LED-Kühlung: Methoden der LED-Entwärmung

LEDs setzen 30 % der zugeführten Energie in Licht um, der Rest bleibt allerdings als Wärme übrig. Insbesondere bei Hochleistungs-LEDs muss deshalb ein Fokus auf ein umfassendes thermisches Management gelegt werden, um effiziente und langlebige Beleuchtungssysteme entwickeln zu können.

Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Für das Menschenauge reicht dieses Lichtspektrum von etwa 380 bis 760 nm Wellenlänge. Die wohl wichtigste natürliche Lichtquelle ist unsere etwa 4,5 Mrd. Jahre alte Sonne, deren Licht unsere Erde als Strahlung erreicht und ein nahezu homogenes Spektrum besitzt. Seit Tausenden von Jahren versuchen Menschen Licht künstlich zu erzeugen; dabei entstanden Lichtquellen wie Feuer, Öllampe, Kerze, Glühlampen und schließlich auch die LED.

Licht kann auf drei Arten generiert werden. Der sogenannte Temperatur-Emitter erzeugt Licht durch Erwärmung eines schwarzen Körpers, zum Beispiel durch Aufheizen des Wolfram-Glühfadens einer Glühbirne. Bei einer typischen Temperatur von 2700 K wird dann Licht mit einer Farbe abgestrahlt, dem wir eine Farbtemperatur von 2700 K zuordnen. Bei der Fluoreszenzlampe wird durch ein starkes elektrostatisches Feld eine Gasentladung herbeigeführt, die typischerweise nicht sichtbare Ultraviolett-Strahlung erzeugt, die erst durch eine Phosphorbeschichtung des Glaskolbens in sichtbares Licht konvertiert wird. Unsere heutigen LEDs erzeugen Licht, indem an den PN-Übergang eines LED-Chips eine Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt wird. Dadurch wandern freie Ladungsträger in die Verarmungszone und Elektronen rekombinieren mit Löchern. Einige dieser Rekombinationen emittieren dann monochromatisches Licht.

Entwärmung erforderlich

Bei allen diesen Lichtquellen wird bei der Umsetzung Wärme erzeugt, da nur ein Teil der zugeführten elektrischen Energie in Licht umgewandelt wird. Die Vorteile der modernen LED-Beleuchtung wie der Wirkungsgrad von etwa 30 % sowie, dass keine In­frarot- oder UV-Anteile im Licht vorliegen, werden mit dem Nachteil der hohen Wärmeentwicklung erkauft (Tabelle 1). Wird beispielsweise eine LED mit 10 W elektrischer Leistung betrieben, strahlt sie circa 30 % der vorhandenen Energie als optische Energie in Form von sichtbarem Licht ab. Die verbleibende Energie von etwa 70 % bleibt als Wärme übrig, die durch geeignete Maßnahmen abgeführt werden muss.

 Weiße High-Brightness-LEDTypische FluoreszenzlampeHalogen-Metalldampflampe60-W-Glühlampe
Sichtbares Licht30%21%27%8%
IR-Lichtca. 0%37%17%73%
UV-Licht0%ca. 0%19%0%
Gesamte abgestrahlte Energie30%58%63%81%
Verbleibende Wärme70%42%37%19%
Tabelle 1. Erzeugte Wärme bei verschiedenen Lichtquellen im Vergleich

Diesen Vorgang der Entwärmung von LEDs bezeichnen wir als thermisches Management. Die abzuführende Wärmeenergie vom LED-Chip an das umgebene Umfeld (meist Raumluft) wird im Wesentlichen von drei Transfer-Modi übergeben: der Wärmestrahlung, der Wärmeleitung und der Konvektion. Bei der Wärmeleitung wird die Wärme zwischen festen Körpern übergeben (Kochtopf auf dem Herd), die Konvektion verwendet Gase und Flüssigkeiten als Transportmedium (Radiatoren in Wohnräumen), die Wärmestrahlung findet im Raum ohne ein Transportmedium statt (Sonnenstrahlung auf die Erde).

Es gilt nun für Hochleistungs-LEDs eine Strategie zu entwickeln, die erzeugte Wärme im Halbleiter zuverlässig abzuführen. Dafür ist das Einhalten einer maximalen Temperatur des PN-Übergangs Tj (Junction Temperature) entscheidend. Denn diese Temperatur beeinflusst massiv die Farbwiedergabe, die Effizienz, die Degradation der optischen Leistung und die Lebensdauer. Da sich Tj nicht direkt messen lässt, wird sie über die Temperatur des LED-Gehäuses Tc überwacht. Dabei stellt der sogenannte thermische Widerstand den Zusammenhang zwischen der zu entwärmenden Leistung und der Temperaturdifferenz zwischen LED und Umgebungstemperatur her.