Aktive Kühlung für LEDs mit Lüftermotor

(Bild: Fischer Elektronik)

Bei Leuchtdioden sind die Materialien so festgelegt, dass das emittierende Licht kaum Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung enthält. Das Halbleiter-Material entscheidet hier über die Wellenlängen, die die LEDs abgeben. Über die Temperatur entscheiden hingegen der Strom und die Möglichkeiten der Ableitung. Da die LED ein stromgetriebenes Bauteil ist, erhöht sich die Temperatur durch den Strom über den inneren Widerstand. Herkömmliche Glühlampen geben die Verlustleistung in Richtung des Lichtstroms, wohingegen LEDs sie in Richtung der Platine ableiten. Damit LEDs eine hohe Lebensdauer erreichen, brauchen sie ein geeignetes thermisches Management, das die Verlustleistung effektiv abführt.

Eckdaten

Damit LEDs eine möglichst lange Lebensdauer erreichen, sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Einer davon ist das richtige Wärmemanagement, um die vom Strom erwärmten LEDs abzukühlen. Hierfür können Entwickler beispielsweise auf Kühlkörper zurückgreifen, aber je nach Anwendung gibt es dafür verschiedene Möglichkeiten. Was Entwickler alles beachten müssen und was für Optionen sie haben, erklärt der Beitrag.

Die passende Kühlung finden

Um zwischen den verschiedenen Kühlverfahren das passende zu finden, ist der thermische Widerstand (Wärmewiderstand) ein Hilfsmittel. Zu diesen Kühlverfahren zählen die passive Kühlung über extrudierte Aluminiumkühlkörper, die aktive Kühlung über extrudierte Kühlkörper mit Lüftermotoren und die Kühlung über gelötete Aluminiumkühlkörper in Kombination mit Fluiden. Kühlkörperhersteller geben den Wärmewiderstand in Bezug auf die Länge an. Dieser sagt aus, welche Wärmemenge der Kühlkörper an die Umgebung abführen kann. Für eine erste Abschätzung lässt sich folgende Formel anwenden:

Gleichung

Hierbei bedeuten die einzelnen Variablen:

Rth = Wärmewiderstand Junction/Ambient [K/W]

Tj = Junction Temperature (max. Sperrschichttemperatur aus dem LED-Datenblatt [K])

Ta = Umgebungstemperatur [K]

P = Gesamtverlustleistung der LED ( aus dem LED-Datenblatt) [W]

η = Wirkungsgrad der LED (aus dem LED-Datenblatt)

RTHTIM = Wärmewiderstand für das Wärmeleitmaterial [K/W]

LED-Kühlkörper mit massivem Innenkern

LED-Kühlkörper mit massivem Innenkern. Fischer Elektronik

Entwickler sollten beachten, die vom Hersteller angegebene maximale Sperrschicht nicht zu überschreiten, um die Leuchtstärke und somit die Lebensdauer der LED nicht zu gefährden. Aus diesem Grund gilt das Ergebnis, der oben angegebenen Formel nur als Richtwert, weshalb Entwickler immer eine Sicherheitsreserve einberechnen sollten.

Welchen Einfluss Befestigung und Einbaulage auf die Kühlung haben, lesen Sie auf der nächsten Seite.

 

Die richtige Befestigung und Einbaulage festlegen

Damit sich der gesamte Wärmewiderstand verringert, ist ein geeigneter Wärmeübergang zwischen LED und Kühlkörper zwingend notwendig. Denn durch Bauteil- und Kühlkörperteleranzen sowie Oberflächenunebenheiten und Rauheit entstehen Lufteinschlüsse und ergeben aufgrund der schlechten thermischen Eigenschaften von Luft einen ungünstigen Wärmeübergang. Eine mechanische Bearbeitung kann diesen Faktor minimieren. Jedoch ist es nicht möglich, ihn komplett auszuschließen, da auch bei der mechanischen Bearbeitung immer mit Toleranzen zu rechnen ist.

Wärmeleitfähigkeiten von Wärmeleitmaterialien sind immer besser als die der Luft. Für das Wärmeleitmaterial stehen verschiedene Grundtypen zur Verfügung. Bei der Befestigung von LEDs mit Schrauben lassen sich beispielweise Wärmeleitfolien, Kapton-Isolierscheiben, Aluminium-Oxydscheiben, Glimmerscheiben oder Wärmeleitpasten verwenden. Für die direkte Montage stehen selbstklebende Wärmeleitmaterialien wie doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder ein wärmeleitender Kleber zur Verfügung. Grundsätzlich ist bei der Montage von LEDs mittels Pasten, Klebestoffen und Folien zu beachten, dass keine chemischen Substanzen enthalten sind, die durch Abgase (Volatile-Organic-Compounds) mit der LED reagieren. Schlimmstenfalls können sich die Ausgasungen auf der LED-Oberfläche niederschlagen und zu einer Trübung der Linse führen, was den Lichtstrom und somit die Effizienz beeinträchtig.

