Starkes Licht, raffiniert gekühlt
Referenzaufbau eines 250-W-Strahlers mit passiver Kühlung
Wie sich ohne allzu großen Aufwand leistungsstarke und kompakte LED-Strahler entwickeln lassen, zeigt das Entwicklungsunternehmen Lidesys, Designpartner von Atlantik Elektronik, anhand eines 250-W-Hochleistungsspots mit passiver Kühlung.
Als Lichtquelle dienen die X10-CoB-LED-Module von Optogan, die über Atlantik Elektronik erhältlich sind.
Der Landshuter Lichtexperte Lidesys entwickelte den 250-W-Spot mit Hilfe der Firma FrigoDynamics im Auftrag des LED-Herstellers Optogan. Unter der Leitung des Lichtdesigners Johann Ramchen, Geschäftsführer von Lidesys, haben die Projektpartner nach einschlägigen Marktuntersuchungen die Anforderungen für einen 250W-Strahler definiert: »Er sollte trotz seiner sehr hohen Leistung mit einem passiven Kühlsystem ausgestattet sein«, beschreibt Ramchen. Die Gründe hierfür waren laut Ramchen u.a. die Anforderung an das Gewicht mit weniger als 3 kg, keine Geräuschentwicklung und eine höhere Zuverlässigkeit, verglichen mit aktiven Kühlsystemen, und eine kompakte Bauform.
Eine 250W-LED-Leuchte erzeugt bei heutigen Lichtausbeuten ca. 180 W Wärmeleistung, der Rest der zugeführten elektrischen Energie wird in Lichtenergie umgewandelt. Deshalb muss die Wärme möglichst effizient abgeführt werden, um die Leuchtdiode im sicheren Temperaturbereich - unter 80°C - zu betreiben. Bei der Untersuchung und Bewertung verschiedener Kühlkörpertechnologien hat sich die Zweiphasen-Wärmetauscher-Technologie laut Ramchen als die bessere Alternative für LED-Leistungen über 200 W, basierend auf CoB-Konzepten, herausgestellt.
Das Prinzip des ZP-Wärmetauschers basiert auf Übertragung der Wärme durch Überführung einer Flüssigkeit in einen gasförmigen Zustand, einer unter Vakuum in einem Kupferröhrchen eingeschlossenen Flüssigkeit, die die Wärme von der Wärmequelle, also dem LED-Modul mit Wärmeleitfähigkeitswerten im Bereich 50.000 bis 100.000 W/mK in andere Bereiche des Kühlkörpers transportiert. Auf diese Weise lässt sich die Wärme konstant über größere Flächen verteilen, um sie vom Kühlkörper in die umgebende Luft zu übertragen.
Der Kühlkörper, der von FrigoDynamics für das »Optogan X10 250W«-Modul entwickelt wurde, hat die Anforderungen an das Designkonzept erfüllt. Unter Verwendung des entwickelten Konzeptes lassen sich 250W-LED-Module mit einem Gewicht von 1,4 kg herstellen (diese Angabe ist ohne Treiber), die als Einzelmodule in der Industrie ihren Einsatz finden oder sich zu Matrizen aus mehreren Modulen zu leistungsfähigeren Konfigurationen wie 500 W (2 Module), 1000 W (4 Module) oder 2000 W (8 Module) kompakt anordnen lassen.
In Bereichen, in denen bisher nur Natriumdampflampen zum Einsatz kamen, können mittlerweile auch LED-Systeme mit zusätzlichen Vorteilen punkten, wie höhere Lebensdauer, einfache Dimmbarkeit und eine breite Auswahl an Lichtspektren. »Das X10-CoB-Konzept hat Optogan so entwickelt, dass es in verschiedenen Konfigurationen und Leistungen aus einem Produktionsgang erzeugt werden kann. Die Kunden können 12 x 6 x 10 Platten (118 x 59 mm) erwerben und später entscheiden, welche Elemente (z.B. 2 x 2 Module mit 40 W Leistung) sie für ihre Leuchten einsetzen wollen«, erklärt Michael Demel, Business Development Manager von Atlantik Elektronik.
Homogene thermische Anbindung der CoB
Während es sich für kleinere Konfigurationen und Anwendungen unter 50 W als vorteilhaft erwiesen hat, die universalen elektromechanischen Anschlüsse zu verwenden, empfiehlt Ramchen für Konfigurationen ab 5 x 5 »X10« oder größer ein neues Verfahren. Denn größere Module neigen unter Verwendung der Clips dazu, eine inhomogene Wärmeverteilung zu entwickeln, was dazu führt, dass die LED-Chips auf dem CoB unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind und dadurch unterschiedlichen Vorwärtsströmen unterliegen. Das wiederum schlägt sich in einer geringeren Effizienz und Lebensdauer nieder. Dieses Problem tritt dann auf, wenn die erzeugten Wärmestromdichten des LED-Moduls mit Anbindung eines Modules durch Thermopaste (2 bis 5 W/mK) am Kühlkörper erfahrungsgemäß über 5 W/qcm liegen.
»In diesem Leistungsbereich wirkt sich jede Unebenheit des CoB-Trägersubstrates wie im Falle des X10 aus Keramik oder bei anderen CoB-Konzepten aus Aluminium stark auf die Temperaturverteilung innerhalb des Modules aus. Das führt zu unerwünschten Effekten wie relativ starke Temperaturdifferenzen innerhalb des Modules«, beschreibt Ramchen. Um diesen unerwünschten Effekt zu vermeiden, muss auf die CoB ganzflächig permanent ein gleichmäßiger Druck ausgeübt werden, um eine homogene thermische Anbindung zu gewährleisten. Im Falle des X10 sind es die Clips, die dafür sorgen. Im Falle der metallischen CoBs hat man die Möglichkeit, die Module festzuschrauben. Im Rahmen der Entwicklung des 250W-Strahlers haben die Projektpartner eine neue und relativ einfache Methode angewandt, um dieses Problem für X10-Hochleistungsmodule zu lösen. Eine hierfür wichtige Eigenschaft der CoB-Module ist die flache Silikonschicht, die beim X10 die gesamte Oberfläche des Moduls einnimmt. Das ermöglicht es, transparente Gläser direkt auf die Silikonoberfläche aufzulegen und damit ganzflächig eine Druckkraft zu erzeugen, die Planarität und somit eine homogene Wärmeverteilung ermöglicht. Der Bereich zwischen dem Kühlkörper und der Glasplatte wird mit weißem Silikon abgedichtet. Diese Schicht dient zusätzlich als Feuchteschutz und lenkt das Licht, das an den X10-Rändern seitlich gerichtet ausstrahlt, in Richtung der Glasoberfläche und sorgt für sehr geringere Lichtverluste. »Dieser Aufbau ermöglicht einfache Konstruktionen auch für IP65- oder IP67-Anwendungen wie z.B. in Gewächshausleuchten«, so Ramchen.
- Referenzaufbau eines 250-W-Strahlers mit passiver Kühlung
- Homogene thermische Anbindung der CoB
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