Warum der Temperaturhaushalt einer LED wichtig ist

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Der Wärmewiderstand und der Kühlkörper

Besonders die Berechnung des Wärmewiderstandes liefert hierbei eine sehr hilfreiche Aussage über die benötigte Kühlkörpergröße, -geometrie und -länge. Gemäß physikalischer Definition ist der Wärmewiderstand, auch thermischer Widerstand genannt, ein Widerstand gegen den Wärmefluss in festen, flüssigen und gasförmigen Medien. Dieser ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit: Je kleiner dieser Wert ist, desto besser leitet ein Bauteil oder Kühlkörper die Wärme ab.

Die Einheit des Wärmewiderstandes wird in Kelvin pro Watt [K/W] angegeben. Dieser berechnet sich nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik aus einer Temperaturdifferenz durch welche die abzuführende Verlustleistung dividiert wird. Mit dem so berechneten Wärmewiderstand kann unter Berücksichtigung der weiteren Randbedingungen eine Auswahl des Kühlkörpers anhand der in den Katalogen der Kühlkörperhersteller gemachten numerischen Angaben, Diagrammen oder graphischen Darstellungen erfolgen (Bild 3).

Der passende Wärmewiderstand zum angegebenen Querschnitt wird im Schnittpunkt der Kennlinie bei dazugehöriger Kühlkörperlänge ermittelt. Neben der Klassifizierung der Luftbewegung, wie freie oder erzwungene Konvektion, Luftvolumen, -geschwindigkeit und -ausbreitung, muss auch die Orientierung des Kühlkörpers in der Applikation eine besondere Berücksichtigung erhalten. Kamm- oder Rundprofile sollten so montiert werden, dass der natürliche konvektive Auftrieb nicht behindert wird.

Bei aktiver Entwärmung mittels Lüftermotoren ist zusätzlich auf eine möglichst barrierefreie Luftzufuhr und -abfuhr zu achten. Kühlkörper mit einem zusätzlichen aufgebrachten Ventilator oder einer Luftumströmung können je nach Applikation eine Verbesserung der Wärmeableitung bis zu ca. 40 Prozent erzielen. Die hierfür verwendeten Kühlkörper mit einer omnidirektionalen Rippengeometrie, auch Pin-Fin oder Stiftkühlkörper genannt (Bild 4), sind speziell auf die gute Wärmeableitung mittels bewegter Luft ausgelegt. Aktive Entwärmungskonzepte erzeugen aufgrund der Lüfterflügelrotation für das menschliche Ohr hörbare Luftbewegungen, die besonders im Bereich der LED-Technik in etlichen Anwendungen, wie der Beleuchtungstechnik für Museen oder Konzertsälen, nicht erwünscht sind.

Bei Applikationen wie einer Deckeneinbauleuchte stehen Luftströmungen ohne den Einsatz von Lüftermotoren in Form von Zugluft zur Verfügung. Hierfür eignen sich besonders die bereits genannten Kühlkörpervarianten, welche in zwei unterschiedlichen Herstellungsverfahren realisiert werden. Im ersten Verfahren werden herkömmliche Strangkühlkörper aus Aluminium in den verschiedenen Abmessungen mit einer speziellen

Eine verbesserte Wärmeableitung erreicht

CNC-Bearbeitungstechnik geschlitzt, wodurch das Pinraster mit einer rechteckigen Pinstruktur entsteht. Dieses kann für kundenspezifische Applikationen, je nach vorher simulierter Einbausituation, relativ einfach an die jeweiligen Erfordernisse und Luftströmungen angepasst werden. Im Gegensatz hierzu werden Stiftkühlkörper mit einer runden Pingeometrie im Fließpressverfahren hergestellt, bei dem der Kühlkörper durch ausformen des Materials in einer Matrize entsteht.

Mit Hilfe einer speziellen Werkzeugtechnologie wird ein Materialbutzen aus Aluminium oder Kupfer gehalten und in einen weiteren Arbeitsschritt mit einem Stempel in die Kühlkörper gebende Form gepresst. Die so entstehenden Stiftkühlkörper sind aus der Legierung Al 99,5 gefertigt, wobei bedingt durch die Art der Materialumformung während des Herstellungsprozesses eine hoch verdichtete Mikrostruktur des Materials entsteht.

Diese in Wärmeflussrichtung gleichgerichtete Struktur führt zu einer erheblichen Verbesserung der Wärmeableitung, da eine zeitlich schnellere und gleichmäßige Wärmeverteilung in der Basis, zu den Rippen (Stiften) und innerhalb der Stifte, gegeben ist. Sicherlich bleiben Fliesspresskühlkörper aufgrund ihrer Herstellungsart und -geometrie, als auch wegen der hohen Werkzeugkosten, auf einen kleinen Bereich des Entwärmungsspektrums beschränkt, bieten jedoch eine wärmetechnische Verbesserung und eine interessante Alternative zu herkömmlichen Entwärmungsmaßnahmen, auch in der LED-Technik.

* Jürgen Harpain ist Entwicklungsleiter bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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