Für ein langes LED-Leben ist ausreichende Kühlung unerlässlich.

Für ein langes LED-Leben ist ausreichende Kühlung unerlässlich.Contrinex

Obwohl der Wirkungsgrad von LEDs sehr viel höher ist als der herkömmlicher Glühlampen, wandeln die Leuchtdioden, je nach Farbe und Lichtstärke, 75 bis 85 Prozent der aufgenommenen Leistung in Wärme um; nur den Rest in Licht. Zum Vergleich: Herkömmliche Glühlampen verwandeln mindestens 95 Prozent des Stroms in Wärme und weniger als fünf Prozent in Licht. Die richtige Kühlung der LEDs leistet einen entscheidenden Beitrag zur langen Lebensdauer der Halbleiterleuchten. Folgerichtig sichert ein anwendungsspezifisches Thermal-Management mit entsprechend ausgelegten Kühlkörpern dauerhaft die einwandfreie Funktion der Leuchtdioden.

Kühl muss es sein

Die Kontaktfläche zwischen Halbleiterkristall und Halter ist nur wenige Quadratmillimeter klein. Daher konzentriert sich die gesamte Wärmeemission auf diesen einen kleinen Punkt. Bei kleinen LEDs mit einer Leistungsaufnahme im Milliwattbereich reichen die Lötanschlüsse aus, um die Wärme aus dem Halbleiterkristall abzuleiten.

Auf einen Blick

Steht die Frage nach der Kühlung an, so gilt es zunächst die Applikation anzusehen. Oft lassen sich hier Standardkühlkörper einfach anpassen. Es ist wichtig, auf ausreichendes Kühlen Wert zu legen, denn es erhöht die Lebenserwartung der LEDs.

Ab einer Leistungsaufnahme von etwa 1 W ist jedoch bereits eine (passive) Kühlung erforderlich. Hochleistungs-Leuchtdioden produzieren so viel Wärme, dass sie sogar Kühlkörper mit Zwangsbelüftung benötigen.

Von der Stange oder maßgeschneidert

Contrinex CTX Thermal Solutions führt in ihrem Produktportfolio sowohl passive als auch aktive Kühlvarianten für LEDs. Neben Standardkühlkörpern gibt es vor allem kunden- und projektspezifisch angepasste LED-Kühlungen. Dabei erfolgt die Montage der Kühlkörper wahlweise mittels Verschrauben, Clippen, einer wärmeleitenden Verklebung oder durch Auflöten. Zu den Klassikern unter den Standardkühlungen gehören Leiterplatten-, SMD- und Profilkühlkörper als passive sowie aktive Kühlkörper mit AC- oder DC-Lüfter. Sie alle sind in verschiedenen Abmessungen und Leistungsklassen standardisiert als Katalogware erhältlich, lassen sich jedoch auf die Anforderungen des Kunden anpassen.

Die Kühlkörper für die LEDs müssen sich der Einbausituation und der Gehäusegröße anpassen.

Die Kühlkörper für die LEDs müssen sich der Einbausituation und der Gehäusegröße anpassen.Contrinex

High-End-Lösungen, die mittels flüssigen Medien kühlen, sind in der Regel individuell ausgelegt. Nicht nur die Leistung der Wärmeabfuhr ist dabei ausschlaggebend für eine Sonderanfertigung. Auch gestiegene Rohstoffpreise beispielsweise bei Kupfer oder Aluminium sind Gründe, die wirtschaftlich betrachtet eine Maßanfertigung rechtfertigen. Wer eine Kühlung in optimalem Preis-Leistungs-Verhältnis sucht, sollte daher für seine Produkte eine individuelle Variante wählen. Contrinex CTX Thermal Solutions modifiziert Standard-Kühlelemente und entwickelt zusammen mit seinen Lieferanten auch Sonderanfertigungen in kleinen Stückzahlen.

Auch in Straßenleuchten findet die LED-Technik zunehmend Verbreitung, so dass entsprechende Gehäuse mit integrierten Kühlkörpern bereits auf dem Markt sind.

Auch in Straßenleuchten findet die LED-Technik zunehmend Verbreitung, so dass entsprechende Gehäuse mit integrierten Kühlkörpern bereits auf dem Markt sind.Contrinex

Die Modifizierung ist oft einfach umzusetzen. Standard-Kühlkörperprofile aus dem Katalog, die zwar den erforderlichen Kühlleistungen einer Applikation entsprechen, lassen sich häufig an individuelle Einbaubedingungen hinsichtlich der gewünschten Abmessungen anpassen und optimieren. Eine weitere Möglichkeit zur kundenspezifischen Auslegung ist die Integration der Kühlfunktion in ein Gehäuse oder in tragende Komponenten. Das ist immer dann gefragt, wenn beispielsweise ein Gerät mit seiner Elektronik in einer staubigen Umgebung betrieben wird oder wasserdicht sein muss.

Solche Gehäuse sind dann jedoch abgedichtet; es findet darin keine Luftzirkulation statt. Die zu kühlenden Bauteile müssen innen an der Gehäusewand angebracht sein, damit sie sich von außen über das Gehäuse kühlen lassen. Derlei Gehäuse, die Contrinex CTX Thermal Solutions auch ohne Kühlfunktion kundenspezifisch fertigt, sind aus entsprechenden Gusswerkstoffen wie Aluminium hergestellt und auf Wunsch mit Bohrungen, Gewinden oder Ähnlichem versehen.

