Wärmesimulation und worauf es beim Kühlen von LEDs ankommt

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Wer LEDs verbaut oder komplette Leuchten konzipiert, sollte sich Gedanken über das Kühlverfahren machen. Bei der Konzeption hilft eine computergestützte Wärmesimulation.

Wer LED-Leuchten oder einzelne Dioden in seine Anwendung verbaut, sollte auf das Wärmemanagement achten. Die Materialien der LED sind so ausgelegt, dass das emittierende Licht kaum Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung enthält. In der Theorie strahlen LEDs somit keine Wärme ab, zumindest nicht in Richtung des Lichtstromes.

Die über den inneren Widerstand entstehende Verlustleistung wird in Richtung der Platine abgeleitet. Für eine lange Lebensdauer muss die Wärme schnellstmöglich über die Platine abgeführt werden. Lebensdauerangaben von beispielsweise 50.000 Betriebsstunden sind in den Herstellerdatenblättern zu finden.

Um diese Zahl besser einordnen zu können, ist es notwendig zu verstehen, auf welchen Daten diese Angaben basieren. Die Nennlebensdauer bezieht sich auf den Zeitraum, in welchem die Helligkeit des Leuchtmittels auf einen bestimmten Wert, wie 50%, abgenommen hat. Das bedeutet, dass der Lichtstrom in Lumen (lm) nur noch 50% des ursprünglichen Wertes beträgt.

Hohe Temperaturen schaden der LED

Damit die vom Hersteller angegebenen Werte erreicht werden, dürfen zu keinem Zeitpunkt extreme Temperaturen an der LED anliegen. Das sind alle Temperaturen über der vom Hersteller angegebenen Maximaltemperatur. Bei einem einmaligen kurzzeitigen Überschreiten der angegebenen Temperatur um nur 10 °C reduziert sich die Lebensdauer schon um rund 50%.

Als Hilfsmittel für die Ermittlung des richtigen Kühlverfahrens dient der thermische Widerstand (Wärmewiderstand). Der von den Kühlkörperherstellern angegebene Wärmewiderstand bezieht sich auf die Wärmemenge, welche ein Kühlkörper an die Umgebung abführen kann. Für eine erste Abschätzung lässt sich die Formel 1 anwenden.

Die einzelnen Parameter der Formel 1 bedeuten:

R_th = Wärmewiderstand Junction/Ambient [K/W]

T_J = Juction Temperature (max. Sperrschichttemperatur aus dem Datenblatt der LED [K]

T_A = Umgebungstemperatur [K]

P = Gesamtleistung der LED (I_f x V_f aus dem Datenblatt der LED) [W]

Faktoren, die den Wärmewiderstand beeinflussen

Der berechnete Wert gibt einen ersten Anhaltspunkt, welches Kühlverfahren sich am besten eignet. Aufgrund zusätzlicher Wärmewiderstände entlang des thermischen Pfades ist es wichtig, diese mit einzuberechnen, aber auch eine Sicherheitsreserve zu berücksichtigen.

Der Wärmewiderstand ist von Profil zu Profil unterschiedlich. Nicht nur die Kühlkörpergeometrie und die -größe sind Faktoren, welche Einfluss auf den Wärmewiderstand haben, sondern die Einbausituation, der verfügbare Bauraum und die Orientierung sowie der Temperaturbereich sind wichtig. Ein Kühlkörperhersteller ermittelt die Wärmewiderstandswerte über empirische Daten in einem Labor oder über eine computergestützte Wärmesimulation. Dabei muss man auf die Rahmenbedingungen der Messungen achten.

Den Kühlkörper an die LED anbinden

Eine horizontale Einbaulage verschlechtert die Ableitung der Wärme beispielsweise um 15 bis 20%. Begründet wird das durch den Kamineffekt. Der tritt auf, wenn die Kühlrippen vertikal angeordnet sind. Die Kühlrippen verlaufen waagerecht von unten nach oben. Der Kamineffekt tritt durch die geringere Dichte bei warmer Luft auf, diese steigt nach oben. Ein Unterdruck entsteht im unteren Teil des Kühlkörpers und kalte Luft wird angesaugt. Die Temperaturdifferenz ist an der Kühlrippe am größten. Bei dieser Einbaulage kann kein Wärmestau entstehen.

