Wärmemanagement bei LEDs

Bild 1: Das LED-Modul LMR4 von Cree ist ein gutes Beispiel für Wärmemanagement. Mit bis zu 1000 Lumen (bei etwa 16 W) liefert es mehr Lichtstrom als 26-W-Energiesparlampen und 100-W-Glühlampen. Es enthält neben der Treiberelektronik und der Optik auch dasCree

Eine LED ist ein Lumineszenzstrahler, bei dem elektrischer Strom direkt durch einen Halbleiter in Licht umgewandelt wird. Durch diesen Vorgang verbrauchen LEDs für die gleiche Lichtausbeute viel weniger Energie, als herkömmliche Glühmittel. Sie sind sehr unempfindlich gegen Erschütterungen, erreichen hohe Schaltleistungen und haben bei einem ordentlichen Wärmemanagement eine sehr hohe Lebensdauer. Die winzige Leuchtdiode bietet zusätzlich den Vorteil des geringen Platzbedarfs. Doch gerade bei Hochleistungs-LEDs entsteht durch den Stromfluss im Halbleiter Wärme, die bei Betrieb der LED von verschiedenen Komponenten im Lighting-System abgeleitet und an die Umgebungsluft abgegeben werden muss. Doch warum entstehen in LED-Leuchten eigentlich so hohe Temperaturen? Das hat vor allem mit der sehr kleinen Fläche zu tun, auf der die LEDs agieren. LEDs sind effizienter als herkömmliche Leuchtmittel, jedoch wird bei der LED auch nicht der gesamte Strom in Licht umgewandelt. Ein Teil der Energie wird immer in Wärme transformiert. Ohne diese überschüssige Wärme aus dem Strom, würde die LED an sich allerdings fast gar keine Wärme abgeben. Doch leider gilt: Je mehr Strom desto mehr Wärme, deswegen müssen gerade High-Power LEDs gekühlt werden.

Kühlkörper oder Wärmeableiter?

Diese Verlustwärme entsteht vor allem an der Rückseite der LED. Dies kann besonders einfach durch eine künstliche Oberflächenvergrößerung der LED-Montagekontaktzone abgeleitet werden, dies kann zum Beispiel über eine Kühlrippe geschehen. Je weniger thermische Kontaktflächen innerhalb einer LED existieren, desto geringer ist der Wärmewiderstand. Man kann beispielsweise auch die Leiterplatte weglassen und die LED direkt auf den Kühlkörper löten. Für die Stromversorgung nimmt man dann spritzgegossene Schaltungsträger, die höhere Stromstärken und eine höhere Lichtausbeute durch höheren Treiberstrom bei gleichbleibender Sperrschichttemperatur ermöglichen. Die Lebensdauer einer LED hängt also direkt vom Wärmemanagement ab, starke Temperaturschwankungen verkürzen das Leben der LED erheblich, außerdem hat eine Überschreitung der zulässigen Chiptemperatur einen direkten Einfluss auf die Lichtausbeute (Bild 2).

Bild 2: Schon der Anstieg von wenigen °C kann die Lebensdauer einer LED um bis zu 50 % herabsetzen.Cree

Die Temperatur in der LED hat also direkten Einfluss auf die elektrischen, optischen und qualitativen Eigenschaften sowie auf die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Leuchtmittels. Hierbei ist es ganz wichtig, die Datenblätter der Hersteller zu beachten und dabei zu berücksichtigen, dass hier oft von Umgebungstemperaturen von 23 °C bis 25 °C ausgegangen wird. In den meisten Festkörperbeleuchtungsanwendungen scheidet eine aktive Luftkühlung aus Platz- und Geräuschgründen aus, deshalb müssen Alternativen her. Da sind Wärmeableiter Mittel der Wahl, damit LED-Module immer unterhalb des kritischen Temperaturbereichs arbeiten.

Möglichkeiten der Entwärmung sind:

• Über das Leuchtengehäuse selber (zum Beispiel durch den Einsatz von Aluminium),

• über die Leiterplatte,

• mittels eines Kühlkörpers (aktive Entwärmung mit einem Ventilator),

• mittels Einsatz einer Kühlrippe.

Parallel zur Entwicklung immer leistungsstärkeren LEDs, wird auch das thermische Management immer effizienter, platzsparender und leiser. Es steht zu erwarten, dass sich die LED innerhalb weniger Jahre zum massentauglichen Leuchtmittel entwickeln und andere Glühmittel in allen Lebensbereichen völlig ablösen werden.

Eine perfekte Lighting-Lösung

Um eine erstklassige Lighting-Lösung zu installieren, müssen Hersteller und Distributoren ihr Fachwissen bündeln und eng zusammen arbeiten. Genau das tut die MSC Vertriebs GmbH gemeinsam mit dem Hersteller Cree, der ein führender Anbieter von LED-Beleuchtungslösungen ist. Cree hat speziell für das thermische Management ihrer LEDs ein „Product Charakterizing Tool“ (PCT) entwickelt, das von den LED-Kompetenzcentern bei MSC zur Beratung der Kunden für Lighting-Lösungen zum Einsatz kommt. Diese Software simuliert den Lichtstrom und die elektrischen und thermischen Werte der XLamp-LEDs.

Cree hat hiermit ein interaktives Design-Tool entwickelt, das die Umsetzung der LED-Leistung in reale Bedingungen vereinfacht. Das Online-Tool ist unter www.cree.com zu finden, hier können, nach einer kurzen Registrierung, Anwender jede XLamp unter verschiedenen Betriebsbedingungen testen. Es werden Werte wie Stromzufuhr, Sperrschichttemperatur, Lumen pro Watt, Vorwärtsspannung und vieles mehr berücksichtigt. 

(jj)