Welchen Einfluss das Kühlverfahren auf die LED hat

| Autor / Redakteur: Jeannine Schmidt * / Hendrik Härter

Wärmemanagement bei der LED: Die Wahl des Kühlverfahrens bei der LED entscheidet über die Lebensdauer.
Wärmemanagement bei der LED: Die Wahl des Kühlverfahrens bei der LED entscheidet über die Lebensdauer. (Bild: ©Pran stocker room - stock.adobe.com)

Das Wärmemanagement spielt bei der LED-Beleuchtung eine wichtige Rolle. Doch schnell stellt sich für den Entwickler die Frage, welches Kühlverfahren am besten passt. Ein Überblick.

Ein langes und effizientes Betriebsleben können LEDs nur haben, wenn man bei der Entwicklung ein großes Augenmerk auf das Wärmemanagement legt. Es ist unabdingbar, dass dieses genau auf die LED und ihre Anwendung abgestimmt ist. Durch die Festlegung des Materials bei Leuchtdioden entstehen kaum Ultraviolette- oder Infrarotstrahlen. Die Materialauswahl entscheidet auch darüber, welche Wellenlängen an die Umgebung abgegeben werden und welche Farbe wir schließlich sehen.

Bei den altbekannten Glühlampen erfolgt die Abgabe der Verlustleistung in Richtung des Lichtstroms. Hier beträgt die Verlustleistung bis zu 96% der eingebrachten Leistung. LEDs hingegen haben eine weitaus kleinere Verlustleistung, diese wird in Richtung der Platine abgeleitet. Als stromgetriebenes Bauteil entsteht die Wärme über den Strom, der über den inneren Widerstand fließt. Über ein geeignetes thermisches Management muss die anfallende Wärme über die Platine an die Umgebung abgeführt werden.

Das thermische Management bei einer LED

Das thermische Management wird bei LEDs in der Regel über eine natürliche Konvektion realisiert, also über ein Kühlkörperprofil. Häufig wird das Profil direkt als Gehäuse verwendet, so das die Wärme direkt an die Umgebung abgeführt werden kann. Die Kühlkörperhersteller entwickeln die Profile direkt so, dass diese ein ansprechendes Design aufweisen aber auch eine effektive Wärmeabfuhr gewährleisten. Zu weiteren Methoden, die allerdings in der Beleuchtungsindustrie nicht sehr gebräuchlich sind, gehören die Entwärmung über eine erzwungene Konvektion mit Kühlkörperprofilen und einem Lüftermotor. Allerdings können die dabei entstehenden Geräusche in vielen Industriebereichen problematisch sein. Ursache für die Geräuschentwicklung ist die Rotation des Lüftermotors und der dadurch entstehende Luftbewegung. Menschen empfinden die Schallwellen als sehr stöhnend.

Andererseits kann die Wärmeabfuhr um bis zu 45% verbessert werden. Bei hohen Leistungen, welche die aktuellen Hochleistungs-LEDs aufweisen und die Entwärmung über ein Profil nicht ausreichend ist oder aber auch bei einem geringen Platzangebot und wenn die Geräuschentwicklung nicht problematisch ist, kann diese Methode eine Alternative sein (Bild 1). Eine bei der Beleuchtung mit LEDs eher seltenere Methode des thermischen Managements ist die Entwärmung über ein Fluid. Die Auswahl des passenden Kühlverfahrens für die jeweilige Anwendung kann über den thermischen Widerstand (Wärmewiderstand) erfolgen. Für eine erste Abschätzung hilft die folgende Formel:

(1)
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Die Variablen in der Formel 1 bedeuten: Rth = Wärmewiderstand Junction/Abient [K/W], Tj = Junction Temperature (max. Sperrschichttemperatur aus dem LED-Datenblatt [K], Ta = Umgebungstemperatur [K], P = Gesamtverlustleistung der LED (If x Vf aus dem LED-Datenblatt) [W], η = Wirkungsgrad der LED (aus dem LED-Datenblatt) und RTHTIM = Wärmewiderstand für das Wärmeleitmaterial [K/W].

Bei der Auslegung ist zu beachten, dass die Sperrschichttemperatur in keinem Fall überschritten werden darf. Als Folge verringert sich die Lichtstärke der LED. Die LED-Lebensdauer berechnet sich aus der Lichtstärke, bei einer Verringerung dieser auf 80% des Anfangswertes gilt die LED als defekt und sollte ausgetauscht werden. Es zeigt sich also, dass eine Überschreitung der Sperrschichttemperatur direkten Einfluss auf die Lebensdauer hat. Deshalb gilt der mit der in Formel 1 errechnete Wert nur als Richtwert. Eine ausreichende Sicherheitsreserve sollte der Entwickler unbedingt mit einrechnen. Unverzichtbar sind auch Tests bei der Auslegung.

Den Kühlkörper und die LED miteinander verbinden

Nachdem der Wärmewiderstand und das passende Verfahren bestimmt wurden, helfen die Kühlkörperhersteller dabei das richtige Profil auszuwählen. Diese geben für jedes Profil den Wärmewiderstand an. Die Kühlkörpergeometrie sowie die -größe sind entscheidend, wie viel Wärme über das Profil abgegeben werden kann. Das Kühlkörperprofil dient der Aufnahme der Wärme, der Vergrößerung der Oberfläche und somit auch der Abgabe der Wärme an die Umgebung.

