Wie sich mit thermischer Simulation LEDs optimieren lassen

LED-Leuchtendesign im Auto Wie sich mit thermischer Simulation LEDs optimieren lassen

26.07.2013Autor / Redakteur: Boris Marovic * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Wärme beeinflusst eine LED: Leuchtensysteme auf Basis von LEDs im Automobil unterliegen besonderen thermischen Bedingungen. Worauf dabei zu achten ist, zeigen wir Ihnen im Beitrag.

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LEDs im Auto: Die Leuchtensysteme im Auto sind einer besonderen thermischen Umgebung ausgesetzt. (Im Bild: Luxeon Altilon im Audi R8 für Fern- und Abblendlicht).
(Philips)

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kfz-Lichtquellen sind LEDs wesentlich temperaturempfindlicher und ihre Verwendung in einem Design erfordert Kenntnisse über ihre Struktur und das langfristige Verhalten sowie ein geeignetes thermisches Managementsystem vom Kühlkörper bis zur kühlenden Fluidströmung. Ausgestattet mit diesem Repertoire sind die Entwickler in der Lage, ihre Designs zu optimieren, um eine lange LED-Lebensdauer, geringe Verschiebungen der Emissionswellenlänge und minimale Verringerung der Lichtausbeute zu gewährleisten. Sie können LEDs effizienter als Lichtquelle nutzen und den Einsatz von LEDs in der Automobilindustrie forcieren.

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So wählen Sie die passende LED

Mit T3Ster und TeraLED lassen sich hochgenaue und wiederholbare Messungen des realen Wärmewiderstands durchführen und diese in thermische Widerstands-Kapazitäts-Modelle für den Einsatz in thermische CFD-Simulationen während der Produktentwicklung konvertieren.

Das Highly Accelerated Life Testing (HALT) unterstützt den Entwickler bei der Auswahl passender LEDs mit hoher Zuverlässigkeit über die geplante Produktlebensdauer der Leuchtdiode. Dank der thermischen Simulation ist garantiert, dass das thermische Managementsystem das richtige Klima für die LEDs über die Lebensspanne mit minimalen Verlusten der Qualität und Leistungsfähigkeit erzeugen wird. Hinzu kommt, dass die Concurrent-CFD-Methode von FloEFD den Produktentwicklungszyklus beschleunigt.

Der Wechsel im Leuchtendesign von Glühlampen zu LEDs hat das alte thermische Managementkonzept überholt und fordert eine neue Denkweise. Während Glühlampen den Wärmeverlust meist zu rund 83% abstrahlen, zu rund 12% ableiten und keinen thermischen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Lichtquelle unterliegen, übertragen LEDs ihren Wärmeverlust von 60 bis 85% meist durch Konduktion. Außerdem sind sie für thermisches Management sehr empfänglich. Der Wirkungsgrad einer 100-W-Glühlampe beträgt ungefähr 5%, bei LEDs liegt der Wert bei 15 bis 40% und wird ständig verbessert.

Hohe Farbstabilität und lange Lebensdauer

Die größte thermische Herausforderung bei LEDs ist es, eine hohe Farbstabilität und lange Lebensdauer zu bewahren. LEDs in der Automobilindustrie müssen eine lebenslange Haltbarkeit aufweisen. Da LEDs nicht nur effizienter, sondern in Bezug auf die höhere Sichtbarkeit interessanter sind und dadurch eine höhere Sicherheit bieten, hat die Economic Commission for Europe (ECE) für alle neuen Fahrzeugmodelle ab 2011 das Tagfahrlicht zwingend vorgeschrieben. Wodurch die LEDs durch Ihre Effizient natürlich interessant werden.

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Thermisches und radiometrisches Verhalten gewährleistet Zuverlässigkeit

Die Originaldatenblätter der Hersteller enthalten oft weder die für genaue und zuverlässige Simulationsergebnisse von Fluid- oder Strukturanalyse notwendigen Informationen, noch bieten die Hersteller in der Regel eine Garantie oder einen Hinweis auf Fehler in den Messdaten. Deshalb muss der Anwender deren Charakteristiken für seine Applikation testen und messen. Nur so kann er die Zuverlässigkeit der Komponenten und Materialien vor der Verwendung in einem Produkt gewährleisten.

