Die Entwicklung der LED in ihren verschiedenen Varianten und Formen scheint auch zum heutigen Zeitpunkt noch nicht abgeschlossen zu sein. LEDs finden sich in fast allen Bereichen des täglichen Lebens und gelten gemeinhin als Beleuchtungsmittel der Zukunft mit dem Potenzial, einen Großteil der herkömmlichen Glüh- und Energiesparlampen zu ersetzen. Anders als bei den bekannten Glühlampen erzeugt die LED das Licht nicht durch das Erhitzen eines Glühdrahtes sondern durch angeregte Elektronen direkt am Halbleiterübergang – wobei aber auch Wärme anfällt, die es zu beherrschen gilt.
Auf einen Blick
In der Beleuchtung erobern LEDs immer mehr Bereiche. Damit sie aber lange leben, brauchen sie ideale Bedingungen. Wichtig ist die Temperatur, denn sie mögen es kühl. Daher sind LED-Kühlkörper, die kontinuierliche Weiterentwicklung erfahren, mehr denn je gefragt.
LEDs sind außerordentlich energieeffizient und sie lassen sich in sehr kleinen Abmessungen herstellen. Darüber hinaus haben sie sofort nach dem Einschalten ihre volle Lichtleistung, strahlen in unterschiedlichen Farben und bestehen in den jeweiligen Applikationen unzählige Schaltvorgänge. Sie gelten als edel und fesch, als lichtintensiv, extrem langlebig und eröffnen der Leuchtenindustrie ungeahnte Designmöglichkeiten.
Rundum tolle Eigenschaften, die man allerdings auch langfristig behüten muss, da die LED nur ein Teil der gesamten Funktionsbausteine darstellt. Neben der LED-Stromversorgung, -Optik, -Treiber und -Elektronik spielt besonders der thermischen Haushalt der LED eine große Rolle.
Thermisches Management
Maßgeblich für die Akzeptanz der LED als Leuchtmittel ist ihre Lichtqualität, da die Anforderungen des Marktes an die Lichthomogenität und Farbtemperatur sehr hoch sind. Geringe Abweichungen von nur einigen Kelvin nimmt das menschliche Auge sofort als Farbunterschied wahr und assoziiert infolge dessen eine minderwertige Qualität. Fälschlicherweise sieht man die LED häufig als kalten Strahler an und vermittelt somit den Eindruck, dass keine weitere Entwärmung erforderlich ist.
Nach dem heutigen Stand der Technik wandeln LEDs nur zirka 35 Prozent der aufgebrachten elektrischen Energie in Lichtleistung um. Die restliche Energiemenge entwickelt in Analogie zu üblichen Halbleiterbauelementen eine Verlustwärme, die der Anwender unbedingt durch ein wirkungsvolles thermisches Management an die Umgebungsluft abgeben muss. Starke Temperaturschwankungen verkürzen die LED-Betriebsdauer erheblich und eine Überschreitung der zulässigen Chiptemperatur hat einen direkten Einfluss auf die Lichtausbeute.
Eine Reduzierung der LED-Chiptemperatur um zirka 10 °C, kann die Lebensdauer der LED ungefähr um den Faktor 3,5 erhöhen. Die LED-Entwärmung ist daher eine wichtige Aufgabe und eine Herausforderung, die es zu bewältigen gilt.
Bild 1: Verschiedene auf den LED-Typ angepasste Sternkühlkörper liefern ein effizientes thermisches Management und Designmöglichkeiten.Fischer Elektronik
Freie Konvektion
Die einfachste und zugleich leiseste Art LEDs zu entwärmen, geschieht mithilfe der freien Konvektion. Hierfür stehen verschiedene, auf die jeweiligen Größen und Formen der LEDs angepasste LED-Kühlkörper zur Verfügung (Bild 1). Die Herstellung erfolgt im Aluminium-Strangpressverfahren; die Kühlkörper liefern ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit in Relation zum Wärmeableitvermögen.
Einzelne LEDs oder komplette LED-Module inklusive Halter und Reflektor lassen sich auf eine dafür vorgesehene Montagefläche, welche aus thermischen Gründen aus einem Aluminiumvollkern besteht, montieren oder sogar durch eine mechanische Nacharbeit direkt in den Kühlkörper integrieren. Somit fungiert die Wärmesenke als thermisches Management und gleichzeitig als Leuchtenaußengehäuse, welches in vielzähligen Anwendungen durch verschiedenartige Oberflächenbehandlungen als Designelement dient. Neben der klassischen Schraubmontage für die LED eignen sich ebenfalls doppelseitig klebende Wärmeleitfolien auf Polyimidbasis sowie zweikomponentige Aluminium-gefüllte Wärmeleitkleber auf Epoxidbasis.
Mit Bedacht wählen
Aufgrund der Produktvarianten an LED-Kühlkörpern sowie verschiedener zu beachtender Randparameter, gestaltet sich die richtige Auswahl einer auf die Applikation zugeschnittenen Wärmesenke oft schwierig. Der erste Schritt bei der Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers liegt im Studieren des LED-Datenblattes, das über die thermischen Sachverhalte informiert.
Dazu zählen das in der Applikation benötigte Volumen oder der Platzbedarf, die Gehäusebauform der LED, die Einbaubedingungen und der Faktor, ob in der Anwendung ein Luftvolumen beziehungsweise Luftströmung bei der Entwärmung zur Verfügung steht. Zum ersten Punkt empfiehlt es sich das LED-Datenblatt zu studieren, genauer gesagt, zu ermitteln für welche maximalen Temperaturen der LED-Hersteller die technischen Daten spezifiziert hat.