Aber auch die Befestigung der LED wird über das Profil realisiert. Dank der Zhaga-Konformität und den damit verbundenen Standards zum Austausch der einzelnen Komponenten für die Beleuchtungsindustrie kann der Leuchtenhersteller mehrere Generationen von LEDs sicherstellen. Vermehrt bringen Kühlkörperhersteller speziell für LED-Module Profile auf den Markt, auf denen die LED direkt befestigt werden kann. Adapterplatten mit einem Bohrbild lassen sich zusätzlich in Kühlkörperprofile einschrauben, um eine LED aufzunehmen (Bild 2). Bei der Auslegung ist nicht nur die richtige Kühlkörpergröße und -geometrie entscheidend, sondern auch die Anbindung der LED an das Kühlkörperprofil.

Keine Lufteinschlüsse zwischen Kühlkörper und der LED

Durch Bauteil- und Kühlkörpertoleranzen in Zusammenspiel mit Oberflächenrauheiten und -unebenheiten können Lufteinschlüsse zwischen Bauteil und Kühlkörper entstehen. Aufgrund der sehr schlechten thermischen Eigenschaft der Luft kommt es hier zu einem sehr schlechten Wärmeübergang und die LED kann trotz eines ausreichend gut ausgelegten Kühlkörpers an einem Hitzetod sterben. Diese Lufteinschlüsse gilt es zu vermeiden. Die Wärmeleitfähigkeit der unterschiedlichen Wärmeleitmaterialien ist in jedem Fall besser als die Wärmeleitfähigkeit von Luft. Zu guten Anbindung stehen verschiedene Arten von Wärmeleitmaterial zur Verfügung. Die wichtigsten Gruppen bei den Wärmeleitmaterialien sind Wärmeleitfolien, Wärmeleitpasten und Wärmeleitkleber.

Kleber haben den Vorteil, dass hier auf Schrauben und andere Befestigungsarten verzichtet werden kann. Eine Austauschbarkeit ist bei der Verwendung von Klebern allerdings nicht mehr gegeben. Hierzu sind Folien und Pasten besser geeignet. Hier ist die Wärmeleitfolie in großem Vorteil, da diese zwischen dem Kühlkörperprofil und der LED verklemmt wird und somit bei einem Austausch weiter verwendet oder ohne großen Aufwand mit ausgetauscht werden kann. Bei der Auswahl des Wärmeleitmaterials ist auf chemische Substanzen, wie beispielsweise Silikonen, zu achten. Die Abgase, also die sogenannten Volatile Organic Compounds (VOC), die mit der LED reagieren können, schlagen sich hierbei auf der LED-Oberfläche nieder und können die Linse trüben. Der Lichtstrom und somit die Effizienz der LED werden beeinträchtigt.

Der Wärmewiderstand, welcher in Formel 1 einfließt, lässt sich wie folgt berechnen:

(2)
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Dabei gelten die Variablen: d = Dicke/Länge des Wärmeweges [m], λ = Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/mK] und A = Querschnittsfläche der Kontaktfläche [m²].

Die Schichtdicke des Wärmeleitmaterials spielt eine entscheidende Rolle. Über mechanische Bearbeitung lässt sich die Schichtdicke auf ein Minimum reduzieren. Man sollte jedoch beachten, dass ein Wärmeleitmaterial zwar so dünn wie möglich sein sollte, aber immer so dick wie nötig, damit es nicht zu Lufteinschlüssen kommt. Ein weiterer entscheidender Faktor bei der Auslegung ist die Ausrichtung des Gesamtsystems aus LED und Kühlkörper. Kühlkörperhersteller geben an, in welcher Einbaulage die Angaben für den Wärmewiderstand gemessen worden sind. Darauf sollte immer geachtet werden. Die Drehung von einer horizontalen zur einer vertikalen Einbaulage verschlechtert die Wärmeableitung um 15 bis 20%. Bei der horizontalen Einbaulage nutzt man die Physik der Strömungslehre. Bei einem Rippenverlauf von oben nach unten kann warme Luft mit einer geringeren Dichte ungehindert nach oben steigen und von unten kalte Luft angesaugt werden. Dieser Effekt heißt Kamineffekt. Der Temperaturunterschied ist so immer am größten und die Wärmeabfuhr am effektivsten.

Die computergestützte Wärmesimulation unterstützt

Trotz einer gründlichen Berechnung und unter Berücksichtigung aller Faktoren ist es wichtig die Auslegung durch Tests gründlich zu prüfen, um einen Ausfall in der Anwendung zu vermeiden. Eine computergestützte Wärmesimulation kann hier schon im Entwicklungsstadium von großer Hilfe sein. Bei der Simulation wird die Temperaturverteilung im Gesamtsystem der Beleuchtung aus LED, Wärmeleitmaterial, Gehäuse, Kühlkörper und ihrer Umgebung untersucht. Die Auslegung kann anhand von 3D-Daten ohne den Aufbau eines physikalischen Prototyps überprüft werden. Damit lassen sich die Entwicklungskosten bereits in einem frühen Stadium verringern, da sowohl der Kühlkörper, beim Wärmeleitmaterial oder beim Gesamtaufbau von Entwicklerseite optimiert werden kann.

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* Jeannine Schmidt arbeitet als Entwicklungsingenieurin bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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