Langlebige LED-Beleuchtung Die Kunst des optimalen Wärmemanagements

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Treston Deutschland GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die LED hat sich in der Beleuchtung durchgesetzt. Damit sie ihre lange Lebensdauer und Leistungsfähigkeit jedoch voll ausspielen kann, ist ein effektives Wärmemanagement notwendig. Hierfür werden hocheffiziente Kühlkörper eingesetzt.

LEDs sind weithin als Leuchtmittel der Zukunft anerkannt und haben sich in zahlreichen Anwendungen und Bereichen durchgesetzt. Ihre vorteilhaften technischen Eigenschaften sind in der Fachwelt umfassend dokumentiert und gelobt. Der Markt bietet LEDs in verschiedenen Bauformen und Leistungsklassen, die an industrielle und private Anwendungen angepasst sind. Unabhängig davon, ob taglichtweiß, warmweiß oder farbig: LEDs ermöglichen eine flexible Integration in jedes Leuchtendesign. Ergänzend zu ihrer ästhetischen Anpassungsfähigkeit sind LEDs wirtschaftlich, energieeffizient und umweltfreundlich, da sie im Gegensatz zu herkömmlichen Energiesparlampen keine toxischen Elemente wie Quecksilber enthalten.

Lange Lebensdauer bei der LED

Die Langlebigkeit der LEDs wird durch ihre beeindruckende Lebensdauer von über 50.000 Betriebsstunden unterstrichen, was bei durchschnittlicher Nutzung einer Lebensdauer von bis zu 23 Jahren entspricht. Studien belegen, dass moderne LED-Beleuchtungstechnologien nicht nur die Lichtqualität und den Sehkomfort verbessern, sondern auch das Wohlbefinden und die Gesundheit steigern können.

Obwohl LEDs bereits als hochentwickelt gelten, ist ihr innovatives Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft. Kontinuierliche Fortschritte in Bezug auf Lichtintensität, -qualität und Zuverlässigkeit fordern von den Anwendern ein tiefgreifendes Verständnis der Technologie. Hierbei sind die Stromversorgung, Optik, Treiber und Elektronik entscheidend für die Optimierung der Lichtqualität. Besonders der thermische Haushalt der LED steht im Mittelpunkt, da er ihre Gesamtleistung und Lebensdauer maßgeblich bestimmt.

Trotz ihrer Klassifizierung als Lumineszenzstrahler (kalte Strahler), erzeugen LEDs Wärme, die durch ein effektives Wärmemanagement abgeführt werden muss. Temperaturstress kann die Lichtleistung und Lebensdauer der LEDs erheblich beeinträchtigen. Eine Reduzierung der Chip-Temperatur um etwa 10 °C kann die Lebensdauer der LED um das 3,5-fache erhöhen. Daher ist ein effizientes thermisches Management essenziell, um die zahlreichen Vorteile der LED-Technologie dauerhaft nutzen zu können.

Effizient gekühlt mit Aluminiumkühlkörper

Fischer Elektronik hat sich auf die Produktion hocheffizienter LED-Kühlkörper aus Aluminium spezialisiert, die speziell zur Entwärmung von LEDs entwickelt wurden (Bild 1). Diese Kühlkörper sind optimal an die unterschiedlichen Bauformen und Leistungsklassen der LEDs angepasst, um eine exzellente Wärmeableitung zu gewährleisten.

Die Kühlkörper bestehen aus einer hochwärmeleitenden Aluminiumlegierung, bekannt als EN AW 6060. Diese Kombination aus Aluminium, Magnesium und Silizium erfüllt europäische Normen für Knetlegierungen und bietet mit einer Wärmeleitfähigkeit von ungefähr 210 W/m*K hervorragende thermische Eigenschaften. Die Verwendung dieser Legierung ermöglicht das Strangpressen diverser Profilkonturen mit optimaler Oberflächengüte (Bild 2).

Ein besonderer Vorteil der runden Kühlkörper ist ihre Effizienz in typischen Einbausituationen wie dem Spot Lighting. Hier sorgt die runde Form dafür, dass der natürliche Konvektionsauftrieb ungehindert durch die offenen Lücken der Rippen nach oben entweichen kann, was die Kühlung verbessert. Darüber hinaus verfügen LED-Kühlkörper von Fischer Elektronik über einen Vollkern, der die direkte Befestigung und Unterstützung zusätzlicher LED-Module ermöglicht.

Funktionalität und Design gehen Hand in Hand: Durch die Integration von LED-Modulen, Haltesystemen und Reflektoren in den Kühlkörper werden diese zu einem festen Bestandteil des Leuchtendesigns. Verschiedene Oberflächenveredelungen wie Eloxieren, Lackieren oder Pulverbeschichtung sowie mechanische Bearbeitungsschritte bieten zusätzliche Möglichkeiten zur kundenspezifischen Anpassung und verwandeln die Kühlkörper von standardisierten Industrieteilen in ansprechende Designelemente.