Der Wärmewiderstand des Wärmeleitmaterials  errechnet sich wie folgt und kann in der obigen Formel eingesetzt werden.

Fischer_Gleichung2

Fischer Elektronik

Dabei gilt:

d = Dicke/Länge des Wärmeweges [m]

λ = Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/mK]

A = Querschnittfläche der Kontaktfläche [m²]

Diese Formel zeigt, dass die Schichtdicke des Wärmeleitmaterials möglichst gering sein sollte. Die Einbaulage des Kühlkörpers ist ein weiterer Faktor für den Wärmewiderstand. Hier sollten Entwickler die Angaben des Kühlkörperherstellers zur Wärmewiderstandsermittlung beachten. Durch eine Drehung um 90° von einer vertikalen auf eine horizontalen Einbaulage verschlechtert sich die Wärmeableitung um 15 bis 20 Prozent. Die bessere Wärmeableitung in der vertikalen Einbaulage begründet sich durch den sogenannten Kamineffekt. Dieser tritt auf, wenn die Kühlrippen senkrecht von oben nach unten verlaufen. Er macht sich die Physik zunutze, dass warme Luft eine geringere Dichte hat und nach oben steigt. Dadurch entsteht im unteren Teil des Kühlkörpers ein Unterdruck und kalte Luft wird angesaugt. Der Temperaturunterschied zwischen Kühlkörperoberfläche und umgebender Luft ist auf diese Weise immer möglichst hoch. Das führt dazu, dass sich mehr Wärme abführen lässt.

Den richtigen Kühlkörper bestimmen

Thermosimulation eines Kühlkörperprofils mit mechanischer Bearbeitung

Thermosimulation eines Kühlkörperprofils mit mechanischer Bearbeitung. Fischer Elektronik

Nicht nur die Einbaulage ist ein wichtiger Faktor um den richtigen Kühlkörper zu bestimmen, auch die Kühlkörpergeometrie und -größe sind wichtig. Der Wärmewiderstand ist von Profil zu Profil unterschiedlich. Das Kühlkörperprofil dient der Aufnahme der Wärme, der Vergrößerung der Oberfläche, der Abgabe an die Umgebung sowie auch der Befestigung der LED-Module. LED-Light-Engines sind durch die Einführung der Zhaga-Konformität nicht mehr aus der Beleuchtungsindustrie wegzudenken. So gewährleistet ein modularer Aufbau die Austauschbarkeit der einzelnen LED-Komponenten über mehrere Generationen hinweg. Dabei wird ein aus Kunststoff gefertigter Montagering zur Aufnahme der LED-Komponenten mithilfe von Schrauben auf dem Kühlkörper befestigt. Die weiteren Komponenten wie etwa die LED-Platine und die Optik werden über Eindrehen in der Montaghalterung befestigt. Kühlkörperhersteller bringen vermehrt Kühlkörper mit sehr großem Innenkern auf den Markt, diese können dann durch eine mechanische Bearbeitung direkt als Leuchtengehäuse Verwendung finden.

Wenn durch höhere Stromstärken oder ein geringes Platzangebot die passive Kühlung nicht mehr ausreicht, kann eine aktive Kühlung Anwendung finden. Die Wärmeabfuhr lässt sich über die verwendeten Lüftermotoren und den Volumenstrom um bis zu 45 Prozent verbessern. Allerdings entstehen aufgrund der Rotation des Lüftermotors und der Luftbewegung  bei verschiedenen Anwendungen Schallwellen, die Menschen teilweise als störend empfinden. Diese Geräuschentwicklung gilt als großer Nachteil der aktiven Kühlung in der Beleuchtungsindustrie.

Egal auf welche Kühllösung die Entscheidung fällt, es ist unabdingbar das ausgelegte thermische Management zu testen. Manche Kühlkörperhersteller und verschiedene Dienstleister bieten eine computergestützte Wärmesimulation an, mit der sich im Vorfeld abklären lässt, ob das ausgewählte Entwärmungssystem ausreichend gut ausgelegt ist und die LEDs vor Überhitzung geschützt sind.

Jeannine Schmidt

Entwicklungsingenieurin bei Fischer Elektronik

(prm)

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