Wärmeverluste in LEDs richtig berechnen

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Wie man die Verlustleistungsbestimmung bestimmt

Im ersten Schritt berechnet man die Verlustleistung definitiv aus dem Produkt Betriebsspannung und Stromstärke.

Im nächsten Schritt wird die Lichtleistung unter der erwartenden Betriebstemperatur (von 2% - Bild 1 – rechter Graph: Relative Lichtstärke II) abgezogen und man erhält das bisher als endgültig betrachtete Ergebnis von 0,9467 W.

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Doch der nächste Berechnungsschritt bezieht sich auf die anvisierte Helligkeitsgruppe, welche abhängig vom Farbspektrum durch einen Korrekturwert des Herstellers noch geschmälert werden muss.

In unserem Beispiel heißt dies, dass wir ausgehend von der „Helligkeitsgruppe 1“ den Lichtstrom von 2,42 lm bei 10 mA (Bild 1 – Tabelle oben) auf die anvisierten 30 mA angleichen sollten. Laut der Kurve für relative Lichtstärke I (Bild 1 – linker Graph) muss dies über einen Multiplikator von 2,5 vorgenommen werden. Die erhaltenen 6,06 lm werden durch den in Tabelle 2 (Bild 2) angegebenen Korrekturwert für rotes Licht mit 570 mW pro 100 lm gesenkt.

Daraus ergibt sich dann erst das endgültige Ergebnis für die Verlustleistung: 0,0966 W – 0,0345 W = 0,0621 W.

Die abgeschätzte Betriebstemperatur kann mit diesem Wert in einer 3-D-Temperatursimulation evaluiert und gegebenenfalls im Graphen noch einmal nachträglich leicht angepasst werden. Doch die Realität wird sich ziemlich genau bei dieser berechneten Verlustleistung einspielen.

Nun möchten wir aber mit diesem Artikel keinen Freibrief für die Reduzierung überdimensionierter Kühlsysteme geben. Nur in diesem Beispiel reduziert sich die Verlustleistung der LED im Endeffekt auf 63% der Gesamtleistung laut der Kurve in der Mitte von Bild 1. Dies ist meist nur in den sehr kleinen Leistungsklassen von LEDs üblich. Leistungs-LEDs weisen oft nur eine Reduzierung von 10 bis 15% des errechneten Rohwertes der Gesamtleistung auf.

Zusätzlich sollten Sie bedenken, dass neben der Verlustleistung der thermische Widerstand ausschlaggebend für die Betriebstemperatur sein wird. Der im Datenblatt angegebene Wert Rth vom Die zur Leiterplatte lässt Rückschlüsse (aber nur mit den empfohlenen Kupferanschlussflächen) auf die zu erwartende Sperrschichttemperatur zu. Der innere Widerstand ist zwar ein fester Wert, doch die Aufsplittung der Leistung vom Die an alle einzelnen LED-Oberflächen ist abhängig von der Anbindung an die Leiterplatte und dem Temperaturunterschied zur Umgebung.

Bei der Abschätzung der Verlustleistung sollten Sie auf jeden Fall Ihren Zulieferer/Hersteller nach den farbabhängigen Strahlleistungen in W/lm fragen.

Nach der Berechnung der Verlustleistung ist es sinnvoll in einem zweiten Schritt den Produktaufbau in einem CFD Programm (in unserem Beispiel berechnet mit 6SigmaET) zu simulieren, um die Leistungsaufsplittung vom Die an die Oberfläche richtig zu bestimmen.

* Dipl.-Ing. Tobias Best ist Geschäftsführer der Alpha-Numerics GmbH in Nastätten.

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