Grundlagen Wärmemanagement einer LED und was zu beachten ist

| Autor / Redakteur: Jürgen Harpain * / Hendrik Härter

Grundlagen des Wärmemanagements: Wer LED-Leuchten entwickelt, sollte unbedingt auf die richtige Abwärme achten.
Grundlagen des Wärmemanagements: Wer LED-Leuchten entwickelt, sollte unbedingt auf die richtige Abwärme achten. (Bild: ©skatzenberger - stock.adobe.com)

Bei einer LED werden ungefähr 35 Prozent der eingesetzten Energie in Lichtleistung umgesetzt, der Rest ist Verlustwärme. Das zeigt, Wärmemanagement sollte nicht vernachlässigt werden.

Das elektrische Licht ist seit seiner geschichtlichen Entwicklung vor ungefähr 150 Jahren ein elementarer Bestandteil in unserem Alltag. Die im Vergleich junge LED-Beleuchtung hat in den letzten zwölf bis 15 Jahren den Beleuchtungsmarkt verändert. Mittlerweile ist sie nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken und eine echte Konkurrenz bzw. ein Ersatz von konventionellen Leuchtmitteln.

Kurz gesagt: Licht mit der LED verbessert die Lichtqualität und den Komfort des Sehens. In verschiedenen Studien wurde nachgewiesen, dass sich Wohlbefinden und die Gesundheit gesteigert haben. Was aber macht ein gutes LED Licht bzw. eine gute Beleuchtung mit LEDs aus? Die Qualität einer LED-Beleuchtung oder des gesamten LED-Systems wird nicht nur vom Halbleiter LED bestimmt.

Gutes Licht enthält mehrere Faktoren: Neben der Stromversorgung, der Optik zur Bündelung oder Streuung des Lichtes oder dem Treiber mit Elektronik, ist das Wärmemanagement ein wichtiger Faktor. Obwohl LEDs zur Gruppe der Lumineszenzstrahler (kalter Strahler) gehören, genauer zu den Elektrolumineszenzstrahlern, bedeutet das nicht, dass LEDs nicht warm, auch heiß werden, und keine weitere Entwärmung benötigen. Nach dem heutigen Stand der Technik werden ungefähr 35 Prozent der aufgebrachten elektrischen Energie in Lichtleistung umgewandelt. Die verbleibende Restenergiemenge erzeugt in Analogie zu anderen Halbleiterbauelementen eine Verlustwärme, welche von der LED aufgenommen und an die Umgebung abgegeben werden muss.

Die Vorteile der passiven Entwärmung von LEDs

Wie bei anderen elektronischen Komponenten hat der Temperaturhaushalt bei einer LED direkten Einfluss auf ihre Lebensdauer. Auswirkungen hat das auch für die Lichtausbeute sowie -qualität. Die entstehende Verlustwärme lässt sich mit passiver Konvektion über spezielle LED-Kühlkörper abführen. Die für die Entwärmung entwickelten meist runden LED-Kühlkörper werden nicht nur aufgrund ihres Wirkprinzips der freien, geräuschlosen Konvektion eingesetzt. Die unterschiedlichen und effizienten Kühlkörper-Geometrien aus Aluminium werden im Strangpressverfahren hergestellt und liefern ein optimales Verhältnis von spezifischer Wärmeleitfähigkeit, Gewicht, Preis und mechanischer Festigkeit.

Es ist möglich, LEDs mit jedem anderem beliebigen rechteckigen Kühlkörper zu entwärmen, nur ergeben runde Ausführungen bei der typischen Einbausituation einen Vorteil. Am Beispiel eines Spot Light scheint das Licht der LED meist zum Boden. Auf der Rückseite ist oft ein passender, runder Kühlkörper wärmetechnisch mit der LED verbunden. Der natürliche Konvektionsauftrieb kann bei runden Ausführungen ungehindert zwischen den Rippen nach oben entweichen (Bild 1).

Ein weiterer Vorteil ist der massive Vollkern zur Aufnahme der LED. Über eine zusätzliche CNC-Bearbeitung lassen sich einzelne oder komplette LED-Module inklusive Halter und Reflektor direkt in den Kühlkörper integrieren. Somit wird das thermische Management bei der Leuchtdiode zu einem integralen Bestandteil des Leuchtendesigns und der Kühlkörper ändert sein Erscheinungsbild von einem Industrieteil zu einem Designelement. Zudem gibt es ganz unterschiedliche Oberflächen für die Kühlkörper. Dazu gehören eloxiert, lackiert oder pulverbeschichtet, aber auch mechanisch bearbeitete Strukturen sind möglich wie durch schleifen und glasperlenstrahlen, die für ein kundenspezifisches Design der Leuchte verwendet werden.

Den thermischen Widerstand der LED berechnen

Vielzählige Sternkühlkörper sind in ihren technischen Eigenschaften und Abmessungen jeweils auf verschiedene LED-Formen und Größen angepasst. Einen passenden Kühlkörpertyp an die Vorgaben und Bedingungen kundenspezifisch zu modifizieren, ist keine Seltenheit, sondern ist eher die Regel und wird kundenseitig mehr denn je gefordert. Die unterschiedlichen auf dem Markt erhältlichen Möglichkeiten zur LED-Entwärmung machen es dem Anwender bei einer geeigneten Kühlkörperauswahl allerdings nicht immer ganz einfach. Zur Eingrenzung der in Frage kommenden Kühlkörperlösungen empfiehlt es sich neben den in der Applikation zulässigen Abmessungen, ebenfalls die thermischen Sachverhalte bzw. Gegebenheiten zu analysieren.

Mit einer Überschlagsrechnung lässt sich der thermische Widerstand berechnen. Der thermische Widerstand in der Einheit Kelvin pro Watt, auch Wärmewiderstand genannt, ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit. Mit anderen Worten: Je kleiner der errechnete Wert, desto besser leitet der Kühlkörper die aufgenommene Wärme des Bauteils ab. In Analogie zum ohmschen Gesetz erfolgt die Berechnung aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen LED-Chiptemperatur und der Umgebungstemperatur. Gemäß dem zweiten Hauptgesetz der Thermodynamik wird die Temperaturdifferenz durch die maximal abzuführende Verlustleistung der LED mit PV = VF * IF dividiert.

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