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Lichttechnik

Thermomanagement bei LED-Scheinwerfern

13. Mai 2013, 13:12 Uhr | Von Johannes Hirt und Andreas Zeiff

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

LED-Kühlung - kurz und knapp erklärt

Die nötige Kühlleistung und damit die Förderrate des Lüfters bestimmen zwei Komponenten: die physikalischen Eigenschaften der Luft und ihrer Fähigkeit, Wärme aufzunehmen, und das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle.

Letzteres ist direkt von den technischen Eigenschaften des verwendeten Chips abhängig. Oft beziehen sich die optischen Werte auf eine Temperatur am Chip von etwa 25 °C; jedes Kelvin darüber beeinträchtigt die Leistung und Lebensdauer. Ebenso ist die maximale Grenzschichttemperatur bauartbedingt festgelegt. Bei 20 bis 25 °C kann mit einer Lebensdauer bis 200.000 h gerechnet werden; ab 60 °C nimmt sie jedoch rapide ab. Gleichzeitig mit der Erwärmung sinkt der Wirkungsgrad der LED - es wird weniger Licht abgestrahlt und der Chip dadurch noch wärmer.

Aus der variablen Temperaturdifferenz der Luft zwischen Einströmen und Abströmen aus dem Kühlkörper lassen sich bei bekannter abzuführender Verlustleistung die nötigen Förderraten des Lüfters errechnen. Bei geringer Temperaturspreizung (ΔT) zwischen kühlender Raumluft und maximaler Chiptemperatur können das erhebliche Luftmengen sein. Einen idealen Wärmeübergang vorausgesetzt, ergibt sich so die Formel

V = Q/(Cp × ρ × ΔT),

wobei V den Volumenstrom, Q die Verlustleistung, Cp die spezifische Wärmekapazität der Luft, ρ die Luftdichte und ΔT die zulässige mittlere Temperaturerhöhung darstellen. Dieser Mindestwert an Luftmenge muss sichergestellt sein, um den Kühlkörper auf zulässigem Temperaturniveau zu halten.