Der passende Kühlkörper für die LED

LEDs benötigen zur effektiven Wärmeableitung spezielle, im Strangpressverfahren hergestellte Aluminiumkühlkörper, die nach dem physikalischen Prinzip der freien Konvektion arbeiten. Dieses Prinzip beschreibt in der Fachliteratur die Übertragung von thermischer Energie von einem Ort zum anderen, verbunden mit dem Transport von Partikeln, die diese Energie tragen. Dank ihrer geräuschlosen Funktion sind LED-Strangkühlkörper in vielen LED-Anwendungen beliebt. Doch die Auswahl des passenden Kühlkörpers gestaltet sich angesichts der Vielfalt im Markt oft als Herausforderung.

Um den geeigneten Kühlkörper zu identifizieren, sollten Anwender zunächst den thermischen Widerstand überschlagsmäßig ermitteln. Ein geringer thermischer Widerstand zeigt eine effektivere Wärmeableitung der Verlustwärme an die Umgebung an. Die Berechnung des benötigten Wärmewiderstandes basiert auf dem ohmschen Gesetz und ist relativ unkompliziert: Man benötigt die maximale Chiptemperatur der LED (aus dem Herstellerdatenblatt) sowie die Umgebungstemperatur der Anwendung.

Auf dieser Basis wird die Temperaturdifferenz (∆T), wie sie im zweiten Hauptgesetz der Thermodynamik beschrieben ist, durch die Verlustleistung der LED (P_V=V_F x I_F) geteilt. Darüber hinaus müssen zusätzliche Korrekturfaktoren, die die emittierende Lichtleistung und die angestrebte Helligkeitsgruppe betreffen, berücksichtigt werden. Diese Informationen finden sich ebenfalls im Herstellerdatenblatt. Falls nicht verfügbar, kann mit einem standardmäßigen Korrekturfaktor von 2 bis 3 % gearbeitet werden.

Der ermittelte thermische Widerstand R_th (in Kelvin pro Watt [K/W]) dient dann als Basis für die Auswahl eines geeigneten LED-Kühlkörpers. Kühlkörperhersteller stellen in ihren Katalogen oder online unterstützende Daten wie numerische Werte, Diagramme oder grafische Darstellungen zur Verfügung, die die Auswahl erleichtern (Bild 3).

Optimale Verbindung zwischen LED und Kühlkörper

Die Auswahl eines passenden LED-Kühlkörpers ist entscheidend, doch ebenso wichtig ist die korrekte thermische Anbindung der LED an die Wärmesenke. Die im Strangpressverfahren hergestellten Kühlkörper, die auch außerhalb der LED-Anwendungen eingesetzt werden, weisen fertigungstechnische Toleranzen auf, die unbedingt berücksichtigt werden müssen. Diese Toleranzen variieren je nach Geometrie und entsprechen internationalen DIN-Normen.

Sowohl die LED-Oberflächen als auch die Kühlkörpermontageflächen sind selten perfekt eben und glatt. Oft existieren Unebenheiten in Form von Durchbiegungen und Oberflächenrauigkeiten. Wird bei der Montage einer LED auf den Kühlkörper die Beachtung dieser Toleranzen vernachlässigt, kann dies zu einem schlechten Wärmeübergang führen, was die LED-Temperatur erhöht. Dies reduziert nicht nur die Funktionalität und Lichtleistung der LED, sondern kann auch ein Überhitzen bis hin zur Zerstörung der LED zur Folge haben.

Ein optimaler Wärmeübergang erfordert das Egalisieren der erwähnten Oberflächentoleranzen und das Vermeiden von Lufteinschlüssen, da Luft als thermischer Isolator wirkt und eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,0262 W/m*K besitzt und damit weitaus geringer als die von Aluminiumlegierungen. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann eine mechanische Nachbearbeitung der Kontaktoberfläche des Kühlkörpers sowie der Einsatz speziell angepasster Wärmeleitmaterialien sinnvoll sein.

Die korrekte Auswahl dieser Wärmeleitmaterialien ist entscheidend für die vollständige Funktionalität des elektronischen Bauteils. Unterschiedliche Materialien sollten hinsichtlich ihrer individuellen Eigenschaften sorgfältig ausgewählt werden, um die bestmögliche Lösung für die jeweilige Applikation zu erreichen. Zudem empfiehlt es sich, das finale thermische Design mittels thermischer Simulationen oder durch Prototypen zu bestätigen und zu optimieren (Bild 4). (heh)

* Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik.

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