Kaufverhalten und Gemütszustände werden maßgeblich durch den Einsatz von Licht beeinflusst. Aus dieser Industrie sind LEDs nicht mehr weg zu denken.
Ein langes und wartungsarmes Leben der LEDs sind Vorteile, die bei der Entscheidung zum Einsetzten von LEDs entscheidend sind. Um dies zu gewährleisten, müssen die Parameter, die von den LED-Herstellern angegeben werden, zwingend eingehalten werden. Die Bedeutung des Wärmemanagements ist hier besonders bei der Langlebigkeit der LED entscheidend.
Woher kommt die Wärme in LEDs?
Die bei der LED verwendeten Materialien werden so festgelegt, dass das emittierende Licht kaum Ultraviolett- oder Infrarotstrahlung enthält. In der Theorie wird somit keine oder kaum Wärme von der LED abgestrahlt.
Die LED ist so aufgebaut, dass die Wärme nicht in Richtung des Lichtstroms abgeht, sondern in Richtung der Platine geleitet wird. Die Temperaturerhöhung entsteht durch den Strom, welcher im inneren Widerstand der LED Verlustleistung produziert.
Extremtemperaturen vermeiden
Angaben von 50.000 Betriebsstunden sind in den Datenblättern der Hersteller zu finden. Um diese Zahl besser einordnen zu können, ist es notwendig, zu verstehen, auf welchen Daten diese Angabe basiert.
Die Nennlebensdauer bezieht sich auf den Zeitraum, in welchem die Helligkeit des Leuchtmittels auf einen bestimmten Wert, zum Beispiel 50 Prozent, abgenommen hat. Dies bedeutet, dass der Lichtstrom, angegeben in Lumen (lm), nur noch 50 Prozent des ursprünglichen Wertes beträgt.
Um die Werte für die Betriebsstunden zu erreichen, dürfen zu keinem Zeitpunkt extreme Temperaturen an der LED anliegen. Als extrem sind alle Temperaturen über der von Hersteller angegebenen Maximaltemperatur zu sehen. Hier ist die Lösung ein geeignetes Wärmemanagement.
Erster Schritt: Wärmewiderstand berechnen
Die Auswahl eines für die Applikation geeigneten Kühlkörpers erfolgt über die thermischen Kriterien. Als ersten Anhaltspunkt ist der thermische Widerstand (Wärmewiderstand) zu berechnen.
Rth = (Tj - Ta) / P
Rth = Wärmewiderstand (Junction/Ambient) [K/W]
Tj = Junction Temperatur (Sperrschichttemperatur) [K]
Ta = Umgebungstemperatur [K]
P = Gesamtleistung der LED [W]
Der Wärmewiderstand gibt hier die ersten Anhaltspunkte, welches Kühlverfahren das geeignete für die Anwendung ist. Der Widerstand wird von den Kühlkörperherstellern für die jeweiligen Produkte angegeben.
Der Wert beschreibt, welche Wärmemenge die verschiedenen Kühlkörper an die Umgebung abgeben können. Er verhält sich umgekehrt proportional zu der Wärmeleitfähigkeit des Materials. Für den Wärmewiderstand gilt: Je kleiner der Wärmewiderstand ist, desto mehr Wärme kann abgeführt werden.
Wichtige Faktoren bei der Berechnung des Wärmewiderstands
Bei der Berechnung ist es aufgrund zusätzlicher Wärmewiderstände entlang des thermischen Pfades wichtig, diese mit einzuberechnen, aber auch Sicherheitsreserven zu berücksichtigen. Diese sind wichtig, um auch bei ungünstigen, nicht vorhersehbaren Verhältnissen die maximale Sperrschichttemperatur nicht zu überschreiten und somit die Lebensdauer und die Lichtqualität der LED nicht zu gefährden.
Weitere Faktoren, wie die Einbausituation, der zur Verfügung stehende Platz und die Orientierung, dürfen auf keinen Fall vernachlässigt werden. Aus diesem Grund ist es unbedingt notwendig, auf die Angaben des Kühlkörperherstellers zu achten, unter welchen Bedingungen der Wärmewiderstand ermittelt wurde. Der Wert des Wärmewiderstandes variiert nicht nur von Profil zu Profil, sondern hängt zusätzlich von der Einbaulage und dem Temperaturbereich entscheidend ab.
