Wärmemanagement für Beleuchtungen Eine hitzige Debatte

Geeignete Wärme-Ableitmaßnahmen für High-Brightness-LEDs
Geeignete Wärme-Ableitmaßnahmen für High-Brightness-LEDs

High-Brightness-LEDs wandeln ca. 25 % ihrer Eingangsleistung in Licht und ca. 75 % in Wärme um. Also muss der Systementwickler für diese Lichtquellen geeignete Wärme-Ableitmaßnahmen treffen. Die Frage ist nur – welche?

Wärmemanagement in modernen Beleuchtungen – vor allem in jenen mit LEDs – wird so effektiv umgesetzt, dass bei Verbrauchern der Irrtum vorliegt, LEDs würden keine Wärme abstrahlen oder zumindest wesentlich weniger Wärme als Glühlampen. Dies mag ein Ansporn für die Beleuchtungsindustrie sein – es gibt aber keinen Anlass, sich auf den Erfolgen auszuruhen. Wärmemanagement in Beleuchtungsanwendungen ist stets ein aktuelles Thema – und sollte es auch sein –, vor allem angesichts der steigenden Nachfrage für High-Brightness-LEDs, die besonders viel Kühlung erfordern. Heutige High-Power-LEDs, die bis zu 7000 Lumen erzeugen, sind den herkömmlichen 5-mm-Standard-LEDs einen Schritt voraus und müssen besonders behandelt werden.

High-Brightness-LEDs (HBLEDs) finden sich heute in Innen-/Außen-/Display-Beleuchtungen von Fahrzeugen bis hin zu Display-Hintergrundbeleuchtungen und Beschilderungen (Signage). Die Gesetzgebung rund um das Tagfahrlicht (DRL; Daylight Running Lamps) hat wahrscheinlich den größten Einfluss auf diesen Markt, da diese Technik früher nur in Fahrzeugen der Oberklasse zu finden war. Mittlerweile aber wird sie in allen Fahrzeugklassen verbaut. LEDinside, eine Division der TrendForce Corp., berichtet, dass die Zunahme an Multimedia- und Bildsensoren in Automotive-Anwendungen zu einem Übergang von herkömmlichen Instrumentenclustern auf LCD-Panels führt, was die Nachfrage nach Hintergrundbeleuchtungen (und damit HBLEDs) weiter steigern wird.

Das Wärmemanagement hat direkten Einfluss auf die Lebensdauer und die Farbwiedergabe einer LED. Unsachgemäße Verfahren verschlechtern die Lichtleistung und können zum Ausfall führen, wenn die Sperrschichttemperatur einen kritischen Wert erreicht. Auf der anderen Seite finden LED-Hersteller ständig verbesserte Möglichkeiten, um LEDs in Gehäuse einzubinden. Die Wärmeableitung muss allerdings der Systementwickler sicherstellen – und dabei gibt es zahlreiche Möglichkeiten.

Mechanismen für die Wärme-Ableitung

Von Natur aus weisen verschiedene LEDs unterschiedliche Leistungsgrade auf. Eine durchschnittliche LED wandelt dabei 25 Prozent ihrer Eingangsleistung in Licht und 75 Prozent in Wärme um. Da ein solch hoher Prozentsatz der Eingangsleistung in Wärme umgewandelt wird, macht es Sinn, sich über alle Methoden der Wärmeableitung Gedanken zu machen: also in Bezug auf Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung, um somit ein optimales Thermal Design umzusetzen.

Wärmeleitung – die Übertragung von Wärme durch ein festes Material und direkten Kontakt – wird vor allem durch den thermischen Kontakt mit Metallrahmen, Schrauben, Wärmeschnittstellenmaterialien und Anschlüssen zur Befestigung von LEDs hergestellt. Wärmestrahlung, also die Übertragung von Wärmeenergie über ein elektromagnetisches Feld, wird durch den Emissionsgrad des Materials oder das Verhältnis bestimmt, wie nahe sich eine Oberfläche an einem Schwarzkörper (nichtreflektierender Körper) befindet.

Wärmestrahlung hat nur begrenzte Auswirkungen auf LEDs, da sie eine geringere Betriebstemperatur und kleine Oberfläche aufweisen. LED-Kühlungssysteme basieren hauptsächlich auf Konvektion, um Wärme abzuleiten. Konvektion – die Wärmeübertragung durch Bewegung von Flüssigkeiten und Gasen – ist die übliche Wärme-Ableitung von einem Kühlkörper in die Umgebungsluft. Bei der Konvektion stehen zwei Szenarien zur Verfügung: natürliche oder erzwungene Konvektion. Letztere basiert auf einem externen Gerät wie einem Lüfter oder einer Pumpe, um die Flüssigkeit oder das Gas zu bewegen und somit die Wärme aus dem System zu transportieren.
Neben hochentwickelten Keramikverbindungen ist Kupfer das Material mit der größten Wärmeleitfähigkeit, aber sehr teuer. Deshalb kommen in den meisten Anwendungen Kühlkörper aus Aluminium zum Einsatz. In einigen Fällen werden thermoplastische Kühlkörper bevorzugt, da sie leichter sind und sich einfacher formen lassen. Unabhängig von ihrer Zusammensetzung weisen die meisten dieser Kühlkörper ein standardgemäßes geripptes Design auf, um die Oberfläche zu erhöhen. Zudem ist der Abstand zwischen den Rippen maximal ausgelegt, damit die Luft besser zirkulieren kann.