Mehr Effizienz für LEDs

LEDs finden heutzutage in fast allen Bereichen des alltäglichen Lebens Anwendung, sowohl im Innen- als auch im Außenbereich. Altgediente, traditionelle Leuchtmittel verschwinden sukzessive vom Markt da, LEDs sie vollwertig ersetzen können. Hierbei fallen oftmals Schlagwörter wie Wirtschaftlichkeit, Lebensdauer, Lichtleistung und -qualität sowie Farbtemperatur und deren Wiedergabeeigenschaften (CRI). Allerdings ist die LED nicht nur als Einzelbaustein für ein schönes Licht verantwortlich, sondern immer als ein Teil mehrerer Funktionsbausteine zu sehen. Ein gutes Leuchtmittel ist in Summe abhängig von der verwendeten LED, Stromversorgung, Optik und Elektronik sowie dem thermischen Haushalt der LED, welchem große Aufmerksamkeit gebührt.

Hohe Ströme wie bei Hochleistungs-LEDs verursachen hohe Temperaturen und verkürzen die Lebensdauer einer LED drastisch, was ein wirkungsvolles thermisches Management unabdingbar macht. LEDs und deren Lebensdauer sind unter anderem abhängig von dem jeweiligen Halbleitermaterial, den in der Applikation festgelegten Betriebsbedingungen wie Wärme oder Strom und der Farbtemperaturveränderung der Fluoreszenzfarbstoffe.

Leuchtdioden fallen in der Regel nicht plötzlich aus, sondern ihre Lichtleistung wird mit der Zeit schwächer (Degradation). Auch LEDs entwickeln in Analogie zu üblichen Halbleiterbauelementen eine Verlustwärme, die direkten Einfluss auf die LED-Eigenschaften und -Lebensdauer hat.

Wärmemanagement in Theorie und Praxis

Im Strangpressverfahren hergestellte Aluminiumkühlkörper, zugeschnitten auf die jeweiligen LEDs, sind mehr denn je gefragt und gefordert. LED-Kühlkörper verfügen über ein gutes Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit in Relation zum Wärmeableitvermögen. Diese passive und geräuschlose Art (freie Konvektion) der Entwärmung für LEDs stellt eine einfache und wirkungsvolle Methode der Wärmeableitung dar.

Bild 1: Modifizierte Standard-LED-Kühlkörper nach kundenspezifischen Vorgaben beziehungsweise thermischen oder mechanischen Erfordernissen.Fischer Elektronik

Die eigens angefertigten LED-Kühlkörper besitzen eine runde Formgebung und lassen sich relativ einfach durch eine mechanische CNC-Nacharbeit an die LED-Applikation anpassen (Bild 1). Außerdem enthalten die LED-Kühlkörper einen massiven Aluminiumkern, welcher auf die Dimensionen der auf dem Markt erhältlichen LED-Typen abgestimmt ist. Gleichzeitig ermöglicht dieser eine direkte LED-Aufnahme per Schraub- oder Klebbefestigung. Darüber hinaus lassen sich komplette LED-Module mit dazugehörigem Haltersystem oder auch Reflektor nahezu unsichtbar in die Kühlkörper integrieren.

In vielen kundenspezifischen Anwendungen fungiert der Kühlkörper somit gleichzeitig als thermisches Management und Designelement, da er oftmals von außen betrachtet integraler Bestandteil des Leuchtendesigns ist.

Viele auf dem Markt erhältliche Entwärmungskonzepte für LEDs, ob aktiv oder passiv, machen es Anwendern nicht einfach, die richtige Entwärmungmethode für eine spezielle Applikation zu finden. Eine Möglichkeit bei der Entscheidungsfindung ist sicherlich die Berechnung des thermischen Widerstandes. Dieser lässt sich relativ einfach über die Temperaturdifferenz der maximalen LED-Chiptemperatur und der Applikationsumgebung sowie der abzuführenden Verlustleistung der LED berechnen, bedarf allerdings immer der richtigen Auswahl der technischen Parameter aus dem Herstellerdatenblatt.

