LEDs leuchten mit der Zeit immer schwächer. Die LED-Lebensdauer neigt sich dem Ende zu, sobald ein bestimmter prozentualer Anteil der Anfangslichtleistung erreicht ist. Beim Alterungsprozess spielt die Temperatur eine entscheidende Rolle, weshalb ein dauerhaft funktionierendes Wärmemanagement genauso wichtig für die Wirkungsweise einer LED-Beleuchtungslösung ist wie die richtige Ansteuerung. Ein schlecht durchdachtes Wärmemanagement schadet nicht nur der Lichtfarbe, sondern auch der Lebensdauer der LED. Dies ist umso bedenklicher, als LEDs ja gerade aufgrund ihrer langen Lebensdauer in Bereichen eingesetzt werden, wo ein nachträgliches Austauschen mit einem hohen Montageaufwand verbunden wäre.
Kostenersparnis durch Simulationen
Um neben hohen Reparatur- oder Montagekosten auch schon die Entwicklungskosten einer LED-Beleuchtung zu minimieren, werden computergestützte Wärmesimulationen eingesetzt. Bei diesen Simulationen wird die Temperaturverteilung im Gesamtsystem (bestehend aus LED, Wärmeleitmaterial, Gehäuse, Kühlkörper und Umgebung) untersucht. So lässt sich schon in einem sehr frühen Entwicklungsstadium erkennen, welche Optimierungen am Kühlkörper, am Wärmeleitmaterial oder beim Gesamtaufbau nötig sind. Die für die Simulation benötigten Daten werden mittels 3D-Programmen aufgebaut und lassen sich für eventuelle Optimierungen einfach anpassen. So lässt sich der Aufbau eines Prototyps in vielen Fällen auf einen einzigen finalen Test reduzieren.
Entscheidungshilfe Wärmewiderstand
Einen ersten Anhaltspunkt in Bezug auf die Dimensionierung der Kühllösung gibt der Wärmewiderstand. Er wird als Rth abgekürzt und über folgende Formel berechnet:
Dabei sind TJ die sogenannte Junction-Temperatur – das heißt, die maximale Sperrschichttemperatur aus dem LED-Datenblatt – und TA die Umgebungstemperatur (in K), P die Gesamtverlustleistung der LED (If × Vf aus dem LED-Datenblatt, in W), η der Wirkungsgrad der LED und RthTIM der Wärmewiderstand für das Wärmeleitmaterial (in K/W). Kühlkörperhersteller geben den Wärmewiderstand immer für die einzelnen Kühlsysteme an.
Durch die Berechnung des Wärmewiderstandes kann entschieden werden, welche Kühllösung sich am besten eignet. Bei höheren Leistungen ist der Wärmewiderstand so klein, dass eine passive Lösung nicht mehr ausreicht. In diesen Fällen ist eine aktive Lösung mit Lüftermotoren denkbar. Gegen diese Lösung sprechen jedoch häufig die hohe Geräuschentwicklung und die teilweise recht hohen Ausfallraten der Lüftermotoren. Flüssigkeitskühllösungen haben den Vorteil, dass sie eine hohe Leistungsdichte auf relativ geringem Raum abführen können, sind aber aufgrund des hohen Peripherieaufwands in der Beleuchtung häufig nicht praktikabel. Ein weiteres Argument für eine passive Lösung besteht darin, dass der Kühlkörper schon als Gehäuse beziehungsweise als Designelement genutzt werden kann.
Das richtige Wärmeleitmaterial
Die Formel für den Wärmewiderstand zeigt, dass die Auswahl des Wärmeleitmaterials eine wichtige Rolle spielt. Wärmeleitende Materialien vermeiden Lufteinschlüsse, die durch Unebenheiten und Toleranzen der Bauteile entstehen können. Luft gilt als einer der schlechtesten Wärmeleiter, der Wärmewiderstand würde sich im Fall eines Lufteinschlusses also erheblich verschlechtern. Für die Anbindung einer LED an den Kühlkörper stehen drei verschiedene Arten von Wärmeleitmaterialien zur Verfügung: Wärmeleitpasten, wärmeleitende Folien und Wärmeleitkleber. Die drei Materialklassen unterscheiden sich in Bezug auf ihre Anwendungsart, Wärmeleitfähigkeit und Schichtdicke. Wärmeleitende Folien sind komfortabler in der Handhabung, da sie zwischen die LED und den Kühlkörper geklemmt werden. Pasten und Kleber weisen dafür geringere Schichtdicken auf.
Die Formel für den Wärmewiderstand des Wärmeleitmaterials zeigt, wie die Schichtdicke d (in m) in die Rechnung eingeht:
Dabei ist λ die Wärmeleitfähigkeit des Materials (in W/K/m) und A die Querschnittfläche der Kontaktfläche (in m2). Eine im Vorfeld zu gering berechnete Schichtdicke führt in der späteren Anwendung zu großen Problemen, da durch Lufteinschlüsse ein schlechter Wärmeübergang entsteht. Dies verringert die Effizienz der LED und kann zu einem Temperaturanstieg führen, der im schlimmsten Fall die Zerstörung der LED zur Folge hat. Werden die Toleranzen mechanisch verringert, kann man eine geringere Schichtdicke verwenden, wodurch sich der Wärmewiderstand verringert.
Einfluss der Wärmeleitfähigkeit
Die Formel zeigt auch, dass die Wärmeleitfähigkeit des Materials Einfluss auf den Wärmewiderstand hat. Hohe Wärmeleitfähigkeiten führen aber oft zu hohen Kosten, da das Material mit gut wärmeleitenden Substanzen versetzt werden muss. Bei der Suche nach dem passendsten Wärmewiderstand für das Wärmeleitmaterial hat es sich als am sinnvollsten erwiesen, die mechanische Bearbeitung (mit der Folge einer geringeren Schichtstärke) mit einer nicht ganz so hohen Wärmeleitfähigkeit zu kombinieren. Gerade bei LED-Anwendungen ist darauf zu achten, dass es keine oder nur wenige flüchtige Verbindungen im Wärmeleitmaterial gibt, da diese sich auf der LED-Oberfläche niederschlagen und zu einer Trübung der Linse beziehungsweise der Kunststoffabdeckung führen können.
Die Berechnungen zeigen, dass alle wärmetechnischen Randbedingungen des Gesamtsystems – bestehend aus der Umgebung, der LED, dem Wärmeleitmaterial und dem Kühlkörper – in Betracht gezogen werden müssen, wenn man ein Beleuchtungssystem entwickeln möchte, das die volle Lebensdauer der LED ausschöpft.
