Wärmemanagement bei einer LED Warum der Temperaturhaushalt einer LED wichtig ist

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

Der Kühlkörper ist für eine LED entscheidend, denn von der zuge-führten Energie werden ungefähr 65 Prozent in Wärme umgewandelt. In unserem Beitrag zeigen wir, worauf zu achten ist.

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Bild 1: Jeweils auf die Applikation angepasste LED-Kühlkörper liefern ein effizientes thermisches Management sowie LEDs mit langer Lebensdauer.
Bild 1: Jeweils auf die Applikation angepasste LED-Kühlkörper liefern ein effizientes thermisches Management sowie LEDs mit langer Lebensdauer.
(Fischer Elektronik)

Verschiedenartige LED-Typen und -Bauformen mit unterschiedlichen Leistungsklassen sowie Lichtleistungen sind bereits auf dem Markt erhältlich, dennoch erscheint die LED-Entwicklung zum heutigen Zeitpunkt längst noch nicht abgeschlossen zu sein. In tendenziell steigender Form setzen wir LEDs in sehr unterschiedlichen Bereichen unseres täglichen Lebens ein. Sie finden ihren Einsatz in unterschiedlichster Weise in der Innen- als auch Außenbeleuchtung. Mit der Entwicklung einer Lichtquelle auf Halbleiterbasis wurde mit der LED eine neue Ära in der Beleuchtungstechnik eingeleitet, welche das Potenzial besitzt, langfristig herkömmliche Lichtquellen zu verdrängen.

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Kühlkörper ist bei LED-Beleuchtung Pflicht

Die Zahl spricht für sich: Fast 65% der zugeführten Energie bei einer LED werden in Wärme umgewandelt, die abgeführt werden muss. Kühlkörper sind also für eine LED-Beleuchtung Pflicht, soll das Halbleiterbauteil nicht den vorzeitigen Hitzetod sterben. Wie die Kühlung erfolgt hängt von der verwendeten LED ab. Bei kleinen LEDs in Milliwatt-Bereich reichen die Lötanschlüsse aus. Ab einer Leistung von 1 Watt sind Kühlkörper notwendig. Bei den LED-Retrofits mit E14- oder E27-Sockel lässt sich der Kühlkörper mit in das Lampendesign integrieren. Die Größe des Kühlkörpers lässt sich verringern, wenn der Luftstrom durch den Kühlkörper erhöht wird. Auch eine flüssig gekühlte LED ist möglich: Die Kühlung erfolgt dann mit unproblematischen Mineralölen. Sie sind schwer entflammbar, fast ungiftig und gut rezyklierbar.

Die LED ist ein so genannter Lumineszenzstrahler, bei dem elektrischer Strom direkt am Halbleiterübergang in Licht umgewandelt wird. Hierdurch benötigen LEDs im Gegensatz zu traditionellen Leuchtmitteln für die gleiche Lichtausbeute viel weniger Energie. Des Weiteren besitzen LEDs sofort nach dem Anschalten ihre volle Lichtleistung, sind sehr unempfindlich gegen Erschütterungen, erreichen hohe Schaltleistungen und besitzen bei einem durchdachten thermischen Management eine hervorragende Lebensdauer. Ebenso die kleinen Abmessungen der LED und der damit verbundene geringe Platzbedarf, bietet zusätzlich für Leuchtendesigner ungeahnte Designmöglichkeiten.

Viel Lichtstrom bedeutet auch viel Wärme

Die Anwendung der LED als Leuchtmittel wird oft mit den Schlagwörtern Wirtschaftlichkeit, Lichtqualität und Umweltfreundlichkeit in Verbindung gebracht, sodass sie hinsichtlich vieler Anwendungen für eine kosteneffektive Lösung stehen. Neben den bereits genannten Vorteilen, gilt es allerdings auch einige Besonderheiten zu beachten, um ein langes Leben der LED zu gewährleisten. Die eigentliche LED stellt nur einen Teil der gesamten Funktionsbausteine dar, denn neben der LED-Stromversorgung, -Optik, -Treiber und -Elektronik muss ebenfalls besonders der thermische Haushalt der LED Beachtung finden. Auch wenn die LED oftmals die Bezeichnung des kalten Strahlers erhält, wird nicht die gesamte elektrische Energie in Lichtleistung umgewandelt.

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In Analogie zu klassischen Halbleitern wird auch hier ein großer Teil der zugeführten elektrischen Energie in Wärme transformiert. Grundsätzlich gilt die Aussage: Je höher der geforderte Lichtstrom, desto mehr Wärme entsteht. Dieses gilt besonders für den Einsatz von Hochleistungs-LEDs, bei denen in aller Regel ein hoher Lichtstrom gewünscht wird. Nach dem heutigen Stand der LED-Entwicklung werden ungefähr 35 Prozent der zugeführten Energie in Licht umgewandelt, die restlichen 65 Prozent ist Verlustwärme, die durch ein geeignetes Wärmemanagement an die Umgebung abgegeben werden muss. Die Lebensdauer einer LED hängt also direkt von deren Entwärmungskonzept ab, starke Temperaturschwankungen verkürzen die Betriebsdauer erheblich und eine Überschreitung der zulässigen Chiptemperatur hat einen direkten Einfluss auf die Lichtausbeute.

Verschiedene Entwärmungkonzepte bieten sich für den Temperaturhaushalt wie über die Leiterkarte an, wobei für LED-Anwendungen mit hohen Lichtleistungen eine Entwärmung mit einem Kühlkörper unerlässlich ist. Nach dem Wirkprinzip der freien Konvektion sind verschiedene jeweils auf den LED-Typ angepasste LED-Kühlkörper (Bild 1) auf dem Markt erhältlich. Die auf die LED angepasste runde Montagefläche sowie die runde Gesamtformgebung liefern weitere Vorteile für den Anwender. Aus designtechnischen Gründen ist das thermische Management oftmals ein integraler Bestandteil des Leuchtenkonzepts.

Die thermischen Randparameter berücksichtigen

Komplette LED-Module, inklusive ihrem Halter und Reflektor, aber auch einzelne LEDs, können auf die dafür vorgesehene runde Montagefläche (Aluminiumvollkern) montiert oder sogar durch eine mechanische Nacharbeit direkt in den Kühlkörper integriert werden (Bild 2). Die Reduzierung des thermischen Übergangswiderstandes zwischen der LED und dem Kühlkörper durch planebene Montageflächen, ist für einen guten Wärmeeintrag in den Kühlkörper von erheblicher Bedeutung.

Je nach Applikation und Einbaubedingungen, sollten ebenfalls die Toleranzen der Kühlkörpergeometrie hinsichtlich der Winkelabweichung und Planparallelität Berücksichtigung finden. Besondere Toleranzanforderungen, mit geringeren Abweichungen, erfordern auch hier einen zusätzlichen Bearbeitungsaufwand. LED-Montageflächen mit besonderer Güte in Hinblick auf Eben- und Rauheit werden ebenfalls gut durch eine frästechnische CNC-Bearbeitung erreicht.

Die richtige Auswahl einer wärmetechnischen geeigneten Wärmesenke gestaltet sich allerdings aufgrund der vielzähligen Produktvarianten oftmals als sehr unübersichtlich bis schwierig. Neben dem für die Applikation benötigtem Platzbedarf sowie spezielle Anforderungen an die Einbaulage, sollten unbedingt auch die thermischen Randparameter ermittelt und überprüft werden. Hierzu ist es empfehlenswert, genausten das technische Datenblatt der LED zu studieren. Die Angaben zur LED-Lebensdauer sind in den meisten Fällen mit einem Temperaturwert verknüpft.

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