Damit die LED nicht den Hitzetod stirbt

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Wie das Wärmemanagement bei der LED umgesetzt wird

Extrudierte Aluminiumkühlkörper sind eine Möglichkeit, um das Wärmemanagement zu realisieren. In Diagrammen geben die Kühlkörper-Hersteller den Wert des Wärmewiderstandes in Bezug auf die Kühlkörperlänge an (Bild 1). Es ist unbedingt notwendig, auf die Angaben des Kühlkörper-Herstellers bezüglich der Bedingungen der Wärmewiderstandsermittlung zu achten.

Der Wert des Wärmewiderstandes variiert nicht nur von Profil zu Profil, sondern hängt zusätzlich von der Einbaulage und den Temperaturbereichen entscheidend ab. Eine horizontale Einbaulage zum Beispiel verschlechtert die Ableitung der Wärme um 15 bis 20 %. Dies wird durch den Kamineffekt begründet, welcher auftritt, wenn der Kühlkörper vertikal angeordnet ist, dies bedeutet, die Kühlrippen verlaufen waagerecht von oben nach unten.

Bei dem Kamineffekt wird sich zu Nutze gemacht, dass warme Luft eine geringere Dichte als kalte Luft hat und somit nach oben steigt. Durch den im unteren Teil des Kühlkörpers entstehenden Unterdruck wird kalte Luft angesaugt. Auf diese Weise ist die Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörperoberfläche und umströmender Luft immer möglichst hoch und es erfolgt eine höhere Wärmeabgabe an die Umgebung.

Flüssig kühlen – der Einsatz von Fluiden

Auch lässt sich mit Fluiden kühlen. Ein großer Vorteil, wenn Flüssigkeitskühlkörper verwendet werden ist, dass die Wärme, die bei hohen Stromstärken entsteht, schnell abzuführen ist und kleine Kühlkörper-Baugrößen möglich sind. Flüssigkeitskühlung wird in der Regel ab einer Gesamtverlustleistung von mehr als 200 W verwendet. Auch bei dem aktiven Kühlverfahren, eine Kombination aus einem extrudierten Kühlkörper und einem Lüftermotor, sind kleine Baugrößen möglich. Je nach verwendetem Lüftermotor und dessen Volumenstrom ist eine Verbesserung der Wärmeabfuhr von bis zu 45 % erreichbar.

Die durch den Lüftermotor entstehende Geräuschentwicklung ist ein massiver Nachteil bei diesem Kühlverfahren und oft unerwünscht. Der Einsatz von Lüftermotoren ist zum Beispiel bei Büro- sowie Konferenz-, Konzertsaal- und Galeriebeleuchtung unerwünscht und nicht zulässig.

Wie der Gesamtwiderstand zusammengesetzt ist

Der Gesamtwärmewiderstand setzt sich aus den einzelnen Wärmewiderständen entlang des thermischen Pfades additiv zusammen. Durch Lufteinschlüsse bei der Verbindung zwischen LED und Kühlkörper wird der Wärmewiderstand maximiert. So ist es unbedingt notwendig, diese Lufteinschlüsse, die durch Bauteil- und Kühlkörpertoleranzen sowie Oberflächenunebenheiten und Rauheit entstehen, zu vermeiden. Hier ist ein geeigneter Wärmeübergang durch Wärmeleitmaterial zu schaffen.

Wärmeleitmaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, als die der zu vermeidenden Einflüsse. Es existieren verschiedene Grundtypen. Bei der LED-Befestigung mittels Schrauben werden beispielsweise Wärmeleitpasten, Wärmeleitfolien, Kapton-Isolierscheiben, Aluminiumoxydscheiben oder Glimmerscheiben verwendet. Selbstklebende Wärmeleitmaterialien, wie doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder ein wärmeleitender Epoxydharz-Kleber, sind für eine direkte Montage der LED auf dem Kühlkörper verwendbar (Bild 2).

Grundsätzlich ist bei der Verwendung von Pasten, Folien und Klebstoffen unbedingt zu beachten, dass diese keine chemischen Substanzen enthalten, die durch Ausgasen (VOS = volatile organic compounds) mit der LED reagieren. Dies würde zu einer Trübung der LED-Linse führen und in Folge dessen den Lichtstrom beeinträchtigen. In der Formel bedeuten: d = Dicke/Länge des Wärmeweges [m], λ = Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/mK] und A = Querschnittsfläche der Kontaktfläche [m²]. Die Schichtdicke des Wärmeleitmaterials ist möglichst dünn zu wählen.

Ein perfekt abgestimmter Kühlkörper

In der Beleuchtungsindustrie entscheidet das Design. Kühlkörper-Herstellern haben Profile mit massivem Innendurchmesser entwickelt, die nicht nur die Wärme ableiten, sondern als Leuchtengehäuse verwendet werden können (Bild 3). Für die sogenannten „LED-Light-Engines“ wird zur Zeit ein Standard (Zhaga-Konformität) eingeführt. Dieser soll über den modularen Aufbau die Austauschbarkeit der LED-Chips über mehrere Generationen hinweg gewährleisten.

Die Befestigung der LED erfolgt über einen mit dem Kühlkörper verschraubten Montagering. Weitere Komponenten, wie LED-Platine und Optik, werden über Eindrehen in den Montagering befestigt. Für spezielle Anwendungsfälle muss sichergestellt sein, dass das thermische Management ausreichend gut ausgelegt ist. Dazu bieten Dienstleister und verschiedene Kühlkörper-Hersteller computergestützte Wärmesimulationen an, die bereits in der Entwicklungsphase eingesetzt werden, um das thermische Management der späteren LED-Beleuchtung richtig auszulegen. Prototypenbau und aufwändige Messungen entfallen:

* Jeannine Schmidt ist als Entwicklungsingenieurin bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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