Thermisches Management LEDs mit kühlem Kopf

Leuchtdioden (LEDs) sind dabei, die Übergangslösung »Energiesparlampe« als Leuchtmittel zu ersetzen. Dabei sind LEDs in den allermeisten Fällen effektiv und zuverlässig zu kühlen, um eine lange Lebensdauer der Bauteile zu erreichen. Mit kundenspezifischen Kühlkörperlösungen behalten Leuchtdioden stets einen »kühlen Kopf«.

Gegenüber anderen Leuchtmitteln bieten Leuchtdioden viele Vorteile. Darunter fallen die sehr lange Lebensdauer, die hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit sowie eine nahezu einfarbige Lichterzeugung ohne Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung. Zudem enthalten sie im Gegensatz zu Kompaktleuchtstofflampen (den umgangssprachlichen »Energiesparlampen«) kein Quecksilber. Zwar sind LEDs derzeit noch teurer in der Anschaffung als Glühlampen oder Kompaktleuchtstofflampen, sie werden auf Grund ihrer Robustheit und hohen Lebensdauer inzwischen dennoch zunehmend zur Allgemeinbeleuchtung eingesetzt.

Im Vergleich zur Glühlampe halten diese Halbleiterbauteile bis zu 100-mal länger, was besonders im Automobilbereich, in Signaleinrichtungen, bei sicherheitsrelevanten Bauteilen sowie an schwer zugänglichen Stellen ein wichtiger Vorteil ist. Unter Laborbedingungen beträgt die Lebensdauer einer durchschnittlichen LED bis zu
100 000 Betriebsstunden, aber auch im praktischen Einsatz werden 60 000 bis 70 000 Stunden erreicht.

Zum Vergleich: Eine handelsübliche Glühlampe hält zwischen 750 und 1000 Stunden. Da sich LEDs während des Betriebs erwärmen, ist ein applikationsspezifisches thermisches Management mit entsprechenden Kühlkörpern für eine einwandfreie Funktion und die lange Lebensdauer der Leuchten unabdingbar: Auch wenn der Wirkungsgrad von LEDs sehr viel höher ist als der herkömmlicher Glühlampen, wandeln die Leuchtdioden je nach Farbe und Lichtstärke 75% bis 85% der aufgenommenen Leistung in Wärme um und nur den Rest in Licht.

Immerhin ist das sehr viel besser als bei Glühlampen, die mindestens 95% der aufgenommenen Leistung in Wärme umsetzen. Doch anders als bei Glühlampen ist bei LEDs die Kontaktfläche zwischen Halbleiter und Halter nur wenige Quadratmillimeter klein. Daher konzentriert sich die Wärmeemission auf einen kleinen Punkt. Bei kleinen Leuchtdioden mit einer Leistungsaufnahme im Milliwattbereich reichen die Lötanschlüsse aus, um die Wärme abzuleiten. Ab etwa einem Watt ist jedoch für eine lange Lebensdauer bereits eine (passive) Kühlung nötig. Bei Hochleistungs-Leuchtdioden, die mit Stromstärken über 20 mA betrieben werden, entstehen schließlich besondere Anforderungen an die Wärmeableitung - hier kommen Kühlkörper mit Zwangsbelüftung zum Einsatz.

Individuell konfigurierte Kühlkörper

Contrinex führt sowohl passive als auch aktive Kühllösungen für LEDs im Produktportfolio. Neben Standardkühlkörpern bietet das Unternehmen vor allem kunden- und projektspezifisch angepasste LED-Kühlungen an. Dabei erfolgt die Montage der Kühlkörper wahlweise mittels Verschrauben, Clippen, einer wärmeleitenden Verklebung oder durch Auflöten.

Die Bauteile finden sich in weißer wie in brauner Ware, in der Autoelektronik und im Bereich der regenerativen Energien sowie in industriellen Netzteilen, Computern und in der Signal- und Haustechnik. Die Kühlkörper reichen von nur wenigen Millimeter großen und einigen Gramm leichten Kühlelementen für LEDs bis hin zu zwei Meter langen und 200 kg schweren Kühlkörpern für Wechselrichter in der Bahntechnik. Auch die Kühlungsarten sind so unterschiedlich wie die Anwendung selbst: von natürlicher Konvektion über Luftkühlung mit Gebläsen bis hin zu Wärmetransport durch Flüssigkeiten oder Heatpipes zur Kühlung von Halbleiterelementen.

