Bild 1: Das thermische Management für LEDs erfolgt über effiziente Strangkühlkörper.

Bild 1: Das thermische Management für LEDs erfolgt über effiziente Strangkühlkörper.Fischer Elektronik

In der Theorie strahlen LEDs keine Wärme ab. Da die Wellenlänge des erzeugten Lichts von den im Halbleiter verwendeten Materialien abhängt, sind diese Materialien bei Leuchtdioden so festgelegt, dass das emittierte Licht kaum Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung enthält. Als stromgetriebene Bauteile benötigen  LEDs meistens eine Stromstärke zwischen 20 mA und 1 A. Durch den Strom, der durch die LED fließt, erhöht sich aufgrund des Widerstandes aber die Temperatur. Bei Glühlampen erfolgt die Abgabe der Verlustwärme in Richtung des Lichtstromes, bei LEDs hingegen in Richtung der Platine.

Da die Verlustwärme nun in Richtung der Platine strahlt, muss der Betreiber sie von dort über ein geeignetes thermisches Management abführen, da sonst die typischen Lebensdauern von bis zu 50.000 Betriebsstunden nicht möglich sind. Bei einem einmaligen kurzzeitigen Überschreiten der von den LED-Herstellern angegebenen Maximaltemperatur um nur 10 °C, reduziert sich die Lebensdauer schon um bis zu 50 Prozent.

Weg mit der Wärme

Für das richtige Umsetzen des thermischen Managements stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung:

  • Passive Kühlung über extrudierte Aluminiumkühlkörper (Bild 1).
  • Aktive Kühlung über extrudierte Kühlkörper mit Lüftermotoren.
  • Kühlung über gelötete Aluminiumkühlkörper in Kombination mit Fluiden.

Eine Flüssigkeitskühlung findet Einsatz, um die Wärme, die bei hohen Stromstärken entsteht, schnell abzuführen oder um kleinere Baugrößen zu erzielen. Diese Form des thermischen Managements setzen Entwickler in der Regel ab einer Gesamtverlustleistung von mehr als 200 W ein.

Die passende Kühlung

Um zu prüfen, welches das passende Kühlverfahren und der richtige Kühlkörper für eine Anwendung sind, dient der thermische Widerstand (Wärmewiderstand) als Hilfsmittel. Der von den Kühlkörperherstellern angegebene Wärmewiderstand in Diagrammen bezieht sich auf die Länge und sagt aus, welche Wärmemenge der Kühlkörper an die Umgebung abführen kann. Für eine erste Abschätzung lässt sich die folgende Formel verwenden:

  • Rth = (Tj-Ta) / P = ∆Tja / P

Dabei bedeuten die einzelnen Werte:

  • Rth = Wärmewiderstand Junction / Ambient [K/W]
  • Tj = Junction Temperature, maximale Sperrschichttemperatur aus dem LED-Datenblatt [K]
  • Ta = Umgebungstemperatur [K]
  • P = Gesamtleistung der LED, berechnet sich aus If · Vf aus dem LED-Datenblatt [W]

Das Ergebnis der Berechnung gibt lediglich einen Anhaltspunkt für die Auswahl der Art des Wärmemanagements. Um die maximale Sperrschichttemperatur nicht zu überschreiten und die Leuchtstärken, sowie die Lebensdauer der LED nicht zu gefährden ist es wichtig, eine Sicherheitsreserve mit einzuberechnen. Das ist wegen der zusätzlicher Wärmewiderstände entlang des thermischen Pfades notwendig.

Befestigung und Einbaulage der LED

Bild 2: Verschiedene Wärmeleitmaterialien dienen zum sicheren Befestigen der LEDs.