Der hierdurch gegebene theoretische Wert obliegt allerdings immer einer physikalischen Überprüfung mittels Prototypen, da bereits kleine mechanische Nachbearbeitungen wie Ausfräsungen oder Gewinde die thermischen Gegebenheiten stark verändern. Neben der thermischen Verifizierung aufgrund von Prototypen liefert die thermische Simulation des einzelnen Entwärmungskonzeptes oder der gesamten Funktionsbaugruppe hervorragende Aussagen in puncto thermische Parameter beziehungsweise Notwendigkeiten (Bild 4).

Mithilfe der computergestützten Wärmesimulation lassen sich die erforderlichen Eigenschaften des LED-Kühlkörpers beziehungsweise des gesamten Leuchtendesigns genau ermitteln. Basierend auf physikalischen Konzepten wie Erhaltung von Masse, Energie und Impuls berücksichtigt die Simulationssoftware insbesondere die thermischen Voraussetzungen für eine natürliche (freie) oder forcierte (erzwungene) Konvektion. Darüber hinaus berechnet die Software physikalische Effekte wie Wärmestrahlung und Turbulenzen sowie Emissionsfaktoren verschiedener Oberflächenbeschichtungen. Als Ergebnis liefert die Analyse eine passgenaue Entwärmungslösung für die Applikation und damit eine enorme Hilfe bei der Auslegung des Elektronikdesigns.

In Summe lassen sich Entwicklungszyklen von Entwärmungskonzepten erheblich verkürzen und nicht geeignete Ideen schnell sowie ohne erheblichen Materialaufwand wieder verwerfen. Viele Features des Simulationssystems verkürzen zudem den zeitlichen und apparativen Aufwand im Vergleich zu einer herkömmlichen Simulation in der Messkammer.

Auf die Applikation zugeschnitten

Speziell auf die verwendeten LEDs abgestimmte LED-Kühlkörper sind zwar auf dem Markt erhältlich, allerdings fordern Kunden zunehmend individuell gestaltbare Kühlkörper.

Bild 2: Effiziente und individuell perfekt auf die jeweilige Applikation zugeschnittene LED-Kühlkörper mit geringem Gewicht.Fischer Elektronik

Kühlkörper ohne zusätzliche Werkzeugkosten für eine kundenspezifische Kontur, auch für kleinere Stückzahlen, deren geometrische Abmessungen hinsichtlich Rippenstärke, -design, -abstand und Durchmesser frei wählbar sind, stehen hier oft im Vordergrund. Die Basis dieser LED-Kühlkörper bildet ein massiver Aluminiumkern, an dem umlaufend durch spezielle Bearbeitungsmaschinen eine je nach Blechstärke geartete Nutgeometrie eingebracht ist. In diese Nuten verpresst man die nach kundenspezifischen Vorgaben gestalteten Aluminiumbleche (Bild 2). Um einen optimalen Wärmeübergangswiderstand zu erzielen und Lufteinschlüsse zu vermeiden, findet an der Kontaktstelle zwischen dem Blech und dem Aluminiumkern zur Fixierung ein hochwärmeleitender Kleber Verwendung.

Die so herstellbaren LED-Kühlkörper lassen sich also relativ einfach und flexibel an kundenspezifische Vorgaben oder an durch die thermische Simulation ermittelte Konturen sowie an alle gängigen LED-Module und Größen anpassen. Aufgrund der Designfreiheiten ist ebenfalls eine Integrationsmöglichkeit von kompletten LED-Systemen inklusive Reflektor und dem dazugehörigen LED-Halter, aber auch von Lüftermotoren zur aktiven Entwärmung gegeben. Darüber hinaus sind verschiedene Oberflächen, mechanische CNC-Bearbeitungen sowie LED-Aufnahmekerne aus Kupfer zur Wärmespreizung gleichermaßen realisierbar.