Thermische Charakterisierung: Der Wärmewiderstand R_th von LEDs beeinflusst die Lebensdauer, Effizienz und den Betrieb in unterschiedlichen Bereichen sowie die elektrische, thermische und optische Leistungsfähigkeit eines LED-Produkt. Ein LED-Package kann wie jedes andere Halbleiter-Package anhand seines Wärmewiderstands sehr gut für den Dauerbetrieb charakterisiert werden. Damit kennzeichnet der Wärmewiderstand, um wieviel Grad die Sperrschichttemperatur steigt, wenn dem Bauelement eine Verlustleistungseinheit zugeführt wird

Die grundlegende Technik ist es, die temperaturabhängige Spannung der Komponente zu messen. Die LED wird von einem stationären Zustand ein- oder ausgeschaltet und erreicht nach einiger Zeit den anderen stationären Zustand (heiß/kalt oder umgekehrt). Während dieses Prozesses werden kontinuierlich transiente Messungen durchgeführt, die bei einem kleinen Messstrom eine Kennlinie des thermischen Einschwingverhaltens liefern. Anhand der gemessenen Temperaturdifferenz und der zum Schalten der Komponente verwendeten Leistungsdifferenz kann eine Strukturfunktion abgeleitet werden.

Die in Bild 3 dargestellte Strukturfunktion erlaubt es, den Junction-to-Case- (R_thJC) Wärmewiderstand zu bestimmen, der für eine genaue thermische Simulation wichtig ist. Eine derartige Strukturfunktion kann nicht nur bei der Bestimmung des Wärmewiderstands helfen, sondern dient auch zum Vergleich verschiedener LEDs, Lot-/Kleber-Qualitäten, Mängel und der Lokalisierung der Mängel sowie der Leistung unterschiedlicher Arten von PCB/MCPCB bezüglich ihrer Kühleffektivität und Temperaturabhängigkeit. Alles zwischen Die und Umgebung kann über die Strukturfunktion dargestellt werden und durch Mängel oder Alterung hervorgerufene Änderungen können im Vergleich zum normalen oder idealen Aufbau erkannt werden.

Radiometrische Charakterisierung: Thermische Charakterisierung ist wichtig, um Erkenntnisse über die Mängel von LEDs zu erlangen, den Wärmewiderstand zu erhalten und den richtigen Kleber oder das optimale TIM zu testen und die besten thermischen Managementfähigkeiten des Produktes sicherzustellen. Jedoch wird die gesamte elektrische Leistung, die zum Betreiben einer LED genutzt wird, in Wärme und Licht umgewandelt. Deshalb sollte für eine korrekte thermische Charakterisierung die von der LED emittierte optische Leistung von der zugeführten elektrischen Leistung subtrahiert werden, um den tatsächlichen internen Wärmewiderstand _Rth-real zu erhalten, der ausschließlich auf der Wärmeentwicklung der LED basiert.

R_th-real = ΔT/P_heat= ΔT/(P_el - P_opt)

R_th = ΔT/ΔP

Wobei R_th und R_th-real die Wärmewiderstände in Kelvin pro Watt für allgemeine Halbleiter und Solid-State-Lighting (SSL-)Komponenten sind; ΔT die Temperaturdifferenz zwischen den stationären Zuständen (heiß und kalt) in Kelvin [K] ist; P_heat und ΔP die tatsächliche Leistung ist, die zum Erwärmen der Komponente verwendet wird und die Leistungsdifferenz zwischen der zum Betreiben der Komponente erforderlichen Leistung und der kleinen Leistung in Watt [W] ist; P_el die elektrische Leistung zur Ansteuerung der Komponente ist und P_opt die optische Leistung ist, welche die SSL-Komponente emittiert.

Ohne Berücksichtigung der optischen Leistung würde sich die Strukturfunktion der LED bei verschiedenen Junction-Temperaturen und Steuerströmen ändern, da der Lichtstrom von diesen Parametern abhängt.

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