LED-Kühlung:
Methoden der LED-Entwärmung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Passive Kühlkörper
Beim thermischen Management muss sowohl auf das Innere der LED als auch auf die LED im Gesamtsystem geachtet werden (Bild 1). Für die Entwärmung innerhalb der LED ist der Hersteller verantwortlich. Typischerweise haben Hochleistungs-LEDs deshalb einen speziellen Aufbau. Durch zusätzliche metallische Flächen und Kontakte (Heat Slug) kann die Wärme schneller an die Trägerplatten abgegeben werden. Das sind typischerweise Leiterplatten aus gut wärmeleitenden Materialien wie MCPCB, aber auch mit handelsüblichen FR4-Materialien lassen sich gute Ergebnisse erzielen, wenn im Layout entsprechende Maßnahmen wie elektrische und thermische Kontaktflächen bzw. Wärmeableitung durch mehrere Durchkontaktierungen (Vias) getroffen werden.
Durch die richtige Platzierung der Durchkontaktierungen lässt sich der thermische Widerstand um mehr als 80 % senken. Für High-Power-LEDs in der Leistungsklasse 50 bis 150 W sind aber andere Maßnahmen zur Entwärmung notwendig. Weit verbreitet sind passive metallische oder keramische Kühlkörper. Sie besitzen keine beweglichen Teile, sind geräuschlos und gelten als sehr zuverlässig, wenn sie richtig berechnet werden. Durch geschickte Anordnung der Kühlrippen ist eine durchschnittlich gute Entwärmung erreichbar, jedoch ergibt sich dadurch eine orientierungsabhängige Kühlleistung. Als Material wird häufig Aluminium und manchmal das viel teurere Kupfer, das sich durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit auszeichnet, verwendet.
Zu berücksichtigen ist, dass es absolut nicht sinnvoll ist, einen passiven Kühlkörper beliebig groß zu machen. Da die Wärme sich – wie in Bild 2 demonstriert – in einem Winkel von etwa 45° von der LED in den Kühlkörper ausbreitet, bringt eine vergrößerte horizontale Oberfläche kaum eine Verbesserung des thermischen Designs mit sich. Die größeren Materialkosten und das hohe Gewicht sprechen dann ebenfalls für eine andere thermische Lösung.
Zur Verbesserung der Entwärmung mit Kühlkörpern kommen oft Lüfter- oder Membran-basierende Systeme zum Einsatz. Durch das Erhöhen des Luftvolumenstroms an der Oberfläche der Kühlrippen wird die Konvektionskühlung signifikant verbessert. Der gleiche thermische Widerstand lässt sich also in einem wesentlich kleineren Raumvolumen erreichen. Allerdings generieren Lüfter Geräusche, Echos und Vibrationen, die in manchen Applikationen unerwünscht sind. Die Kosten erhöhen sich erheblich, da zusätzliche Netzteile, Regler und ein größerer Verdrahtungsaufwand notwendig werden. Die Lebensdauer solcher Lösungen liegt weit unter der Lebensdauer von Leuchtdioden, denn hier gilt: „Alles was sich bewegt, bleibt irgendwann stehen.“ Vor allen Dingen in Umgebungen mit erhöhtem Staubaufkommen sollten zusätzliche Wartungs- bzw. Austauschkosten unbedingt berücksichtigt werden.
Membrankühler
Eine Alternative stellen Membrankühler dar. Ein Beispiel dafür ist die SynJet-Lösung von Nuventix in Bild 3. Eine Membran generiert einen gepulsten, turbulenten Luftstrom, der gezielt zwischen die Kühlrippen eine Kühlkörpers geführt wird und damit die Wärme dort abtransportiert, wo sie entsteht. Dieses selbstreinigende System widersteht sogar extremen Umweltbedingungen wie Staub, Feuchtigkeit und Kälte. Somit lässt sich eine Lebensdauer von bis zu 100.000 h garantieren. Die Kühlkörper von Nuventix werden auch separat angeboten und sind beispielsweise den Standards PAR20, PAR25, PAR38, MR16, AR111 oder verschiedenen Modellen für Spotlight-Anwendungen angepasst.
Mit zunehmender Leistung der modernen LEDs und CoB-Varianten stehen die Entwickler vor neuen Herausforderungen. Deshalb sei hier nochmals betont, dass die meisten Probleme mit LED-Beleuchtungslösungen durch falsches Wärmemanagement verursacht werden. Die Abführung der thermischen Verlustleistung eines LED-Moduls muss in erster Linie durch Konduktion und Konvektion erfolgen; die Wärmeabgabe, die über Strahlung erreicht wird, ist unbedeutend. Dabei sollte ein Augenmerk auf umweltfreundliche Lösungen gelegt werden.
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- Zwei-Phasen-Systeme
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