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Das Wärmemanagement einer Sekundäroptik von Weißlicht-LEDs

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der Sekundäroptik bei einer Weißlicht-LED kam bisher nur eine unzureichende Aufmerksamkeit zuteil. Fraunhofer-Forscher haben eine Methode entwickelt, um das exakte Temperaturprofil von Sekundäroptiken zu messen.

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Die Infrarot-Thermografie erlaubt Aussagen über die Temperaturverteilung innerhalb einer Sekundäroptik. Das Bild zeigt den Querschnitt einer LED.
Die Infrarot-Thermografie erlaubt Aussagen über die Temperaturverteilung innerhalb einer Sekundäroptik. Das Bild zeigt den Querschnitt einer LED.
(Bild: Fraunhofer AWZ Soest)

Ein optimiertes Wärmemanagement beeinflusst Leistung und Lebensdauer von Weißlicht-LEDs. Allerdings wird die Temperaturstabilität für die Sekundäroptik oft vernachlässigt. Solch eine Optik sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Lichts. Schlussendlich kann es zum Totalausfall der Optik kommen.

Das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Anorganische Leuchtstoffe hat über Infrarot-Thermografie einen Ansatz entwickelt, mit dem sich die Erwärmung von sekundären LED-Optiken bewerten lässt. So können Ausfallrisiken minimiert und die Lebensdauer von Leuchtstoffen verbessert werden. In Weißlicht-LEDs erzeugt ein blauer LED-Chip mit einem in der Regel pulverförmigen, gelb emittierenden Leuchtstoff weißes Licht. Eingebettet ist der Chip in einem transparenten Kunststoff, meist Silikon. Neben seiner Funktion als Material zum einbetten des LED-Chips und Leuchtstoffs lenkt der Kunststoff das Licht. Damit das Licht präzise und individuell gelenkt wird, kommt zusätzlich eine sekundäre Optik zum Einsatz.

Das Wärmemanagement bei einer LED

Dem Wärmemanagement kommt eine wichtige Rolle zuteil, damit LEDs die optimale Lichtleistung und die gewünschte Lebensdauer erreichen. Die im Bauteil entstehende Wärme muss möglichst gut abgeleitet werden, alle eingesetzten Materialien müssen den entstehenden Betriebstemperaturen standhalten.

Bei der Temperaturstabilität der LED-Chips sowie der direkt mit ihr verbundenen Primäroptik wurden in den vergangenen Jahren große Fortschritte erzielt, sodass sich Weißlicht-LEDs nun auch bei deutlich höheren Betriebstemperaturen einsetzen lassen. Untersuchungen des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Anorganische Leuchtstoffe in Soest zeigen allerdings: Die höheren Temperaturen können Auswirkungen auf die Sekundäroptik haben, die beim Wärmemanagement oft vernachlässigt wird.

Eine Sekundäroptik und die Temperatur

Besonders kritisch ist das, wenn die Sekundäroptik aus Kunststoff besteht, was wegen der Kosten- und Gewichtsvorteile gegenüber Glasoptiken häufig der Fall ist. Die Wärmeformbeständigkeit der üblicherweise bei einer Sekundäroptik verwendeten Materialien wie Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC) liegen bei Temperaturen von 95 und 122 °C.

„Falls die Sekundäroptik über einen längeren Zeitraum oberhalb der Temperaturen betrieben wird, ändern sich ihre optischen Eigenschaften. Im schlimmsten Fall ist sogar eine Verformung vorstellbar, was einem Totalausfall der Funktionalität der Optik entspricht – obwohl die Temperaturgrenzen für alle anderen Bauelemente weiterhin eingehalten werden“, erklärt Dr. Peter Nolte, Teamleiter für Zuverlässigkeit von Leuchtstoffen am Fraunhofer AWZ.

Sein Team hat eine Methode entwickelt, um das exakte Temperaturprofil von Sekundäroptiken zu messen. Die Optiken werden bei maximal zulässiger Leistung und Temperatur der LED in Kombination mit einem Hochleistungs-LED-Modul kontaktlos über Infrarot-Thermografie analysiert und bewertet. Messungen am Beispiel von PMMA und PC zeigten, dass sich mit diesem Verfahren insbesondere die Temperatur an der inneren Oberfläche genau bestimmen lässt. So werden Aussagen darüber möglich, welche Materialien für welche Betriebstemperaturen geeignet sind.

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