Bild 2: Verschiedene Wärmeleitmaterialien dienen zum sicheren Befestigen der LEDs.Fischer Elektronik

Der gesamte Wärmewiderstand setzt sich aus additiv aus den einzelnen Wärmewiderstanden entlang des thermischen Pfades zusammen. Zum Verringern des gesamten thermischen Widerstandes ist ein geeigneter Wärmeübergang zwischen LED und Kühlkörper unbedingt notwendig. Ein ungünstiger Wärmeübergang zwischen den Bauteilen entsteht durch die schlechten thermischen Eigenschaften von Luft, etwa in Form von Lufteinschlüssen. Diese entstehen durch Bauteil- und Kühlkörpertoleranzen sowie Oberflächenunebenheiten und Rauheit. Durch mechanisches Bearbeiten des Kühlkörpers ist es möglich, die Faktoren zu minimieren, aber nicht komplett auszuschließen, da auch bei einer mechanischen Bearbeitung immer mit Toleranzen zu rechnen ist.

Auf einen Blick

LEDs mögen es kühl. Um ihnen ein langes Leben zu sichern, ist es wichtig, um die Berechnung ihres thermischen Widerstand und verschiedene Kühlmethoden sowie deren Vor- und Nachteile zu wissen. Unterstützen können computergestützte Wärmesimulationen.  Grundsätzlich gilt: Ausschlaggeben für das Kühlkonzept ist die LED-Geometrie und der Einsatzort.

Bei Wärmeleitmaterialien ist die Wärmeleitfähigkeit wesentlich besser ist als die der Luft. Verschiedene Grundtypen von Wärmeleitmaterialien stehen für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung (Bild 2). Beim Befestigen der LED mittels Schrauben verwendet man beispielsweise Wärmeleitfolien, Kapton-Isolierscheiben, Aluminium-Oxydscheiben, Glimmerscheiben oder Wärmeleitpasten. Selbstklebende Wärmeleitmaterialien wie doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder ein wärmeleitender Epoxydharz-Kleber eignen sich für die direkte Montage. Grundsätzlich ist bei Pasten, Folien und Klebstoffen unbedingt zu beachten, dass sie keine chemischen Substanzen enthalten, die durch Abgase (VOC, Volatile-Organic-Compounds) mit der LED reagieren. Im schlimmsten Fall können sich Ausdünstungen auf der LED-Oberfläche niederschlagen, die zu einer Trübung der LED-Linse führen und in Folge dessen den Lichtstrom sowie die Effizienz beeinträchtigen.

Das 1×1 des Wärmewiderstands

Berechnen lässt sich der Wärmewiderstand für Wärmeleitmaterial über folgende Formel:

  • Rth Wärmeleitmaterial = d / λ · A

Dabei sind:

  • 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. Ein weiterer Faktor für den Wärmewiderstand ist die Einbaulage des Kühlkörpers. Es ist notwendig, auf die Angaben des Kühlkörperherstellers, bezüglich der Bedingungen der Wärmewiderstandermittlung zu achten.

Durch eine horizontale Einbaulage des Kühlkörpers verschlechtert sich die Ableitung der Wärme um 15 bis 20 Prozent. Das begründet sich durch den Kamineffekt. Er tritt auf, wenn der Kühlkörper vertikal angeordnet ist und die Kühlrippen waagerecht von oben nach unten verlaufen. Bei dem Kamineffekt wird sich zunutze gemacht, dass warme Luft eine geringere Dichte als kalte Luft hat und nach oben steigt. So entsteht im unteren Teil des Kühlkörpers ein Unterdruck und kalte Luft wird angesaugt. Auf diese Weise ist der Temperaturunterschied zwischen Kühlkörperoberfläche und Luft immer möglichst hoch und mehr Wärme wird abgeführt.

Abgestimmte Kühlkörperformen für LED-Anwendungen

Der Wärmewiderstand ist von Profil zu Profil unterschiedlich und ist zusätzlich zur Einbaulage noch von verschiedenen Faktoren, wie der Kühlkörpergeometrie und -größe abhängig. Die Kühlkörperform sollte auf die jeweilige LED-Geometrie abgestimmt sein. Die Kühlprofile dienen der Aufnahme und der Entwärmung, sowie der Befestigung der LED-Module.

Bild 3: Mechanisch bearbeitete Strangkühlkörper eignen sich für LED-Anwendungen.