Aktive Entwärmung – kleiner Einbauraum

Bild 3: Kleinerer Einbauraum und geringeres Gewicht durch eine aktive Entwärmung von LEDs.Fischer Elektronik

Die Entscheidung für eine passive oder aktive Entwärmungslösung ist im Wesentlichen abhängig von der Einbausituation mit möglichen Gewichtsbeschränkungen und der zugehörigen maximal zulässigen LED-Chiptemperatur sowie der abzuführenden Wärmeleistung.

Aktive Entwärmungskonzepte (Bild 3) sind in manchen Applikationen, etwa bei Designleuchten oder der Beleuchtung in Museen und Konzertsälen, aufgrund der Geräusche der rotierenden Teile nicht gerne gesehen, lassen sich allerdings im Gegensatz zu passiven Lösungen deutlich kleiner und viel leichter auslegen.

In Anwendungen wie im Bereich der Shopbeleuchtung, in denen Geräusche eine eher untergeordnete Rolle spielen, lässt sich durch die LED-spezifischen Lüftermotoren eine Leistungssteigerung von bis zu 45 Prozent erreichen. Eigens für die Entwärmung von LEDs entwickelte geräuscharme Lüftermotoren liefern aufgrund einer Longlife-Lagertechnologie hohe Zuverlässigkeit mit etlichen tausend Betriebsstunden. Die optimale Abstimmung der Lüftergeometrie (Design der Flügelräder) sowie der Lüftermotoren auf die Kühlkörpergeometrie bewirkt ein Betriebsgeräusch der aktiven Komponente von unter 20 dB. Der sogenannte Selbstreinigungseffekt des Lüftermotors (Reverse Drehrichtung) bringt weitere Vorteile mit sich. Angezogene Staubpartikel, die sich im Ansaugkanal festsetzen können, werden durch eine kurzzeitige umgekehrte Drehrichtung beim Starten des Lüftermotors weitgehend weg geblasen, so dass eine reinigende Wirkung eintritt.

Bild 4: Die thermische Simulation liefert genaue Aussagen über die Luftströmung und Temperaturen.Fischer Elektronik

Die im Strangpressverfahren hergestellten Aluminium-Hohlkammerprofile liefern nicht nur eine gute Grundlage zur aktiven Entwärmung von LEDs, sondern sind im Vorfeld ebenfalls durch thermische Simulation in Sachen Wärmeableitung, Umströmung und Temperaturverhalten der LED auf den verwendeten Lüftermotor zugeschnitten (Bild 4).

Im Profil vorgesehene Materialaufdickungen ermöglichen eine schnelle und einfache Befestigung des Lüftermotors über dort eingebrachte Gewinde. Wahlweise lässt sich dieser auf das Rundprofil aufsetzen oder durch zusätzliche mechanische Nacharbeit in den Kühlkörper integrieren. Ebenfalls ist die Möglichkeit zur Montage eines Abdeckbleches mit Lüftungsschlitzen auf der Seite des Lüftermotors gegeben. Im Luftstrom gegenüberliegend sind Zhaga-konforme LED-Module mit einem Befestigungsabstand des LED-Halters von 35 mm direkt auf dem Kühlkörper zu verschrauben.

Eine optional dazugehörige Adapterplatte, die man mittels eines Außengewindes in das Strangprofil einschraubt, besitzt auf der Montageseite vielfache Gewindebohrungen als Befestigungsmöglichkeit für die meisten auf dem Markt erhältlichen LED-Module inklusive Haltersystem.

Applikationsbedingungen für das jeweilige Entwärmungskonzept wie Platzbedarf und Einsatzort, Gewichtsbeschränkungen, thermisch einzuhaltende Temperaturen sowie abzuführende Verlustleistungen sollten im Vorfeld eine genaue Prüfung durch den Anwender durchlaufen. Anhand der Resultate gilt es dann, zwischen passiver oder aktiver Entwärmung abzuwägen, mit allen dazugehörigen Vor- und Nachteilen.

(rao)