Damit die LED nicht den Hitzetod stirbt

LED-Wärmemanagement Damit die LED nicht den Hitzetod stirbt

01.10.2013Autor / Redakteur: Jeannine Schmidt * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Lang lebe die LED! So in etwa lässt sich die Bedeutung des Wärme-managements bei der LED-Beleuchtung beschreiben. In unserem Beitrag geben wir Tipps, worauf zu achten ist.

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Damit LEDs nicht überhitzen, müssen sie ausreichend gekühlt werden
(Osram)

Die Erfindung der LED hat die Beleuchtungsindustrie in den letzten Jahrzehnten revolutioniert. Damit die LED ihre Aufgaben lange und effektiv erfüllen kann, ist ein sauber abgestimmtes Wärmemanagement eine unverzichtbare Maßnahme. Für den Menschen hat Licht einen nicht unbedeutenden Einfluss, der in den letzten Jahrzehnten immer weiter erforscht wurde.

So kann der Gemütszustand sowie das Kaufverhalten maßgeblich über das Licht beeinflusst werden. Und gerade für die Beleuchtung ist es wichtig, dass LEDs sich stufenlos dimmen lassen. Dazu sind LED-Module (Verbund von LEDs in den Farben rot, grün und blau) notwendig, in der Lichtfarbe steuerbar und somit für die unterschiedlichsten Lichtaufgaben geeignet.

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Langes Leben – LEDs wirksam entwärmen

Wärme schadet dem Halbleiterbauelement LED. Aus diesem Grund ist Kühlung notwendig, um die Lebenserwartung der LED nicht herabzusetzen. Im wesentlichen lassen sich LEDs über das Leuchtengehäuse, die Leiterkarte und mit zusätzlichem auf der Leiterkarte oder separat montiertem Kühlkörper entwärmen. Die Entwärmung über das Leuchtengehäuse ist unterteilt in zwei Teilpfade, dem über die Junction-Verbindung zu den Anschlussbeinen und dem zum Lampengehäuse – das sind die Anschlussdrähte zur Umgebungsluft. Für Hochleistungs-LEDs ist die sichere Funktion mit dieser nur minimalen Wärmeableitung nicht gegeben.

Die Auswahl des Kühlkörpers

Die Auswahl eines für die Applikation geeigneten Kühlkörpers erfolgt, nachdem die thermischen Kriterien aufgestellt und der Wärmewiderstand berechnet sind (es sollten immer auch die Unterlagen und Hinweise der LED-Herstellerfirmen beachtet werden). Berücksichtigt muss die Einbausituation und der zur Verfügung stehende Platz werden.

Besonders wichtig ist die Orientierung des Kühlkörpers im Raum. Kammprofile sollten so montiert werden, dass der natürliche, konvektive Auftrieb nicht behindert wird. Neben vielen Standardkühlkörpern, die für LED-Entwärmung einsetzbar sind, werden auch besonders für LED modifizierte Kühlkörpervarianten und speziell auf einzelne LED-Systeme abgestimmte Versionen angeboten.

Außerdem ist es nicht mögich, die LEDs über eine zusätzliche Wärmespreizung durch Kupferschichten oder aktiv über die Luft zu entwärmen.

Nur ein weiteres Entscheidungskriterium für den Einsatz von LEDs ist der Nutzen für die Umwelt. Während beispielsweise Neonröhren oder Energiesparlampen wegen ihres Anteils an Quecksilber oder giftigen Gasen in den Sondermüll gehören, werden LEDs wie elektronische Bauteile behandelt und können zu einem großen Teil wiederverwertet werden.

Aber der wohl wichtigste Entscheidungsgrund für den Einsatz von LEDs ist ihr hohes Einsparpotential. Leuchtdioden wandelt rund 70% des Stromes in Licht, währnd herkömmliche Glühlampen nur etwa 5% der Energie in Licht umwandeln. Auch wenn mit eingerechnet wird, dass mehrere LEDs benötigt werden, um die gleiche Lichtstärke wie klassische Leuchtmittel zu erzielen, benötigen herkömmliche Glühlampen etwa dreimal so viel Energie wie eine weiße LED.

Auf das geeignete Wärme-management kommt es an

Die bei den LEDs verwendeten Materialien werden so festgelegt, dass das emittierende Licht kaum Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung enthält. In der Theorie wird somit keine Wärme von der LED abgestrahlt. Der durch die LED fließende Strom erhöht aufgrund des inneren Widerstandes die Temperatur. LEDs werden in der Praxis mit einem Strom zwischen 20mA und 1 A betrieben. Anders als bei Glühlampen, deren Verlustwärme in Richtung des Lichtstroms abgegeben wird, führen LEDs diese in Richtung der Platine ab. Um die von den LED-Herstellern angegebenen Lebensdauern von bis zu 50.000 Betriebsstunden zu erreichen, muss die Wärme über ein geeignetes Wärmemanagement weggeführt werden.

Die Formel setzt sich zusammen aus R_th = Wärmewiderstand Junction/Ambient [K/W], T_j = Junction Temperature (max. Sperrschichttemperatur aus dem LED-Datenblatt [K], T_a = Umgebungstemperatur [K] und P = Gesamtverlustleistung der LED (I_f * V_faus dem LED-Datenblatt) [W]

Die LED und der Wärme-widerstand

Die Wahl des richtigen Kühlverfahrens ist hierbei entscheidend. Einen ersten Anhaltspunkt, welches Kühlverfahren das geeignetste ist, zeigt der thermische Widerstand (Wärmewiderstand). Dieser wird von den Herstellern der Kühlkörper angegeben. Der Wert gibt an, welche Wärmemenge die verschiedenen Kühlkörper an die Umgebungsluft abgeben können und verhält sich umgekehrt proportional zu der Wärmeleitfähigkeit. Das bedeutet: Je kleiner der Wärmewiderstand ist, desto mehr Wärme kann abgeführt werden.

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Bei der Berechnung ist es aufgrund zusätzlicher Wärmewiderstände entlang des thermischen Pfades wichtig, eine Sicherheitsreserve mit einzuberechnen, um bei ungünstigen, nicht vorhersehbaren Verhältnissen die maximale Sperrschichttemperatur nicht zu überschreiten, um somit die Lebensdauer und die Leuchtqualität der LED nicht zu gefährden.

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