Cool bleiben
Thermische Auslegung von LED-Leuchten
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Betriebstemperaturen und Wärmeübertragung
Eine möglichst niedrige Betriebstemperatur sichert nicht nur eine hohe Leuchtkraft und einen hohen Wirkungsgrad der LEDs, sie steht auch für eine lange Lebensdauer. Welche Betriebstemperatur für eine Anwendung zugelassen werden kann, ergibt sich im Wesentlichen aus der geforderten Einsatzzeit und damit aus der geplanten Lebensdauer (Bild 3). Außerdem ist ihre Auswirkung auf den Farbort, die Farbtemperatur und die Treiberspannung zu berücksichtigen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Betriebstemperatur von LEDs zu beeinflussen, wie das Beispiel einer 1‑W-LED aus der Oslon-Serie zeigt. Betrachtet man den Wärmestrom, der von der LED an die Umgebung abgegeben wird, stellt sich heraus, dass die Wärme von der LED aus durch einen sehr kleinen Querschnitt abfließt. Da der Wärmewiderstand umgekehrt proportional zur Fläche ist, durch die die Wärme fließt, ist es sinnvoll, den Wärmefluss als erstes so gut wie möglich aufzuspreizen.
Dies ist umso wichtiger, je schlechter die Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Isolierung zwischen den Lötpads für die LED und dem Kühlkörper ist. Eine gute Wärmespreizung lässt sich erreichen, indem man die Kupferbahnen für den Anschluss der LED möglichst breit auslegt – nicht nur am Wärmepad, sondern auch an den Anoden- und Kathodenanschlüssen. Dies gilt für IMS-Platinen (IMS = Insulated Metal Substrate) und insbesondere für die weitverbreiteten FR4-Platinen sowie für Platinen aus ähnlichen Materialien.
Bei IMS-Platinen trennt eine dünne Isolationsschicht (Dielektrikum) ein meist aus Aluminium bestehendes Trägerblech von den Kupferleiterbahnen der Schaltung. Im einfachsten Fall besteht diese Isolationsschicht aus Epoxidharz, das auch für FR4-Platinen verwendet wird. Das Harz hat eine Wärmeleitfähigkeit von ~0,25 W/mK. Bei einer Schichtdicke von 100 bis 150 µm wird für den Wärmeübergangswiderstand zwischen der LED-Lötstelle (Solder Point) und der Platinenrückseite lediglich ein thermischer Widerstand Rth von 10 bis 15 K/W erreicht. Hochwertige Dielektrika haben eine Wärmeleitfähigkeit von 1 W/mK bis zu 4 W/mK, selbst 10 W/mK werden in einigen Datenblättern angegeben. Hat eine 100 µm dicke Isolationsschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W/mK, kann die Platine einen thermischen Widerstand von 6 K/W erreichen; mit 35 µm dicker Isolationsschicht und einer Wärmeleitfähigkeit von 4 W/mK sind sogar nur 2,5 K/W möglich (Bild 4).
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