Wärmemanagement fürs Leuchtendesigns Maßvolle Temperaturen bei LEDs

Weiterentwicklung der LED-Technologie
Kühllösungen für die LED-Technologie

Mit der sukzessiven Weiterentwicklung der LED-Technologie hat im Beleuchtungssektor ein Umbruch stattgefunden. Doch zur Nutzung aller positiven Eigenschaften, z.B. Effektivität einer LED, muss u.a. auch die Herausforderung „thermisches Management“ verstanden werden.

Die Entwicklung der LED hat die Welt des künstlichen Lichtes massiv beeinflusst und neu gestaltet – so wie einst die Erfindung der elektrischen Glühlampe. Auf dem Markt sind heutzutage von diversen LED-Herstellern unterschiedlichste LED-Bauformen und -Typen, je nach Licht­applikation, in verschiedenen Leistungsklassen zu finden. Hinzu kommen die unterschiedlichen Lichtfarben bzw. Farbtöne bei LEDs, sodass Lichtdesignern nahezu unendliche Gestaltungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen. LEDs gelten in Bezug auf ihren Strombedarf als sehr wirtschaftlich, senken auf diese Weise die Energiekosten. Darüber hinaus bewertet man sie als umweltfreundlich, da LEDs im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtstoff- oder Energiesparlampen keine hochgiftigen Elemente wie Quecksilber enthalten.

Die LED gilt bereits als das Leuchtmittel der Zukunft, da aufgrund gesetzlicher Auflagen zur Energieeffizienz und zur Reduktion von Schadstoffen die meisten etablierten Leuchtmittel in den kommenden Jahren schrittweise vom Markt genommen werden. In puncto Langlebigkeit können LEDs ebenfalls punkten. In den Datenblättern spezifizierte Brenndauerwerte von mindestens 50.000 h ergeben in der Praxis – bei einer durchschnittlichen Leuchtdauer von 6 h täglich – eine beträchtliche Standzeit von bis zu 23 Jahren. Als Fazit kann festgehalten werden, dass mit der Entwicklung der LED, einer Lichtquelle auf Halbleiterbasis, eine neue Ära in der Beleuchtungstechnik eingeleitet wurde. Eine genaue Marktbetrachtung lässt allerdings den Schluss zu, dass die Entwicklung der LED zum heutigen Tage längst noch nicht abgeschlossen ist.

LEDs mögen es kühl

Die vielzähligen positiven Eigenschaften der LED sind in aller Munde und hinreichend bekannt. Neben der Theorie gilt es allerdings in anwendungsspezifischen Applikationen einige technische Grundvoraussetzungen zu beachten, um der LED ein langes Leben zu schenken. Die einzelne LED als Leuchtmittel stellt für ein gutes Licht nur einen Teil der gesamten Funktionsbausteine dar. Neben der notwendigen Stromversorgung, der Optik zur Bündelung oder Spreizung des Lichtes sowie der LED-Treiberelektronik muss insbesondere der Temperaturhaushalt einer LED berücksichtigt und kontrolliert werden. Der Einsatz eines effizienten thermischen Managements ist allerdings bei vielen Anwendungen oftmals von Missverständnissen dahingehend geprägt, wie man die Angaben im LED-Datenblatt richtig interpretiert.

Insbesondere wird den thermischen Anforderungen von Hochleistungs-LEDs nicht genügend Beachtung gewidmet. Beim Lichtgenerierungsprozess werden in der Sperrschicht einer LED nach heutigem Stand der Technik ca. 35 Prozent der zugeführten Energie in Licht umgewandelt. Die restlichen 65 Prozent der aufgebrachten Energie wandeln sich in Wärme und haben einen direkten Einfluss sowohl auf die Lebensdauer als auch auf den Lichtstrom bzw. auf die Lichtausbeute einer LED. Dies gilt sowohl für einzelne LEDs als auch für komplette LED-Module. Aufgrund dessen ist es zwingend erforderlich, das entstandene Wärmeaufkommen durch ein effizientes thermisches Management an die Umgebung abzuleiten.

Grundsätzlich gilt: Je kühler eine LED betrieben wird, desto länger ist deren Lebensdauer und desto effizienter und heller ist die LED. Der dauerhafte Betrieb einer LED in einem nicht vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereich führt zwangsläufig zu einer sehr schnellen Degradation oder sogar zur Zerstörung des Bauteils.

Zur effektiven Entwärmung von LEDs kommen sehr häufig speziell abgestimmte Strangpress-Kühlkörper aus Aluminiummaterial (Bild 1) zum Einsatz. Diese liefern aufgrund ihrer Formgebung und Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials sehr gute technische Leistungskennwerte. Darüber hinaus können sie relativ einfach CNC-technisch bearbeitet werden und lassen sich damit individuell auf kundenspezifische Bedürfnisse anpassen. Das Wirkprinzip der freien, natürlichen Konvektion liefert durch die leise Art der Entwärmung einen zusätzlichen Mehrwert für den Anwender, welcher für viele Applikationen des LED-Alltags gefragt und gefordert wird. Die verschiedenen und vielzählig auf dem Markt erhältlichen Kühlkörper-Aufbauten erschweren dem Anwender allerdings auch eine geeignete und vor allem richtige Kühlkörperauswahl.

Thermischer Widerstand liefert erste Anhaltswerte

Zur Eingrenzung der in Frage kommenden Kühlkörper ist es ratsam, sich in einer ersten Näherung die thermischen Sachverhalte anzuschauen. Hierzu ist die Berechnung des thermischen Widerstandes mit einfachen, überschlagsmäßigen Formeln empfohlen.

Der thermische Widerstand (Wärmewiderstand) ist umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit. Das heißt: Je kleiner der errechnete Wert ausfällt, desto besser leitet der Kühlkörper die aufgenommene Wärme des Bauteils ab. In Analogie zum ohmschen Gesetz erfolgt die Berechnung aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen LED-Chiptemperatur und der Umgebungstemperatur. Gemäß dem zweiten Hauptgesetz der Thermodynamik wird nun die Temperaturdifferenz durch die maximal abzuführende Verlustleistung der LED dividiert. Bei einer genaueren Berechnung der LED-Verlustleistung sind zusätzliche – im Herstellerdatenblatt genannte – Korrekturfaktoren zur emittierenden Lichtleistung und der anvisierten Helligkeitsgruppe abzuziehen.

Sind diese technischen Korrekturfaktoren im LED-Datenblatt nicht spezifiziert, so kann mit einem Korrekturfaktor der emittierten Lichtleistung von 2 bis 3 Prozent ausgegangen werden. Der in Kelvin pro Watt [K/W] berechnete Wärmewiderstand Rth dient nun als Grundlage zur Vorauswahl eines passenden LED-Kühlkörpers. Zur Ermittlung der jeweiligen Kühlkörperlänge zum entsprechenden Querschnitt machen die Kühlkörperhersteller in ihren Katalogen oder im World Wide Web Angaben zum thermischen Widerstand in Form von numerischen Werten, Diagrammen oder grafischen Darstellungen (Bild 2).