Die richtige Befestigung und Einbaulage festlegen

Aktive Kühlung für LEDs mit Lüftermotor

Aktive Kühlung für LEDs mit Lüftermotor. Fischer Elektronik

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.

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