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Kompakte Hochleistungs-LEDs gezielt aktiv kühlen

| Autor / Redakteur: Martin Sauter* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Leuchten mit Hochleistungs-LEDs für Gewerbe und Industrie bieten kompakte Bauformen und eine hohe Leuchtdichte bei weniger Energieverbrauch. Die Abwärme wird gezielt mit aktiver Kühlung abgeführt.

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Hochleistungs-LED: Im Stadion beispielsweise bieten kompakte Hochleistungs-LEDs eine hohe Leuchtdichte. Allerdings ist es wichtig, dass die Wärme abgeführt wird. Hier bietet sich die Aktivkühlung an.
Hochleistungs-LED: Im Stadion beispielsweise bieten kompakte Hochleistungs-LEDs eine hohe Leuchtdichte. Allerdings ist es wichtig, dass die Wärme abgeführt wird. Hier bietet sich die Aktivkühlung an.
(Bild: ©Sergey Nivens - stock.adobe.com)

Beleuchtungseinrichtungen für den Einsatz in Gewerbe und Industrie müssen hohe Anforderungen an Langlebigkeit und Zuverlässigkeit erfüllen. Dazu zählen beispielsweise Lebensdauer, Effizienz, Farbspektrum und Farbtreue als auch kompakte Bauform und Wartungsfreiheit. In den meisten Fällen punkten deshalb Lampen und Leuchten mit langlebigen LED-Modulen in unterschiedlichen Leistungsklassen. Eine hohe Leuchtdichte erlaubt eine gezielte Lichtführung bei insgesamt niedrigem Stromverbrauch.

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Wie bei jedem Halbleiter muss aber die Abwärme effizient abgeführt werden, denn diese führt trotz hohem Wirkungsgrad auf der kleinen LED-Chipfläche schnell zu schädlich hohen Temperaturen. Moderne Kühllösungen mit aktiver Belüftung durch spezielle LED-Kühlmodule als Ersatz für passive Kühlkörper erlauben nun eine gezielte Wärmeabfuhr bei geringeren Abmessungen und weniger Materialeinsatz als bisher. So können einerseits völlig neue Designvarianten realisiert und andererseits die Wartung auch komplexer Beleuchtungsanlagen, wie in Museen, Theatern, Kultstätten, Lagerhallen, Straßenlampen oder Stadien, auf ein Minimum reduziert werden.

Die Aktivkühlung öffnet damit neue Möglichkeiten für die effiziente LED-Lichttechnik. Das richtige Licht bestimmt maßgeblich, wie wir die Welt wahrnehmen. Nicht umsonst gibt es den Beruf des Beleuchters, der Dinge „ins richtige Licht setzt“. Doch bei der Wahl der richtigen Leuchtmittel wird es auch für Fachleute oft schwierig.

Idealerweise ist ein Leuchtmittel universell einsetzbar, benötigt dabei wenig Platz und Strom. CoB-Leuchten erfüllen eine ganze Palette der einschlägigen Forderungen. Ihr Halbleiterchip muss aber gezielt gekühlt werden, um Lebensdauer und Farbtreue zu erhalten. Der Kühlspezialist ebm-papst hat daher speziell für die marktüblichen Bauformen der neuen, leistungsstarken LEDs eine Serie aktiver Kompaktkühlung entwickelt, die den Anforderungen der CoBs entspricht. Sie spart Platz und erlaubt völlig neue Beleuchtungsmöglichkeiten.

Abwärme und hohe Leistungsdichte bei der LED

Geht man bei CoB-Leuchtmitteln ins Detail, so ergeben sich schnell Probleme (Bild 1). Als Halbleiter darf ein LED-Chip nur bis zu einer vorgegebenen Sperrschicht-Temperatur betrieben werden. Steigt die Temperatur darüber, macht LED in kürzester Zeit Probleme. Dazu gehört zum Beispiel die Verschlechterung des CRI (Color Rendering Index = Farbwiedergabeindex), der Effizienz und vor allem einer Verkürzung der Lebensdauer. Doch auch schon bei niedrigeren Temperaturen altert das Material schnell, die Leuchtdichte und Effizienz sinken, das Farbspektrum verschiebt sich – kurz, die nutzbare Lebensdauer sinkt.

Trotz hohem Wirkungsgrad sind die Abwärme der LED-Flächen und die hohe Leistungsdichte der LED-Lichtquelle beachtlich. Die Wärmemenge muss gezielt abgeführt werden, entweder durch konventionelle, aber oft überdimensionale passive Kühlung oder über gezielte aktive Wärmeabfuhr (Kastentext). Grundsätzlich ist dabei Folgendes zu berücksichtigen: Energie (Wärme) fließt immer von heiß nach kalt.

Bei Kühllösungen zählt der Gesamtwärmewiderstand, also die Summe der einzelnen Wärmeübergänge. Hier zeigt sich dann schon ein wesentlicher Unterschied zwischen passivem und aktivem Kühlkonzept: Der sogenannte Kühlungsweg von LED-Chip, Träger, Kühlkörper und Luft ist zwar immer gleich, der Materialeinsatz für die gleiche Entwärmeleistung variiert jedoch stark. Denn je mehr Material benötigt wird, desto größer ist der benötigte Kühlkörper.

Kleinere LEDs bei gleicher Leistung und passiver Kühlung ergeben noch keine kleineren Leuchten, denn sie benötigen große Kühlkörper, da der Wärmeübergang zur Luft der begrenzende Faktor für den Wärmetransfer ist. Passiv gekühlte LEDs benötigen daher einen hohen Materialeinsatz und sind also meist weder kompakt noch umweltschonend. Hier können Aktiv-Kühlkonzepte gleich mit mehreren Vorteilen aufwarten.

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