Bild 3: Mechanisch bearbeitete Strangkühlkörper eignen sich für LED-Anwendungen.Fischer Elektronik

Durch die schrittweise Einführung eines Standards für den LED-Bereich (Zhaga-Konformität) sind die LED-Light-Engines immer weiter im Vormarsch. Ein wichtiger Vorteil dieser Bauform ist der modulare Aufbau. Dieser Faktor sichert eine gute Austauschbarkeit des einzelnen LED-Chips über mehrere Generationen hinweg. Zur Aufnahme der LED-Komponenten befestigt man einen aus Kunststoff gefertigten Montagering mit Hilfe von Schrauben auf einen Kühlkörper. Der Einsatz der weiteren Komponenten, wie die LED-Platine und die Optik erfolgt über das Eindrehen in die Montagehalterung. Für diesen Bereich bringen die Hersteller vermehrt Kühlkörper mit einem massiven Innendurchmesser auf den Markt. Diese können mit Hilfe mechanischer Bearbeitung direkt als Leuchtengehäuse Verwendung finden (Bild 3).

Die Kühlung bei höheren Stromstärken könnte durch eine aktive Kühllösung erfolgen. Hierbei kommen Lüftermotoren zum Einsatz, die auf dem Kühlkörper angebracht sind. Je nach verwendetem Lüftermotor und dessen Volumenstrom ist eine Verbesserung der Wärmeabfuhr von bis zu 45 Prozent erreichbar. Massiver Nachteil bei diesem Kühlverfahren ist die Geräuschentwicklung, die durch den Lüftermotor entsteht. Aufgrund der Rotation des Lüftermotors und der Luftbewegung entstehen bei verschiedenen Anwendungen Schallwellen; Menschen können diese als störend empfinden. Der Einsatz von Lüftermotoren ist zum Beispiel bei Arbeitsplatz-, Konferenzraum-, Konzertsaal- und Galeriebeleuchtung unerwünscht und nicht zulässig.

Bild 4: Überprüfen einer LED-Anwendung mit Hilfe von einer computergestützten Wärmesimulation.

Bild 4: Überprüfen einer LED-Anwendung mit Hilfe von einer computergestützten Wärmesimulation.Fischer Elektronik

Drum prüfe….

Es ist unabdingbar, das ausgelegte thermische Management zu testen, um für spezielle Anwendungsfälle sicher zu stellen, dass das Entwärmungssystem ausreichend gut ausgelegt ist. Verschiedene Dienstleister und Kühlkörperhersteller haben computergestützte Wärmesimulationen im Angebot, durch die sich im Vorfeld abklären lässt, ob die LEDs einen Schaden durch Übertemperatur nehmen können (Bild 4). Die Notwendigkeit des Prototypenbaus entfällt, das Resultat ist die Ersparnis von Zeit und Geld.

Warum eigentlich LEDs?

Im Laufe der Jahrzehnte ist immer weiter erforscht worden, wie sich Licht auf den Menschen auswirkt. Der Gemütszustand sowie auch beispielsweise das Kaufverhalten ist maßgeblich durch Licht beeinflussbar. Um solche und andere Lichtaufgaben zu erfüllen, werden LEDs in den letzten Jahren vermehrt eingesetzt. Sie sind stufenlos zu dimmen und durch sogenannte LED-Module (Verbund von LEDs in den Farben rot, grün und blau) in der Lichtfarbe zu steuern.

Der Nutzen für die Umwelt ist nur eines der Kriterien für den Einsatz von LEDs. Während beispielsweise Neonröhren oder Energiesparlampen durch ihren Anteil an Quecksilber oder giftigen Gasen auf den Sondermüll gehören, gelten LEDs wie elektronische Bauteile; sie lassen sich zu einem großen Teil wiederverwerten. LEDs weisen ein hohes energetisches Einsparpotenzial auf. Während Glühlampen nur fünf Prozent der Energie in Licht umgewandelt, so schaffen es die Leuchtdioden vergleichsweise, rund 70 Prozent des Stromes umzuwandeln. Auch wenn mit eingerechnet wird, dass man mehrere LEDs benötigt, um die gleiche Leuchtstärke wie klassische Leuchtmittel zu erzielen, brauchen herkömmliche Glühlampen etwa dreimal so viel Energie wie eine weiße LED.