Wie sich mit thermischer Simulation LEDs optimieren lassen

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LED-Wärme und -Leuchtstärke zu einem bestimmten Strom

Mit der TeraLED/T3Ster-Testhardware von Mentor Graphics können Parameter wie der gesamte Luminous Flux, der gesamte Radiometric Flux sowie die Spektralwerte x, y und z abgeleitet und eine Spektralanalyse durchgeführt werden. Die Strom- und Temperaturabhängigkeit der Dioden-Charakteristiken, optische Leistung, Radiant Efficiency, des Luminous Flux, des Scotopic Flux und der Farbkoordinaten lassen sich mit einer einzigen kombinierten Messung ermitteln und als Funktion des Steuerstroms der LED, Junction-Temperatur (T_j) oder Cold-Plate-Temperatur darstellen.

Die Simulationssoftware FloEFD mit seinem LED-Kompaktmodell bietet Post-Processing-Möglichkeiten, mit denen der Entwickler nicht nur sehen kann, wie heiß die LEDs werden, sondern auch wie viel Wärme tatsächlich von der LED entsprechend dem verwendetem Strom erzeugt wird. Aus diesen Informationen ergibt sich auch wie hell die LEDs leuchten. Ohne diese Fähigkeit würden Ingenieure ein Wärmewiderstandsmodell für die LED definieren und eine Wärmeleistung verwenden. Sie würden, aber nicht wirklich wissen, wie groß diese genau sind, weil Spannung und optische Leistung eine Bandbreite haben, die von der Temperatur der LED für diesen speziellen Strom abhängt.

Bild 6 zeigt, dass der Entwickler mit dem Kompaktmodell der LED den Strom definieren, dann die T3Ster-Daten oder manuell eingegebenen Daten (die in der Regel nicht so genau wie die T3Ster-Daten sind) für die Kalkulation verwenden kann und die Temperatur als Ergebnis der thermischen Charakteristik der LED von T3Ster oder dem Datenblatt erhält. Anschließend erhält er den Luminous Flux oder die „Hot Lumen“ und die Wärmeleistung, welche die LED bei dieser Junction-Temperatur und Strom hat. Die Temperatur der LEDs variiert anhand der verschiedenen Ströme, mit denen sie betrieben werden. Diese unterschiedlichen Ströme und Temperaturen führen zu unterschiedlichen Lichtströmen.

Frühzeitige Simulation beschleunigt Produktentwicklung

LEDs erfordern einen revolutionären Wandel und zwar nicht nur für das thermische Design, sondern auch für das Beleuchtungssystem. LEDs ermöglichen es Designern, kreativer zu sein und ihre Marke oder ihr Fahrzeugmodell durch individuelle, beeindruckende Designs besser zu differenzieren. Aber durch mehr Einfluss auf die Performance, wird die Geometrie durch Reflektoren und Kühlkörper für fast jede einzelne LED viel komplexer. Die zunehmende Komplexität und Änderung in der thermischen Managementstrategie bedeuten, dass bisherige Erfahrungen beim thermischen Design von Beleuchtungssystemen nicht mehr gelten und die Simulation für den Entwicklungsprozess immer wichtiger wird.

Da Design und Leistung immer stärker voneinander abhängen, müssen Entwickler schnell mehrere Designänderungen durchführen und CFD-Spezialisten, die die Analysen beim thermischen Management verantworten, sind mit den schnellen Designzyklen und dem Aufwand für die Vernetzung komplexer Geometrien überlastet. Wirklich automatisierte Vernetzung, die qualitativ hochwertige Netze ohne manuellen Eingriff erzeugt, hat entsprechend an Bedeutung gewonnen. Tatsächlich ist das eine Voraussetzung für eine Concurrent-CFD-Lösung, mit der Entwickler früh im Designprozess und ohne tiefes numerisches und CFD-Knowhow Simulationen durch können, um den Produktentwicklungsprozess zu beschleunigen.

Thermische Simulation verkürzt den

Ein durch FloEFD ermöglichter Concurrent-CFD-Ansatz erlaubt es dem Entwickler, den Entwicklungszyklus durch genaue thermische Simulation für jede Designiteration zu verkürzen. Im Gegensatz zur klassischer CFD, die auf dem Export der CAD-Modelle vom MCAD-System beruht, ist Concurrent CFD vollständig in die MCAD-Umgebung integriert. Deshalb muss das Modell nicht mit einem neutralen Dateiformat wie STEP oder IGES übertragen werden. Diese Übertragungen verlieren üblicherweise jede Parameterdefinition, die im Original-CAD-Modell enthalten ist. Parametrisch definierte Geometrien unterstützen Simulationen von Designvarianten.

Automatische Vernetzung und andere Technologien gestatten es, die CFD-Technologie mit nur dem Verständnis das man über das Produkt und seinem Verhalten benötigt zu verwenden. Simulationszeiten und Netz-Generierung, die traditionell die längsten Schritte im Prozess sind, werden auf ein Minimum reduziert. Anwendungen dieser Technologie erstrecken sich in viele Bereiche in der Automobilindustrie sowie in viele andere Industriezweige. Bild 7 ist ein Beispiel dafür, wie OEM-Ingenieure diese Technologie erfolgreich für die Simulation verschiedener Automobilanwendungen innerhalb ihres MCAD-Systems nutzen.

* Boris Marovic ist Product Marketing Manager für Automotive und Transportation bei der Mechanical Analysis Division von Mentor Graphics in Frankfurt.

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