entwärmung ist daher eine wichtige Aufgabe und eine Herausforderung, die der Anwender für eine lange Lebenszeit seiner LED-Applikation zu bewältigen hat.
Vom Geheimnis passiver Kühlung
Bild 1: Passive LED-Entwärmung durch effiziente Strangpresskühlkörper aus Aluminium.Fischer Elektronik
Das stetige Weiterentwickeln der LED-Technik bewirkt ebenfalls einen permanenten Produktausbau an neuen Kühlkonzepten. Neben verschiedenen Standardprodukten zur passiven Entwärmung der LED, zum Beispiel mittels extrudierter Strangkühlkörper aus Aluminium (Bild 1), sind zunehmend kundenspezifisch modifizierte LED-Kühlkörper und speziell auf einzelne LED-Systeme abgestimmte Varianten gefragt (Bild 2). Die mechanische Anpassung der einzelnen Kühlkomponenten an die Beleuchtungsapplikation, erfolgt durch moderne CNC-Bearbeitungsmaschinen und erfordert zusätzlich umfangreiche Kenntnisse im wärmetechnischen Anpassen der Wärmesenke an die LED.
Bild 2: Applikationsspezifisches Wärmemanagement nach individuellem Kundenwunsch.Fischer Elektronik
Die richtige Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers gestaltet sich aber aufgrund der vielen Produktvarianten unübersichtlich und wegen verschiedener zu beachtender Randparameter auch oftmals als schwierig. Hilfestellung leistet hier gleichfalls der aus der Halbleitertechnik bekannte thermische Widerstand Rth (Wärmewiderstand). Er wird in der Einheit K/W (Kelvin pro Watt) angegeben. Dieser liegt umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit – das heißt, je besser ein Bauteil die Wärme ableitet, desto kleiner ist sein Wärmewiderstand.
Bild 3: Der thermischer Widerstand liefert Kühlkörpergeometrie und -länge.Fischer Elektronik
Der Rth liefert zusätzlich eine Aussage über die benötigte Größe, Geometrie und Länge des Kühlkörpers. Bei der Wahl des individuell passenden Kühlkörpers unterstützen Kataloge der Kühlkörperhersteller beziehungsweise die dort getroffenen numerischen Angaben, Diagrammen oder graphischen Darstellungen. Der ermittelte Wärmewiderstand zum angegebenen Querschnitt wird im Schnittpunkt der Kennlinie bei dazugehöriger Kühlkörperlänge ermittelt (Bild 3).
Mit Temperaturen rechnen
Die Berechnung des thermischen Widerstandes erfolgt nach der Formel:
- Rthja = Tj – Ta / P = (ΔTj + Ta) – Ta / P = ΔTja / P
wobei gilt:
- Tj = ΔTj + Ta
Die einzelnen Variablen bedeuten:
- Rthja = Wärmewiderstand Junction/Ambient
- Tj = Junction-Temperatur (maximale Sperrschichttemperatur aus dem LED-Datenblatt)
- Ta = Umgebungstemperatur
- P = Gesamtleistung der LED (If * Vf aus dem LED-Datenblatt)
Der in der Praxis bedeutende Wert der Junction-Temperatur berechnet sich nach:
- Tj = Rthja * P + Ta
Im Gegensatz zur passiven Kühlung mittels freier Konvektion bewirkt eine aktive Lösung deutliche Leistungssteigerungen des Entwärmungskonzeptes. Zusätzliche Lüftermotoren, zum Beispiel als Miniaturlüfteraggregat, können bei der LED erheblich geringere Junction-Temperaturen erzielen. Nachteile sind dabei allerdings der Geräuschpegel, die Verschmutzung und der zusätzliche Energieverbrauch, die in der Natur eines Lüfters liegen. Kurzum Eigenschaften, die nicht für jede LED-Applikationen wünschenswert und zulässig sind, da Systemausfälle oftmals direkt zu einem kostenintensiven Mehraufwand durch Wartung und Reparaturen führen.
