Thermische Auslegung Systemintegration von High-Power-LEDs

Die LED übernimmt immer mehr eine führende Rolle bei den Beleuchtungsmitteln. Neben der Frage nach einer ausreichenden Lebensdauer stehen dabei Effizienz, Farbgenauigkeit, Farbstabilität und natürlich kommerzielle Aspekte wie z.B. das Verhältnis Lumenleistung pro Euro im Mittelpunkt. Als „Schallmauer“ galt einmal das Erreichen von 200 lm/Euro – eine Grenze, die heute von einigen Herstellern wie z.B. Citizen sogar bei Farbtemperaturen von 2.700 K deutlich überschritten werden kann.

Die rasante Entwicklung von High Power LEDs hat zu interessanten Produkten geführt: Waren es zunächst lange LEDs im Bereich 1 bis 3 W, kamen später solche für höhere Leistungsbereiche als sogenannte Multi-Chip-Module auf den Markt. Dabei werden mehrere einzelnen LEDs auf ein Trägermaterial wie Aluminium oder Keramik aufgebracht und entsprechend miteinander verschaltet (Bild 1). Dadurch sind sehr hohe Lumenpakete verfügbar.

Diese LEDs ermöglichen vor allem in der Außenbeleuchtung kostengünstige Lösungen. Dabei stehen nicht ausschließlich kalkweiße Farbtemperaturen, wie sie hauptsächlich in der Straßenbeleuchtung eingesetzt werden, im Mittelpunkt. Inzwischen setzen viele Kunden in der Objektbeleuchtung auch ganz gezielt auf neutrale bzw. warme Farbtemperaturen im Bereich 3.000 bis 4.000 K.

Die leistungsstärkste LED von Citizen ist die CLL050-1825. Der maximale Lichtstrom dieser LED liegt bei 17.600 lm bei einer maximalen Bestromung von 3 A. Die Helligkeit wird bei dieser LED mit 450 einzelnen LED-Dies erzeugt, die Anschlussleistung liegt bei ca. 178 W.

Die Lebensdauer ist entscheidend

Nun sind LEDs als Leuchtmittel nicht so einfach auszutauschen wie Glühlampen. Deshalb spielt die Lebensdauer bei der Auswahl eine wichtige Rolle. Der Markt fordert hier 50.000 h bei einem Lichtverlust von höchstens 30 %. Einige Hersteller garantieren diese Werte. Grundlage für das Erreichen dieser Lebensdauer ist eine ausreichende Kühlung der LED.

Jede High-Power-LED muss in der jeweiligen Applikation umfassend getestet werden, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Kühlung erfolgt und die LED unterhalb der erlaubten Sperrschichttemperatur (Tj) betrieben wird. Zu der gemessenen Temperatur Tc an der LED muss noch das Produkt aus Wärmewiderstand der LED Rj und Leistung Pd hinzuaddiert werden:

Tj = Tc + Rj × Pd

Nur wenn die Sperrschichttemperatur Tj unterhalb des angegebenen Wertes liegt, kann die angegebene Lebensdauer der LED garantiert werden.

Berechnung eines Kühlkörpers

Für die Berechnung eines Kühlkörpers kann folgende Formel verwendet werden:

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mit Rth gesamt = Rth LED + Rth PCB

Aus ihr geht hervor, dass bei größeren Leistungen der Wert Rth für den Kühlkörper immer kleiner wird und somit ein immer größerer Kühlkörper verwendet werden muss, damit das System stabil bleibt und eine entsprechende Lebensdauer erreicht werden kann. Während die maximal erlaubte Sperrschichttemperatur Tj und die Außentemperatur Ta (a für ambient) nur bedingt beeinflussbar sind, müssen deshalb als Lösungsansatz Rth gesamt und Pgesamt möglichst klein gehalten werden, damit ein kleiner und somit auch kostengünstiger Kühlkörper realisiert werden kann.

Reduzierung der Gesamtleistung

Eine Reduzierung von Pgesamt kann durch den Einsatz von effizienten LEDs erreicht werden. Deshalb kann es für den Anwender durchaus sinnvoll sein, eine sehr leistungsstarke LED unterhalb des Nennstromes zu betreiben. Die genannte Citizen LED CLL050-1825A1 erreicht bei 500 mA einen Lichtstrom von 3600 lm und damit eine Lichtausbeute von 145 lm/W. Diese hohe Lichtausbeute eröffnet neue Möglichkeiten für die Anwendung heller LEDs, sofern keine ausreichende Möglichkeit für die notwendige Kühlung besteht. Die fehlende Kühlmöglichkeit wird mit einer erhöhten Lichtausbeute kompensiert; die anfallenden höheren Kosten für die LED lassen sich durch die Möglichkeit rechtfertigen, einen kleineren und dadurch deutlich kostengünstigeren Kühlkörper einsetzen zu können.

Reduzierung Rth der LED

Der gesamte Wärmewiderstand Rth gesamt ist die Summe der einzelnen Wärmewiderstände vom LED-Die bis zur Anbindung an den Kühlköper. Als Rth LED wird der thermische Widerstand der LED vom LED-Die bis zum Trägermaterial der LED bezeichnet, als Rth PCB bezeichnet man den thermischen Widerstand zwischen der LED und dem Kühlkörper.

Der Aufbau von Citizen-LEDs bietet den Vorteil, dass sie eine bessere Wärmeverteilung im Kühlkörper aufweisen als eine herkömmliche LED (Bild 2 oben). Der Grund dafür liegt in dem geringeren thermischen Übergangswiderstand zwischen „Die" und Substrat.

Die untere Grafik in Bild 2 zeigt die gemessene Lichtintensität nach mehr als 46.000 h Dauerbetrieb bei einer maximal zugelassenen Chip-Temperatur Tj von 120 °C. Die Lichtintensität hat lediglich um 16 % abgenommen. Das ist nur durch sehr gute Materialeigenschaften der LED-Dies und eine hohe Verarbeitungsqualität erreichbar.