Aus verschiedenen Gründen kann es dazu kommen, dass eine optimale Einbaulage nicht immer gewährleistet werden kann, was bei der Auslegung berücksichtigt werden muss. Lässt sich die Einbaulage im Vorfeld nicht festlegen oder ändert sie sich während der Betriebsdauer, helfen Stiftkühlkörpern. Bei diesen Kühlkörpern entweicht die Luft in den unterschiedlichen Einbaulagen ohne Wärmestau nach oben.

Ein nicht ausreichendes Platzangebot zusammen mit hohen Verlustleistungen stellt Entwickler oft vor Probleme bei der Auslegung des Wärmemanagements. Eine Kombination aus einem Kühlkörper und einem Lüftermotor kann eine Lösung sein. Je nach verwendetem Lüftermotor und seinen Volumenstrom verbessert sich die Wärmeabfuhr um bis zu 45%.

Der Gesamtwärmewiderstand setzt sich additiv aus den einzelnen Wärmewiderständen entlang des thermischen Pfades zusammen. Durch die Auswahl der LED ist der innere Wärmewiderstand durch den Aufbau der LED vorgegeben und wird vom LED-Hersteller in den Datenblättern angegeben. Ein weiterer Wärmewiderstand stellt das Wärmeleitmaterial dar.

Wärmeleitmaterialien und was sie bringen

Ein ungünstiger Wärmeübergang zwischen den Bauteilen entsteht durch die schlechten thermischen Eigenschaften von Luft in Form von Lufteinschlüssen. Diese entstehen durch Bauteil- und Kühlkörpertoleranzen sowie Oberflächenunebenheiten und Rauheiten. Durch mechanisches Bearbeiten des Kühlkörpers ist es möglich, diese Faktoren zu minimieren aber nicht komplett auszuschließen, da auch bei einer mechanischen Bearbeitung immer mit Toleranzen zu rechnen ist.

Bei Wärmeleitmaterialien ist die Wärmeleitfähigkeit wesentlich besser als bei Luft. Wird die LED mit Schrauben befestigt, werden beispielsweise Wärmeleitfolien, Kapton-Isolierscheiben, Aluminium-Oxydscheiben, Glimmerscheiben oder Wärmeleitpasten verwendet. Selbstklebende Wärmeleitmaterialien eignen sich für die direkte Montage. Dazu gehören doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder ein wärmeleitender Epoxydharx-Kleber.

Zur Berechnung des Wärmewiderstandes des Wärmeleitmaterials gilt die Formel 2.

In der Formel 2 bedeuten die Parameter:

d = Dicke/Länge des Wärmeweges [m],

λ = Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/mK] und

A = Querschnittfläche der Kontaktfläche [m²].

Wenn es beim Kühlkörper auf das Design ankommt

Gemäß der Formel sollte die Schichtdicke des Wärmeleitmaterials möglichst gering sein. Außerdem sollte die Wärmeleitfähigkeit und der Querschnitt der Kontaktfläche beachtet werden. Oft ist die Querschnittsfläche der LEDs durch die Bauform vorgegeben. Bei Wärmeleitmaterialien in elektronischen Schaltkreisen sollten keine aggressiven chemischen Substanzen enthalten sein, die durch Ausgasen mit den LED-Elementen reagieren. Das trübt die LED-Linse oder zerstört sie sogar, was den Lichtstrom beeinträchtigt.

Bei der Auswahl des Kühlkörpers entscheidet neben Funktionalität auch das Design, da es häufig als Leuchtengehäuse verwendet wird. Die Kühlkörper werden mechanisch so bearbeitet, dass der Montagering direkt aufgeschraubt werden kann. Komponenten, wie die LED-Platine und Optik, werden über den Montagering eingeschraubt. Das thermische Management sollte ausgiebig mit einer computergestützten Wärmesimulation im Vorfeld des Leuchtendesigns getestet werden, damit LEDs durch extreme Temperaturen keinen Schaden nehmen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 8/2020: Sonderteil LED & Optoelektronik (Download PDF)

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* Jeannine Schmidt ist Entwicklungs-Ingenieurin bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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