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Grundlagen Wärmemanagement einer LED und was zu beachten ist

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Will man die Verlustleistung an der LED genauer berechnen, sind zusätzliche im Herstellerdatenblatt genannte Korrekturfaktoren für die emittierende Lichtleistung und der anvisierten Helligkeitsgruppe abzuziehen. Sind die technischen Korrekturfaktoren im Datenblatt nicht spezifiziert, so kann mit einem Korrekturfaktor der emittierenden Lichtleistung von zwei bis drei Prozent ausgegangen werden. Zur Ermittlung der für die Applikation benötigten Kühlkörperlänge zu einem in Frage kommenden Querschnitt machen die Kühlkörperhersteller in ihren Katalogen oder im Internet Angaben zum thermischen Widerstand in Form von numerischen Werten, Diagrammen oder grafischen Darstellungen.

Die LED und wie sie am Kühlkörper befestigt wird

Die Befestigung der einzelnen LEDs erfolgt typischer Weise über ihr spezielles Haltersystem direkt auf dem Vollkern des Kühlkörpers. Die hierfür benötigten Gewinde, um den LED-Halter zu befestigen, werden durch eine CNC-technische Bearbeitung eingebracht. Alternativ stehen ebenfalls LED-Kühlkörper mit einem Zhaga-konformen, direkt im Kühlkörper integrierten, Lochbild zur LED-Befestigung zur Verfügung (Bild 2). Das angesprochene Lochbild ist für die gängigsten LED-Module und Größen inklusive ihrer Haltersystem angepasst und eignet sich entsprechend. Ist der Durchmesser des zu verbauenden LED-Moduls einmal größer als der Vollkern des LED-Kühlkörpers oder wird aufgrund der LED-Leistung ein nicht so großer Kühlkörper im Durchmesser benötigt, dann können spezielle Adapterplatten verwendet werden.

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Diese sind bzw. können exakt auf den benötigen Durchmesser angepasst werden und enthalten ebenfalls das bereits erwähnte Lochbild zur LED-Befestigung. Die Adapterplatte wird in den Vollkern des LED-Kühlkörpers verschraubt, wodurch eine sehr gute thermische Verbindung gegeben ist. In Summe ist es somit möglich, ein LED-Module mit beispielsweise einem Durchmesser von 50 mm auf einem LED-Kühlkörper mit einem Gesamtdurchmesser von 20 mm zu befestigen. Zur sicheren und wärmetechnischen Kontaktierung der LED auf dem Kühlkörper ist darauf zu achten, dass fertigungstechnische und profilspezifische Toleranzen, wie die Ebenheit und Rauheit der Kontaktierungsfläche, optimal ausgeglichen werden.

Schlechter Wärmeübergang reduziert Wärmeleitung

Eine schlechte Kontaktierung zwischen den beiden Komponenten hat direkten Einfluss auf den erzielten Wärmeübergangswiderstand. Ein schlechter Wärmeübergang wiederum reduziert deutlich die Wärmeleitung entlang des thermischen Pfades, wodurch folglich die LED-Temperaturen steigen. Ein optimaler Wärmeübergang ist somit bei jeder Applikation ein nicht zu vernachlässigender Faktor für eine gute thermische Funktionalität. Kleinste Wärmeübergangswiderstände sind durch den richtigen Einsatz verschiedener Wärmeleitmaterialien gegeben. Bei einer mechanischen Befestigung der LED mit Schrauben oder Haltersystemen, ist anzuraten, Phase-Change-Materialien, Kapton- oder anisotropen Grafitfolien zu verwenden.

Warum eine thermische Simulation notwendig ist

Für etliche LED-Applikationen wird kundenseitig eine Klebbefestigung der LED in Betracht gezogen. Mit Hilfe einer doppelseitig klebenden Wärmeleitfolie oder Zwei-komponentigen Epoxydharzklebern lassen sich kleine Unebenheiten gleichermaßen ausgleichen. Hierbei ist jedoch unbedingt darauf zu achten, dass die verwendeten Klebematerialien bei der LED keinen Schaden verursachen und keine flüchtigen organischen Verbindungen ausdünsten, welche sich auf der Linsenoberfläche niederschlagen und sie eintrüben. Das endgültige thermische Design sollte immer durch eine thermische Simulation inklusive der Kontaktmaterialien oder durch Prototypen qualifiziert und überprüft werden.

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* Jürgen Harpain arbeitet als Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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