Wärmemanagement von LEDs Hitzetod vermeiden

Für die Auswahl des richtigen Kühlkörpers ist nicht nur die anfallende Verlustleistung ausschlaggebend, sondern auch die Einbaulage des Kühlkörpers.
Für die Auswahl des richtigen Kühlkörpers ist nicht nur die anfallende Verlustleistung ausschlaggebend, sondern auch die Einbaulage des Kühlkörpers.

LED-Beleuchtung bietet einige Vorteile. Ein unzureichendes Wärmemanagement führt allerdings zu vorzeitiger Alterung und kürzerer Lebenszeit. Die richtige Methode zur Wärmeabfuhr hängt maßgeblich vom Wärmewiderstand ab – ein Überblick.

LEDs sind vor einer Überhitzung zu schützen. Aus diesem Grund ist ein auf die Anwendung richtig abgestimmtes Wärmemanagement bei der Auswahl und dem Aufbau einer Leuchte von Anfang an mit zu bestimmen.

Für die Nutzung von LED-Leuchten spricht unter anderem ihre vergleichsweise gute Umweltbilanz: Im Gegensatz zu Neonröhren oder Energiesparlampen, die giftige Gase und Quecksilber enthalten und deren ordnungsgemäße Entsorgung über den Sondermüll erfolgt, werden die LED als elektronisches Bauteil zu großen Teilen recycelt und die einzelnen Komponenten der Wertschöpfungskette wieder zugeführt. Das hohe Einsparpotenzial bei der elektrischen Leistungsaufnahme und somit auch bei der Verlustleistung, ist ein weiteres Argument für LEDs. Sie wandeln etwa 70 Prozent der Leistung in Licht um. Die herkömmliche Glühlampe, die immer mehr vom Markt verschwindet, liegt bei lediglich etwa fünf Prozent. Das gilt auch unter der Berücksichtigung, dass bei der Beleuchtung mit LEDs, um die gleiche Lichtstärke wie bei einem klassischen Leuchtmittel zu erzielen, mehrere LEDs im Verbund benötigt werden.

Betriebstemperatur und Wärmewiderstand

Als Verbund von LEDs werden LED-Module aus den Farben rot, grün und blau bezeichnet. Sie lassen sich stufenlos in den verschiedenen Farben dimmen, sodass für unterschiedliche Anwendungen immer die geeignete Lichtfarbe bereitsteht. Um diese Vorteile auch langfristig nutzen zu können, ist es wichtig, die Betriebstemperatur der LEDs im Auge zu haben. Die sollte die vom Hersteller angegebene Sperrschichttemperatur zu keinem Zeitpunkt überschreiten. Für diese Aufgabe stehen verschiedene Möglichkeiten der Entwärmung zur Verfügung. Ein Entscheidungskriterium für die Auswahl der geeigneten Maßnahmen ist der thermische Widerstand (Wärmewiderstand). Er berechnet sich über folgende Formel:

R subscript t h end subscript equals fraction numerator open parentheses T subscript j minus T subscript a close parentheses over denominator P times eta end fraction minus R subscript T H T M end subscript equals fraction numerator increment T subscript j a end subscript over denominator P times eta end fraction minus R subscript T H T M end subscript

Die einzelnen Variablen bedeuten:
Rth: Wärmewiderstand Junction/Ambient [K/W]
Tj: Junction Temperature (max. Sperrschichttemperatur aus dem LED-Datenblatt [K]
Ta: Umgebungstemperatur [K]
P: Gesamtverlustleistung der LED (If∙ Vf aus dem LED-Datenblatt) [W]
η: Wirkungsgrad der LED (aus dem LED-Datenblatt)
RTHTIM =Wärmewiderstand für das Wärmeleitmaterial [K/W]

Der Wärmewiderstand wird von den Kühlkörperherstellern angegeben und sagt aus, wie viel Wärmemenge über die verschiedenen Kühlkörper an die Umgebung abgegeben werden kann. Die Formel zeigt auch, dass sich der benötigte Wärmewiderstand umgekehrt proportional zur Verlustleistung verhält. Dies bedeutet, je mehr Leistung abgeführt werden soll, desto kleiner muss der benötigte Wärmewiderstand ausfallen. Was im Gegenzug bedeutet: Je kleiner der Wärmewiderstand, desto mehr Wärme kann über den Kühlkörper abgeführt werden. Das ist unter anderem darin begründet, dass sich der Wärmewiderstand auch umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit und der Fläche verhält.