Vom Widerstand beim Wärmeübergang
Die bereits genannte Faustformel zur Berechnung des Wärmewiderstandes und der daraus resultierende Wert ermöglichen eine geeignete und auf die Applikation angepasste Kühlkörperauswahl zur LED-Entwärmung. Das optimale wärmetechnische Kontaktieren der LED auf der Wärmesenke ist wichtig.
Aufgrund fertigungstechnischer Umsetzung und Toleranzen sind weder die Oberflächen der LEDs noch die der Kühlkörper eben und glatt. Sie weisen zum Teil erhebliche Unebenheiten in Form von Durchbiegungen und starken Rauhigkeiten auf. Grundsätzlich gilt die Aussage, dass beim Verbinden von zwei flachen Oberflächen miteinander – beispielsweise von Transistoren, LEDs und Kühlkörpern –, die effektive Kontaktfläche nur zwei bis fünf Prozent beträgt. Die restliche Fläche sind Zwischenräume, in denen sich unbewegte Luft befindet. Sie fungiert als thermischer Isolator. Die Luft besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 0,0262 W/m*K und ist somit ein 7633-mal schlechterer Wärmeleiter als Kühlkörpermaterial aus Aluminium.
Die Luft rauslassen
Um den LEDs einen guten thermischen Kontakt zu bieten, müssen die Luftpolster eliminiert beziehungsweise ausgefüllt werden. Dafür lassen sich verschiedene Wärmeleitmaterialien vorteilhaft einsetzen. Der thermische Widerstand der Kontaktmaterialien hängt sowohl von den Abmessungen als auch von der Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials ab. Je größer die Kontaktfläche, je höher die Wärmeleitfähigkeit und je geringer die Schichtstärke des Wärmeleitmaterials ist, desto kleiner wird der Rth. Der Wärmewiderstand für das jeweilige Wärmeleitmaterial wird demzufolge nach folgender Formel berechnet:
- Rth = d/λ*A
Er setzt sich zusammen aus der Dicke / Länge (d) des Wärmeweges [m], der Wärmeleitfähigkeit (λ) des Materials [W/m*K] sowie aus der Querschnittsfläche (A) des Wärmedurchgangs [m²].
Bild 4: Kleben statt Schrauben mittels funktionellem Wärmeleitklebers.Fischer Elektronik
Für ein wärmetechnisches optimales und sicheres Kontaktieren der LED auf dem Kühlkörper haben sich besonders zustandsverändernde Wärmeleitfilme (Phase-Change-Material), hochwärmeleitende anisotrope Grafitfolien, doppelseitig klebende Wärmeleitfolien auf Polyimidbasis und mit Metalloxyd gefüllte Zweikomponenten-Epoxydharzkleber bewährt und durchgesetzt (Bild 4). Mit den zuletzt genannten beiden Varianten besteht sogar die Möglichkeit, die LED direkt auf der Wärmesenke zu verkleben, so dass eine zusätzliche mechanische Verbindung – beispielsweise mittels Schrauben – nicht notwendig ist. Grundlegend muss beim Verwenden von Wärmeleitmaterialien zur Kontaktierung einer LED darauf geachtet werden, dass sie mit der LED kompatibel sind und keine chemischen Substanzen enthalten, die durch Ausgasen (VOC = Volatile Organic Compounds) mit der LED reagieren. Die VOC können sich auf der LED-Oberfläche oder -Linse niederschlagen und den Lichtstrom und die Chromazität einer Leuchtdiode beeinträchtigen.
Die Auswahl des geeigneten Wärmeleitmaterials im Bereich der LED-Technik kann durch Berechnungen und auch thermische Simulationen unterstützt werden, welche allerdings immer nur eine grundsätzliche Richtung vorgeben. Eine praktische und auf die Applikation abgestimmte Erprobung ist oft sinnvoll und erfolgsversprechend.
Jürgen Harpain
(rao)
