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Wärmemanagement bei einer LED Eine aktive oder passive Kühlung bei einer LED

| Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für einen LED-Leuchten-Designer spielt neben Stromversorgung und Optik das Wärmemanagement eine entscheidende Rolle. Doch wann ist eine aktive oder passive Kühlung vorzuziehen?

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Bild 1: Designorientierte LED-Sternkühlkörper sind 
speziell auf die thermischen Erfordernisse ​
und mechanischen Abmessungen der LED angepasst.
Bild 1: Designorientierte LED-Sternkühlkörper sind 
speziell auf die thermischen Erfordernisse ​
und mechanischen Abmessungen der LED angepasst.
( Fischer Elektronik)

Die LEDs haben sich mittlerweile in der Beleuchtung für das alltägliche Leben etabliert und sind sowohl im Innen- als auch im Außenbereich nicht mehr wegzudenken. Die etablierten Glühlampen sind seit dem europäischen Verbot immer mehr aus vielen Beleuchtungsapplikationen verdrängt und durch LEDs ersetzt worden. Als Begründung seien genannt: Wirtschaftlichkeit, Lebensdauer, Lichtleistung und -qualität sowie Farbtemperatur und die Wiedergabeeigenschaften oder kurz CRI. Auch in puncto Einbaugröße, Gestaltungs- und Designmöglichkeiten bietet die Halbleiterdiode Vorteile.

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Die LED und ihr emittiertes Licht ist ein Teil oder eher das Ergebnis mehrerer Funktionsbausteine. Dazu gehören nicht nur die eigentliche LED: Das System Beleuchtung mit LED besteht zudem noch aus der verwendeten Stromversorgung, Optik, Treiberelektronik und schließlich dem thermischen Management. Vor allem das Wärmemanagement sollte man gut planen, da hohe Ströme zwar im Verhältnis zur LED große Lichtleistungen bewirken, aber auch gleichzeitig höhere LED-Chip-Temperaturen verursachen.

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Wärmewiderstand und Kühlkörper

Der Wärmewiderstand liefert eine Aussage über die benötigte Kühlkörpergröße, -geometrie und -länge. Gemäß physikalischer Definition ist der Wärmewiderstand, auch thermischer Widerstand genannt, ein Widerstand gegen den Wärmefluss in festen, flüssigen und gasförmigen Medien. Er ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit: Je kleiner der Wert ist, desto besser leitet ein Bauteil oder Kühlkörper die Wärme ab. Die Einheit wird in Kelvin pro Watt [K/W] angegeben. Dieser berechnet sich nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik aus einer Temperaturdifferenz, durch welche die abzuführende Verlustleistung dividiert wird. Mit dem Wärmewiderstand und weiterer Randbedingungen lässt sich eine Auswahl des Kühlkörpers anhand der in den Katalogen der Kühlkörperhersteller gemachten numerischen Angaben, Diagrammen oder graphischen Darstellungen treffen. [Mehr Infos: http://goo.gl/kPBMlf]

Je länger die LED sich als Leuchtmittel im Einsatz befindet, desto größer ist ihr wirtschaftlicher und ökologischer Vorteil. Leuchtdioden fallen in der Regel nicht plötzlich aus, sondern werden mit der Zeit von ihrer Lichtleistung schwächer. Dieser Vorgang wird als Degradation bezeichnet. Der geringe Lichtstromrückgang führt dennoch dazu, dass die LED in vielen technischen Applikationen, länger als herkömmliche Leuchtmittel, über die Betriebsdauer wartungsfrei im Einsatz bleiben kann.

Zu den beeinflussenden Faktoren der LED-Lebensdauer gehören unter anderem mechanische Einwirkungen, der Stromverbrauch, das Licht selbst, Feuchtigkeit, Chemikalien und Temperaturen. Die Lebensdauer einer LED ist direkt abhängig von deren Temperaturhaushalt. Eine Überschreitung der maximal zulässigen Temperaturbereiche verkürzt die Lebensdauer einer LED drastisch, wodurch ein wirkungsvolles und effizientes thermisches Management unabdingbar wird.

Wärmemanagement der LED in Theorie und Praxis

Leider wird die LED oft als ein sogenannter Kalter Strahler bezeichnet. Dem Anwender assoziiert der Begriff, dass keine weitere Wärme entsteht beziehungsweise keine zusätzliche Entwärmung notwendig ist. Tatsächlich werden allerdings nur 35 Prozent der aufgebrachten elektrischen Energie in sichtbares Licht umgewandelt oder anders gesagt, 65 Prozent der Energiemenge entwickelt in Analogie zu anderen Halbleiterbauelementen eine Verlustwärme, welche wie bereits erwähnt die LED-Lebensdauer stark beeinflusst.

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Originalbeitrag als ePaper oder im pdf-Format lesen

Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft LED- und OLED-Beleuchtungstechnik I erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Eine äußerst effektive Art und Weise der Entwärmung liefern speziell auf die technischen Parameter und Abmessungen abgestimmte, runde LED-Sternkühlkörper. Die aus Aluminium bestehenden Kühlkörpergeometrien werden im Strangpressverfahren hergestellt und verfügen über ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit, in Relation zum Wärmeableitvermögen. Die besonderen LED-Kühlkörper besitzen ebenfalls zur LED-Aufnahme einen massiven Aluminiumkern, der mit einer Schraub- oder Klebbefestigung fixiert wird.

Damit lässt sich eine schnelle Wärmeaufnahme sowie Wärmeverteilung in die Kühlrippen gewährleisten. Ein LED-System, also einzelne LED-Module inklusive ihrem dazugehörigen Haltersystem und Optik, lassen sich einfach mit Hilfe einer mechanischen CNC-Nachbearbeitung in die Wärmesenke integrieren (Bild 1). Die so entstehenden, thermisch und mechanisch opitmal auf die Applikation angepassten LED-Kühlkörper, managen die Temperatur und dienen gleichzeitig als Designelement, da der Kühlkörper oftmals nach außen hin ein integralen Bestandteil des Leuchtendesigns darstellt.

Darüber hinaus ist allerdings für viele Anwender ein weiterer Vorteil von entscheidender Bedeutung. Die natürliche Konvektion, hervorgerufen durch Dichteunterschiede sowie dem statischen Auftrieb, ist absolut geräuschlos und somit prädestiniert für Anwendungen, wo keine Geräuschentwicklung erwünscht wird. Das können beispielsweise Designleuchten oder auch Beleuchtungen in Museen und Konzertsälen sein.

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