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.

Eine gezielte Luftzuführung zum Kühlkörper

Da der Wärmeübergang vom Kühlkörper zu Luft der Hauptwiderstand bei der Energieabfuhr ist, kann man hier auch die größten Kühlreserven freisetzen. Wesentliches Merkmal der aktiven Kühlung ist die gezielte Luftzuführung zum Kühlkörper. Am Kühlkörper wird dafür eine erzwungen Konvektion oder genauer gesagt eine turbulente Strömung erzeugt, die den Wärmeübergang von der thermischen Masse des Kühlkörpers selbst zum Luftreservoir welches den Leuchtkörper umgibt, erheblich verbessert.

In der Regel arbeitet ein System wie folgt: Die kleine, hoch belastete LED wird mit Wärmeleitpaste an einen Kühlkörper befestigt. Dieser ist wegen der wesentlich geringeren thermischen Beständigkeit, die eine größere Wärmeübertragung von der LED in den Leuchtkörper ermöglicht, vier bis sechsmal kleiner und trägt den Lüfter, der für kalte Frischluft sorgt. Die Spezialisten für Elektronikkühlung von ebm-papst haben jetzt Kühlkörper und Lüfter zu einem Kompaktmodul für gängige LED-Kühllösung vereint, was die Montage erleichtert (Bild 3). Die kleinere Bauform spart neben Material auch Gewicht und der gezielte Luftstrom sorgt zusätzlich noch dafür, dass Ablagerungen wie Staub, die den Wärmeübergang verschlechtern können, erst gar nicht anhaftet.

Kleinere Abmessungen zu einer passiven Kühlung

Setzt man die Anforderungen um, die die moderne Beleuchtungstechnik von LED-Leuchten fordert und optimiert das so gefundene Konzept über Simulationsprogramme mit materialspezifischen, aerodynamischen und antriebsspezifischen Details, so lassen sich selbst auf kleinstem Raum effiziente, zuverlässige Kühlmodule aufbauen. Die rund sechsmal kleineren Abmessungen im Vergleich zu einer passiven Kühlung sprechen schon für sich.

Wichtige Voraussetzungen für den Einsatz einer aktiven Kühlung sind niedrige Betriebsgeräusche und eine lange Lebensdauer. Die meisten Menschen können Geräusche erst ab etwa 12 dB(A) wahrnehmen, die eingesetzten Lüfter erreichen Werte zwischen 7 und 19 dB(A), während vergleichbare Lüfter am Markt erst ab 18 dB(A) und aufwärts erhältlich sind. Zum Vergleich: der Geräuschpegel in einem Büro liegt bei ca. 35 dB(A), die Module sind also selbst in Museen oder Theatern nicht hörbar.

Der Stromverbrauch des Lüfters beträgt dabei zwischen 0,18 und 1,1 W bei 12 VDC. Damit können die Module zwischen 38 und 200 W Abwärme sicher abführen. Je nach Leistungsklasse haben die runden und quadratischen axialen Kompaktlüfter einen Durchmesser bzw. eine Seitenlänge von 40, 50, 60, 80 oder 92 bzw. 119 mm bei einer Bauhöhe zwischen 10 und 25 mm (Bild 5). Bei Radiallüftern, mit einer Luftumlenkung um 90°, betragen die Maße 51, 76 oder 97 mm bei einer Höhe von 15 bis 33 mm. Gegenüber in der Kühlleistung vergleichbaren passiven Kühllösungen, sind damit 50 bis 100 Prozent höhere Leuchtstärken bei gleicher Baugröße möglich. Ein sehr positiver Nutzen der gezielten aktiven Kühlung ist die mit der niedrigen Temperatur einhergehende Farbtreue der LED-Reihe.

Ein hoher Farbwiedergabeindex in Museen

Gerade in Museen ist eine hoher Farbwiedergabeindex (CRI) wesentlich, um die erhellten Gegenstände im richtigen Licht zu sehen. Da die Kühlmodule für den weltweiten wartungsfreien Einsatz entwickelt wurden, ist ihre Lebensdauer denen der CoB-Lichtquellen angepasst. Bei 40 °C liegt der Wert bei 88.000 bis 200.000 h, also rund >20 Jahren; bei 20 °C Umgebungstemperatur verdoppelt sich die Lebensdauer und übertrifft damit oft weit die der LED selbst. Die Greentech-Technologie von ebm-papst berücksichtigt zusätzlich ein umweltfreundliches und umfassendes Lebensdauerkonzept für die Entwicklung, Fertigung, Betrieb und Entsorgung.

Moderne Kompaktmodule für die aktive LED-Kühlung erlauben dank kleiner Maße neue Leuchtkonzepte, verkürzen durch die chipspezifische Module/Bauformen Time-to-Market für die Kunden und verbessern die Umweltbilanz der eingesetzten Beleuchtungskonzepte aufgrund des geringen Wartungsaufwandes.

* Martin Sauter ist Team Manager Sales Industrial Air Technology bei ebm-papst in St. Georgen.

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