In die Berechnung des passenden Kühlsystems für einen LED-Typ fließen diverse Faktoren ein: Neben der Leistungsaufnahme und damit der Verlustwärme spielen die Chipgröße, die Geometrie von LED und Halterung sowie die Umgebungsvariablen (Umgebungstemperaturen, Vibrationen, Luftfeuchte, etc.) eine wichtige Rolle. Dabei führt Contrinex auf Basis der Kundendaten eine Auswahl infrage kommender Technologien sowie thermische Simulationen durch und trifft danach die Entscheidung für die geeignete Kühl- und Befestigungstechnik sowie die Kühlkörper-Materialauswahl, die dann in Produktion geht (Bild 1).

Der Vorteil: Der kostspielige Teil der Prototypenfertigung entfällt oder wird drastisch reduziert. Durch die vorherige Simulation aller kundenspezifischen Anferti-gungen lässt sich nicht nur die zu erzielende Kühlleistung überprüfen, auch lassen sich Materialkosten einsparen. Kann beispielsweise durch die richtige Dimensionierung, Material- sowie Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden, spart dies in nicht unerheblichem Maße Material- und Fertigungskosten. Mit geeigneten Materialalternativen und Fertigungsmethoden, beispielsweise bei hohen Stückzahlen Druckguss statt aufwendiger CNC-Bearbeitung, lassen sich ebenfalls dank der applikationsspezifischen Berechnungen größere Kosten einsparen.

Vom Standard zur Spezialanfertigung

Zu den Klassikern unter den Standardkühlern gehören Leiterplatten-, SMD- und Profilkühlkörper als passive sowie aktive Kühlkörper mit AC- oder DC-Lüfter. Sie alle sind in verschiedenen Abmessungen und Leistungsklassen standardisiert als Katalogware erhältlich, können aber nach Kundenwunsch angepasst werden. High-End-Lösungen, die mittels flüssiger Medien kühlen, sind in der Regel individuell ausgelegt. Nicht nur die Leistung der Wärmeabfuhr ist dabei ausschlaggebend für eine Sonderanfertigung. Auch gestiegene Rohstoffpreise von Materialien wie Kupfer oder Aluminium sind Gründe, die wirtschaftlich betrachtet eine Maßanfertigung rechtfertigen. 

Wer eine Kühllösung in optimalem Preis-Leistungs-Verhältnis sucht, sollte daher für seine Produkte eine individuelle Lösung wählen. Contrinex bietet mit seinem Engineering nicht nur die Möglichkeit, Standard-Kühlelemente zu modifizieren, sondern kann zusammen mit seinen Lieferanten auch Sonderanfertigungen bereits in kleinen Stückzahlen entwickeln.

Die Modifizierung ist oft eine »einfache« Lösung. Standard-Kühlkörperprofile aus dem Katalog, die zwar den erforderlichen Kühlleistungen einer Applikation entsprechen, lassen sich häufig an individuelle Einbaubedingungen hinsichtlich der gewünschten Abmessungen anpassen und optimieren (Bild 2). Damit möchte das Unternehmen auf die immer kleiner werdenden Geräte reagieren, in denen weniger Platz für Kühlung zur Verfügung steht. Eine weitere Möglichkeit zur kundenspezifischen Auslegung ist die Integration der Kühlfunktion in ein Gehäuse oder in tragende Komponenten.

Diese Lösung ist immer dann gefragt, wenn beispielsweise ein Gerät mit seiner Elektronik in einer staubigen Umgebung betrieben wird oder wasserdicht sein muss. Solche Gehäuse sind dann jedoch dicht, und somit findet darin keine Luftzirkulation statt. Die zu kühlenden Bauteile müssen innen an der Gehäusewand angebracht sein, um sie von außen über das Gehäuse kühlen zu können. Derlei Gehäuse, die Contrinex auch ohne Kühlfunktion kundenspezifisch fertigen kann, sind aus entsprechenden Gusswerkstoffen wie Aluminium individuell hergestellt und auf Wunsch mit Bohrungen, Gewinden oder Ähnlichem versehen.

Über den Autor:

Georg Laskowsky ist Sales Manager bei Contrinex