Erst simulieren dann produzieren

Bei vielen Straßenleuchten ist die Kühlung bereits in das Gehäuse integriert.

Bei vielen Straßenleuchten ist die Kühlung bereits in das Gehäuse integriert.Contrinex

Beim Berechnen eines maßgeschneiderten LED-Kühlsystems gibt es verschiedene Faktoren zu berücksichtigen: Neben der Leistungsaufnahme und der Verlustwärme spielen auch die Größe des Halbleiterkristalls, die Geometrie von LEDs und deren Halterung sowie die Umgebungsvariablen (wie Temperaturen, Vibrationen, Luftfeuchte) eine wichtige Rolle. Dabei wird auf Basis der Kundendaten eine Auswahl der in Frage kommenden Technologien ausgewählt, thermische Simulationen durchgeführt und danach die Entscheidung für die geeignete Kühl- und Befestigungstechnik sowie die Kühlkörper-Materialauswahl getroffen, bevor sie in Produktion geht. Der Vorteil: Der kostspielige Part der Prototypenfertigung entfällt oder reduziert sich drastisch. Aus diesem Grund erzielt Contrinex CTX Thermal Solutions inzwischen den überwiegenden Teil des Kühlkörpergeschäfts mit projekt- und applikationsspezifischen Produkten – auch bereits im jungen Geschäftsbereich der LED-Kühlung. „Gut 70 Prozent der aktuell gefertigten Produkte sind Maßanfertigungen für Kunden“, betont Georg Laskowsky, Sales Manager bei Contrinex CTX Thermal Solutions.

Durch eine gute Kühlung leben die LEDs länger; dadurch reduzieren sich auch die Wartungskosten für Straßenleuchten.

Durch eine gute Kühlung leben die LEDs länger; dadurch reduzieren sich auch die Wartungskosten für Straßenleuchten.Contrinex

In der Mehrzahl aller Fälle durchläuft die potenzielle Kühllösung eine thermische Simulation bevor sie in Produktion geht. Auf diese Weise lassen sich die zu erzielende Kühlleistung sowie die erforderliche Dimensionierung überprüfen. Stellt sich beispielsweise heraus, dass sich durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, des verwendeten Materials oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzen lässt, spart dies in nicht unerheblichem Maß Material- und Fertigungskosten. Mit geeigneten Materialalternativen und Fertigungsmethoden, wie bei hohen Stückzahlen dem Druckguss statt einer aufwändigen CNC-Bearbeitung, lassen sich ebenfalls dank der applikationsspezifischen Berechnungen die Kosten reduzieren.

Mehr als nur ein LED-Kühlkörper

Applikationsspezifische Kühlkörper lassen sich nach einer Simulation und Analyse passgenau fertigen.

Applikationsspezifische Kühlkörper lassen sich nach einer Simulation und Analyse passgenau fertigen.Contrinex

Die Kühlkörper von Contrinex CTX Thermal Solutions finden sich nicht nur in Leuchtdioden sondern auch in weißer wie in brauner Ware, in der Automobilelektronik, im Bereich der regenerativen Energien, in industriellen Netzteilen, in Computern sowie in der Signal- und Haustechnik. Die Kühlkörper reichen von einer Größe von nur wenigen Millimeter großen und einigen Gramm leichten Kühlelementen für LEDs bis hin zu 2 m langen und 200 kg schweren Kühlkörpern für Wechselrichter in der Eisenbahntechnik. Auch die Kühlungsarten sind so unterschiedlich wie die Anwendung selbst: von natürlicher Konvektion über Luftkühlung mit Gebläsen bis hin zu Wärmetransport durch Flüssigkeiten oder Heatpipes zur Kühlung von Halbleiterelementen.

Infokasten: Warum LEDs?

Sie sind langlebig, extrem stoß- und vibrationsfest, erzeugen ein reines Licht ohne UV- und Infrarotstrahlung und enthalten im Gegensatz zu Energiesparlampen kein Quecksilber. Die Rede ist von lichtemittierenden Dioden oder kurz: LEDs. Zwar sind sie in der Anschaffung deutlich teurer als herkömmliche Glüh- oder Energiesparlampen, erobern jedoch aufgrund ihrer Robustheit und hohen Lebensdauer zunehmend den privaten und industriellen Bereich.

Die Lebensspanne einer durchschnittlichen LED beträgt unter Laborbedingungen bis zu 100.000 Betriebsstunden und auch im praktischen Einsatz erreichen sie immerhin 60.000 bis 70.000 Stunden. Eine handelsübliche Glühlampe „lebt“ dagegen nur zwischen 750 und 1000 Stunden. Mit ihrer hohen Lebenserwartung eignen sich Halbleiterleuchten für Einsätze an besonders schwer zugänglichen Stellen und bei sicherheitsrelevanten Bauteilen. Wichtige Abnehmer dieser Lichttechnik sind daher vor allem die Automobilindustrie und Hersteller von Signaleinrichtungen sowie Straßenbeleuchtungen.