Thermomaterialien Das thermische Management bei einer LED-Beleuchtung

Autor / Redakteur: Nico Bruijnis * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Das Wärmemanagement bei LED-Leuchten spielt für Entwickler eine essentielle Rolle. Auf dem Markt gibt es verschiedene Materialien, die das Wärmeverhalten des Systems beeinflussen.

Firma zum Thema

Wärmemanagement bei der LED: Für Entwickler gibt es unterschiedliche Materialien, um überschüssige Wärme aus dem Leuchtensystem abzuleiten.
Wärmemanagement bei der LED: Für Entwickler gibt es unterschiedliche Materialien, um überschüssige Wärme aus dem Leuchtensystem abzuleiten.
(Bild: Henkel)

Im Vergleich zu Glühlampen bietet die LED-Beleuchtungstechnik einen großen Vorteil: sie ist Energieeffizient. Eine LED spart Energie und hat eine im Vergleich zur klassischen Glühlampe längere Lebensdauer. Zwei Kriterien, weshalb sie die erste Wahl für die Beleuchtung ist. Weniger elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt und die Lichtausbeute (Lumen je Watt) steigt. Trotzdem entsteht bei einer LED Wärme, welche die Emitter zerstören. Aus diesem Grund ist effizientes Wärmemanagement äußerst wichtig, um eine optimale Lichtausbeute, Farbe und Lebensdauer sicherzustellen.

Bildergalerie

Eine LED hat eine Lebenserwartung von 50.000 Stunden oder länger, bevor die Helligkeit nachlässt. Allerdings ist die Lebenserwartung abhängig von der Betriebstemperatur. Generell gilt: je niedriger die Temperatur, desto länger ist die Lebensdauer der Leuchtdiode. Praktisch können die Entwickler die Betriebstemperatur gegen andere Faktoren wie Ansteuerstrom, Anzahl der LED sowie Kosten des Wärmemanagements abwägen und sorgen dafür, dass die Leuchte eine für die gegebene Anwendung akzeptable Lebensdauer hat. Ein effizientes Design mit geringem Wärmewiderstand zwischen dem Chip und der Umgebung erlaubt den Einsatz eines kleineren Kühlkörpers. Das ist ein wesentlicher Punkt, damit die LED-Lampen mit etablierten Formfaktoren der Beleuchtungsindustrie konform sind. Beispielsweise mit den Sockeltypen PAR, MR oder GU.

Ergänzendes zum Thema
Von Lichtstrom und Wärme bei der LED

Eine LED wird auch als kalter Strahler bezeichnet. Trotzdem wird nicht die gesamte elektrische Energie in Lichtleistung (Lichtstrom) umgewandelt. Es gilt die Aussage: Je höher der geforderte Lichtstrom, desto mehr Wärme entsteht. Die Lebensdauer einer LED hängt stark vom eingesetzten Wärmemanagement ab.

Wird zudem die zulässige Chiptemperatur überschritten, dann hat das direkten Einfluss auf die Lichtausbeute.

Zudem sollten LED-Leuchtenentwickler beachten, dass eine LED nicht plötzlich ausfällt, sondern der Lichtstrom über die Zeit abnimmt. Das hat verschiedene Ursachen. Zu den beeinflussenden Faktoren gehören beispielsweise mechanische Einwirkungen, der Stromverbrauch, das Licht selbst, Feuchtigkeit, Chemikalien und Temperaturen.

Wird eine LED fachgerecht angesteuert und ausreichend gekühlt, kommt es nicht zu den plötzlich auftretenden katastrophalen Ausfällen, wie sie bei Glühlampen typisch sind. Stattdessen weisen sie über die Zeit eine ständige Degradation der Lichtabgabe auf. Infolge dieses Lampenlichtstromerhalts wird die Lebensdauer der LED häufig als die L70-Zeit angegeben, also die Zeitspanne, bis zu welcher der Ausgangslichtstrom auf 70 Prozent seines ursprünglichen Werts als neue LED abgefallen ist.

Thermisches Verhalten und Performance der LED

Eine gleichbleibende Beleuchtung lässt sich mit einer LED nur dann garantieren, wenn das Wärmesystem die Chip-Temperatur während des gesamten Dauerbetriebs stabil hält. Steigt die Temperatur, dann erhöht sich auch die Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts. Besonders bei weißem Licht sollte die Farbe gleichbleibend bleiben. Das menschliche Auge kann selbst sehr kleine Unterschiede in der Farbtemperatur unterscheiden. Werden die LEDs in einer Matrixanordnung bestückt, dann ist ein gleichbleibender Wärmewiderstand von einem Chip zum nächsten wichtig, damit die Lampe eine konstante Farbe beibehalten kann.

Das thermische Verhalten beeinflusst darüber hinaus den Lichtstrom. Je besser die Wärmeabfuhr bei einer LED funktioniert, umso höher kann der Durchlassstrom bei einer gegebenen Temperatur sein. Damit erhöht sich auch die Lichtabgabe. Auf diese Weise erhalten Entwickler zusätzliche Flexibilität. Andererseits lassen sich weniger LEDs mit einem hohen Strom ansteuern, um einen vorgegebenen Beleuchtungsstandard zu erreichen. Entwickler benötigen weniger Platz auf der Platine und die Materialkosten sinken. Verwendet man mehr LEDs auf einem Chip, die bei einem niedrigeren Strom arbeiten und einen vergleichbaren Lichtstrom bei niedrigerer Chiptemperatur generieren, lässt sich die Lebensdauer der LED-Lampe zu steigern.

(ID:44173898)