Bild 2: Die jeweils auf die Applikation angepassten LED-Kühlkörper erfordern oft hinsichtlich ihrer Geometrie und der LED-Aufnahme eine mechanische Nacharbeit.Fischer Elektronik
Aus den gewonnenen Informationen lässt sich nun überschlagsmäßig der thermisch benötigte Wärmewiderstand berechnen. Dieser ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit, das bedeutet: Je besser ein Bauteil die Wärme ableitet, desto kleiner ist sein Wärmewiderstand. Des Weiteren liefert er eine Aussage über die benötigte Kühlkörpergröße, -geometrie und -länge. Eine für die Anwendung passende Kühlkörperselektion kann anhand der in den Katalogen der Kühlkörperhersteller gemachten numerischen Angaben, Diagrammen oder graphischen Darstellungen erfolgen.
Aus applikationstechnischen Gründen sind allerdings oft neben verschiedenen Standardprodukten zunehmend kundenspezifische modifizierte LED-Kühlkörper und speziell auf einzelne LED-Systeme abgestimmte Versionen gefragt und gefordert (Bild 2). Die jeweilige mechanische Anpassung der einzelnen Kühlkomponenten an die Beleuchtungsapplikation erfolgt durch CNC-Bearbeitungsmaschinen und erfordert Kenntnisse, die die wärmetechnische Anpassung der Wärmesenke an die LED betreffen. Der Anpassung sowie dem endgültigen thermischen Design sollte stets eine thermische Simulation oder ein Prototyp vorangehen.
Bild 3: Klassische Strangkühlkörper finden je nach Design und Applikation in der LED-Technik ihre Anwendung.Fischer Elektronik
Für kühle LEDs
Neben den genannten LED-Rundkühlkörpern gibt es auch LED-spezifische Applikationen, in denen klassische Strangkühlkörper Einsatz finden (Bild 3). Die geometrischen Abmessungen der Rippenkühlkörper sollten bei einer freien Konvektion auf die jeweilige Bauteilgröße der LED abgestimmt sein. Für besonders kleine LED-Wärmeeintragsflächen, aber auch bei zeitabhängigen Wärmeeinträgen (An/Aus), gebührt dem Kühlkörperdesign bei freier Konvektion besondere Beachtung.
Bei diesen thermischen Gegebenheiten ist es zur effektiven Entwärmung der LED notwendig, die entstehende Wärme schnell vom Bauteil durch den Kühlkörper aufzunehmen, um eine mögliche Überschreitung der Sperrschichttemperatur zu verhindern. Dieses läßt sich durch den Einsatz von Kontaktoberflächen zur Wärmespreizung, die formschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sind, realisieren. Mögliche Materialien aus denen die Kontaktoberflächen bestehen können, sind Kupfer (Bild 3) oder eine hochwärmeleitende anisotrope Grafitfolie.
Bild 4: Unterschiedliche Stiftkühlkörper liefern eine vergrößerte Oberfläche, sind unabhängig von der Einbaulage und unterstützen die forcierte Konvektion.Fischer Elektronik
LED-Entwärmung kann mittels bewegter Luft oder Lüftermotoren erfolgen; allerdings besteht da durchaus noch Entwicklungspotenzial hinsichtlich der Leistungsfähigkeit. Die aktive Entwärmung hat noch einen weiteren Nachteil: sie ist nicht geräuschlos umzusetzen und eigenet sich daher für etliche Anwendungen einfach nicht. Allerdings gibt es auch Applikationen, etwa als Deckeneinbauleuchte, die über Luftströmungen ohne den Einsatz von Lüftermotoren (Zugluft) verfügen. Die dafür angepassten Kühlkörper, sogenannte Stiftkühlkörper (Bild 4), stellt man im Fließpressverfahren her; sie liefern für die forcierte Entwärmung ein kompaktes Kühlkörperdesign.
Die Stiftkühlkörper enthalten auf der Kühlkörperoberseite runde Stifte, welche mit einer besonderen Anordnung und Anzahl auf Luftdurchsatz ausgelegt sind. Aufgrund der Materialeigenschaften, der Geometrie und der Oberflächenstruktur sind Stiftkühlkörper sehr leistungsfähig in der Entwärmung bei erzwungener Konvektion. Zu ihren Vorteilen zählen das dafür verwendete Aluminiummaterial (Al 99,5), welches eine Wärmeleitfähigkeit von 220 W/m·K aufweist. Außerdem besitzen sie eine durch den Herstellungsprozess bedingte homogene Materialanordnung und Gefügestruktur in Wärmeflussrichtung.
Dadurch ergibt sich eine schnelle und gleichmäßige Wärmeverteilung in der Basis, zu den Stiften (Rippen) und innerhalb der Stifte. Aus dekorativen Gründen ist es möglich, Stiftkühlkörper schwarz zu anodisieren oder mit anderen Oberflächenbeschichtungen zu versehen.
Gut zu wissen
Parallel zu der Entwicklung immer leistungsstärkerer LEDs steigen auch die Anforderungen an das thermische Management. Die stetig steigende Nachfrage an LED-Kühlkörpern geht einher mit einer kontinuierlichen Weiterentwicklung spezieller abgestimmter Entwärmungskonzepte, da auch in diesem Teilbereich der LED-Entwicklung noch längst nicht die Spitze erreicht worden ist.
Für die Zukunft der LED steht zu erwarten, dass diese sich mit ihren positiven Eigenschaften innerhalb weniger Jahre zum massentauglichen Leuchtmittel entwickelt und andere Glühmittel in allen Lebensbereichen zunehmend verdrängt.
Jürgen Harpain
(rao)
