LED Tipps, Teil 4 An LED-Sperrschichten die Temperatur ermitteln

Die Helligkeit und die Vorwärtsspannung einer LED werden maßgeblich von ihrer Sperrschichttemperatur beeinflusst. Daher müssen Entwickler auch die thermischen Eigenschaften eines LED-Beleuchtungssystem berücksichtigen. Wie die Temperatur an der LED-Sperrschicht ermittelt wird, zeigt unser Beitrag.

Anbieter zum Thema

CTX Thermal Solutions GmbH

Transfer Multisort Elektronik Sp. z.o.o.

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Cree Europe GmbH

Fließt ein elektrischer Strom durch eine LED, wird ein Teil der elektrischen Energie in sichtbares Licht einer bestimmten Wellenlänge umgewandelt. Der größte Teil der Energie verwandelt sich jedoch am p-n-Übergang in Wärme. Diese wird von der Sperrschicht über den LED-Chip an den Kühlkörper und schließlich an die Umgebungsluft abgegeben.

Den Wärmefluss an der LED berechnen

Der Wärmefluss unterliegt den Gesetzen der Thermodynamik und den Prinzipien der Wärmeübertragung. Die Temperatur an der LED-Sperrschicht, die bei einer bestimmten Umgebungstemperatur und einer spezifizierten Eingangsspannung auftritt, lässt sich berechnen. Für eine korrekte Berechnung müssen folgende Werte bekannt sein:

• der vom Hersteller der LED spezifizierte thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Lötpunkt (R_thj-sp) ,

• der thermische Widerstand zwischen Lötpunkt und Kühlkörper R_thsp-h sowie

• der thermische Widerstand zwischen Kühlkörper und Umgebungsluft R_thh-a .

Die meisten Hochleistungs-LEDs müssen auf einem Kühlkörper montiert werden. Der Grund ist, dass auf diese Weise die Wärme abgeführt wird, die auf der Unterseite des Substrats entsteht. Bild 1 zeigt ein entsprechendes thermisches Modell für eine typische Hochleistungs-LED. In Analogie zum elektrischen Widerstand und zum Ohmschen Gesetz ergibt sich folgende Gleichung: T_j = T_a + P_gesamt x (R_thj-sp +R_thsp-h + R_thh-a) =  T_a + P_gesamt x (R_{th gesamt}) Hierbei gilt: T_j = Temperatur an der LED-Sperrschicht

T_a = Temperatur der Umgebungsluft, das heißt außerhalb des Gehäuses der LED oder des Kühlkörpers

R_thj-sp = Thermischer Widerstand zwischen Sperrschicht und Lötpunkt

R_thsp-h = Thermischer Widerstand zwischen Lötpunkt und Kühlkörper

R_thh-a = Thermischer Widerstand zwischen Kühlkörper und Umgebungsluft

P_gesamt = LED-Vorwärtsspannung gesamt x LED-Durchlassstrom gesamt

Alternativ kann die Temperatur des LED-Lötpunkts T_sp am Kühlkörper direkt gemessen werden. Wenn ein thermisches Gleichgewicht an der LED hergestellt ist, lässt sich die Temperatur am Übergang basierend auf der Gleichung oben berechnen. Dabei wird der thermische Widerstand zwischen Lötpunkt und Umgebungsluft (R_thsp-h + R_thh-a) nicht mit eingerechnet. Außerdem muss die Temperatur der Umgebungsluft T_a durch die Temperatur am Lötpunkt T_sp ersetzt werden. Die Messung der Lötpunkt-Temperatur sollte möglichst nahe an der Unterseite des LED-Gehäuses erfolgen. Siehe hierzu das Bild mit der Lötpunkt-Temperatur.

Wo die Lötpunkt-Temperatur gemessen wird

Wichtig ist, dass die Temperatur T_sp direkt am Kupferstempel beziehungsweise auf der darauf befindlichen Metallschicht gemessen wird, und nicht durch die Lötstoppmaske, eine Beschichtung oder andere isolierende Materialien hindurch. Dies würde die Messwerte verfälschen.

* * Yoong Jin Hu ... ist Field Application Engineer bei Cree.

(ID:24937280)