Wärmeleitmaterial berücksichtigen

In der Formel ist zusätzlich noch der Wärmewiderstand für das Wärmeleitmaterial angegeben. Es ist wichtig, diesen mit einzuberechnen, denn er kann unter bestimmen Umständen einen sehr hohen Wert haben. Das gilt gerade dann, wenn das Wärmeleitmaterial fehlt oder falsch ausgelegt ist. Auftretende, nicht bekannte Umstände im thermischen Pfad können im ungünstigsten Fall, trotz eines gut berechneten Wärmemanagements, zur Überhitzung und somit zum Ausfall der LED führen. Deshalb muss immer eine Sicherheitsreserve miteinberechnet werden.

Kühlverfahren wählen

Der Wärmewiderstand gibt eine erste Entscheidungshilfe für das Kühlverfahren. Dafür stehen im Großen und Ganzen drei Verfahren zur Verfügung:

  • Die Kühlung über eine natürliche Konvektion mittels extrudierten Kühlkörperprofilen
  • Eine forcierte Kühlung mittels Kühlkörper und einem angeschlossenem Lüftermotor
  • Die Kühlung mithilfe von Fluiden

Hierbei haben die verschiedenen Verfahren jeweils ihre Vor- und Nachteile. Für das Verfahren über eine natürliche Konvektion stehen unterschiedliche Varianten von Kühlkörpern auf dem Markt zur Verfügung. Gerade in der Beleuchtung ist das Design ein entscheidender Faktor, der Kühlkörper wird häufig als Gehäuse verwendet. Kühlkörperhersteller haben sich darauf eingerichtet und entwickeln optisch ansprechende und thermisch optimierteProfile. Das Gewicht von extrudierten Kühlkörpern kann in manchen Fällen zu einem Problem führen. Auch dafür stellen die Kühlkörperhersteller Lösungen aus Blechkühlkörpern zur Verfügung (Bild 1). Hierbei werden Bleche zur Vergrößerung der Oberfläche eingepresst, das Gewicht wird somit drastisch reduziert.

Einbaulage des Kühlkörpers

Die Auswahl sollte aber nicht nur vom Design und vom Gewicht, sondern insbesondere von der Verlustleistung abhängig sein. Auch dafür kann der Wärmewiderstand zu Rate gezogen werden. Für die einzelnen Kühlkörper wird vom Hersteller der Wärmewiderstand in Bezug auf die Länge in Diagrammen angegeben (Bild 2).

Es ist darauf zu achten, unter welchen Bedingungen die Werte vom Kühlkörperhersteller aufgenommen wurden. Denn der Wert hängt nicht nur von der Größe und der Geometrie des Profils ab, sondern auch von der Einbaulage und dem Temperaturbereich. Als Beispiel verschlechtert sich die Wärmeabfuhr bei einer horizontalen Einbaulage um 15 bis 20 Prozent im Gegensatz zu einer vertikalen Einbaulage.

In machen Anwendungen kann die Einbaulage vorab nicht bestimmt werden oder ändert sich innerhalb der Anwendung. Für diesen Fall stehen unter anderem sogenannte Stiftkühlkörper (Bild 3) zu Verfügung. Bei diesen kann die aufgewärmte Luft ungehindert in verschiedenen Einbaulagen die Wärme an die Umgebung abgeben. Die Auswahl des richtigen Kühlkörpers, beziehungsweise des richtigen Kühlverfahrens, ist aber nur ein Aspekt des thermischen Managements.

 

Wärmeleitmaterial

Die Auswahl eines geeigneten Wärmeleitmaterials ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Auch hierbei stehen drei verschiedene Gruppen zur Verfügung:

  • Wärmeleitfolien
  • Wärmeleitende Pasten
  • Wärmeleitende Kleber

Sie sind notwendig, um Lufteinschlüsse zwischen der LED und dem Kühlkörper auszuschließen. Sie entstehen durch Unebenheiten und Toleranzen in den Komponenten und lassen sich auch durch eine gute mechanische Bearbeitung nie ganz vermeiden. Es gilt bei der Auswahl, dass das Wärmeleitmaterial so dünn wie möglich ausgelegt sein sollte, um den Wärmewiderstandwert RTHTIM möglichst klein zu halten. Auf der anderen Seite ist aber unbedingt zu beachten, dass das Wärmeleitmaterial so dick wie notwendig ausgelegt ist, um Lufteinschlüsse effektiv zu vermeiden.

Die Anwendung bestimmt auch die Auswahl des richtigen Wärmeleitmaterials. Sollte die LED einfach und schnell austauschbar sein, ist Kleber problematisch. Folien sind dann die bessere Wahl. Ist die Anwendung aber ohne eine Schraubbefestigung geplant, wird an Kleber oder einer doppelseitig klebenden Folie kein Weg vorbei führen. Wie die Anwendung aber auch aussieht, das richtige thermische Management ist darauf abzustimmen – sonst ist die Langlebigkeit der LED nicht gegeben.

Die Autorin Jeannine Schmidt ist als Entwicklungsingenieurin bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.