Eine horizontale Einbaulage zum Beispiel verschlechtert die Ableitung der Wärme um 15 bis 20 Prozent. Dies wird durch den Kamineffekt begründet, welcher auftritt, wenn der Kühlkörper vertikal angeordnet ist: Die Kühlrippen verlaufen hier waagerecht von oben nach unten.
Bei dem Kamineffekt wird sich zunutze gemacht, dass warme Luft eine geringere Dichte als kalte Luft hat und somit nach oben steigt. Durch den im unteren Teil des Kühlkörpers entstehenden Unterdruck wird kalte Luft angesaugt. Auf diese Weise ist die Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörperoberfläche und umströmender Luft immer möglichst hoch, und es erfolgt eine höhere Wärmeabgabe an die Umgebung.
Bei horizontal verlaufenden Rippen kann hingegen keine kalte Luft von unten in den Kühlkörper strömen. Zusätzlich kann die Luft nicht ungehindert nach oben steigen. Dadurch entsteht ein Wärmestau, und die Wärmeabgabe verschlechtert sich.
Optimale Umstände oft nicht realisierbar
Aus verschiedenen Gründen kann aber eine optimale Einbaulage nicht immer gewährleistet sein. Auch kann ein nicht ausreichendes Platzangebot die Verwendung von Kühlkörperprofilen in einer natürlichen Konvektion schwierig machen.
Für diesen Fall bieten Kühlkörperhersteller Kombinationen aus extrudierten Kühlkörperprofilen und einem Lüftermotor. Je nach verwandtem Lüftermotor und dessen Volumenstrom ist eine Verbesserung der Wärmeabfuhr von bis zu 45 Prozent erreichbar. Dieser Bereich wird von den Kühlkörperherstellern immer weiter ausgebaut.
Auf dem Markt sind Produkte zu finden, bei denen das Profil so ausgelegt wurde, dass LED-Module nach Zhaga-Konformität wie auch Lüftermotoren direkt verschraubbar sind. Adapter, in denen Lochbilder für alle gängigen LEDs integriert sind, helfen bei der Befestigung ohne eine weitere mechanische Bearbeitung.
Lufteinschlüsse mit Wärmeleitmaterialien vermeiden
Der Gesamtwärmewiderstand setzt sich aus den einzelnen Wärmewiderständen entlang des thermischen Pfades additiv zusammen. Durch Lufteinschlüsse in der Verbindung zwischen LED und Kühlkörper wird der Wärmewiderstand maximiert. Luft ist einer der schlechtesten Wärmeleiter überhaupt. So ist es unbedingt notwendig, diese Lufteinschlüsse zu vermeiden.
Hohe Bauteiltoleranzen und Oberflächenrauheiten begünstigen die Entstehung von Lufteinschlüssen. Hier ist ein geeigneter Wärmeübergang mittels Wärmeleitmaterial zu schaffen. Wärmeleitmaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als die zu vermeidenden Einschlüsse. Auf dem Markt sind verschiedene Grundtypen an Wärmeleitmaterial zu finden.
Bei der LED-Befestigung mittels Schrauben werden beispielsweise Wärmeleitpasten, Wärmeleitfolien, Kapton-Isolierscheiben, Aluminiumoxydscheiben oder Glimmerscheiben verwendet. Selbstklebende Wärmeleitmaterialien, wie doppelseitig klebende Wärmeleitfolien oder ein wärmeleitender Epoxydharx-Kleber, sind für die direkte Montage der LED auf dem Kühlkörper verwendbar.
Grundsätzlich ist bei der dedizierten Nutzung von Pasten, Folien und Klebstoffen in elektrischen Schaltkreisen unbedingt zu beachten, dass diese keine aggressiven chemischen Substanzen enthalten, die durch Ausgasung mit der LED-Element reagieren. Dies würde zu einer Trübung oder sogar Zersetzung der LED-Linse führen und in Folge dessen Lichtstrom beziehungsweise Funktionalität beeinträchtigen.
Zur Berechnung des Wärmewiderstandes des Wärmeleitmaterials wird folgende Formel verwendet:
Rth = d / λ ⋅ A
Rth = Wärmewiderstand (Wärmematerial) [K/W]
d = Dicke/Länge des Wärmeweges [m]
λ = Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/mK]
A = Querschnittfläche der Kontaktfläche [m2]
Thermisches Management gut auslegen
In der Beleuchtungsindustrie entscheidet häufig auch das Design. Kühlkörperhersteller haben Profile mit massivem Innenkern entwickelt, die nicht nur gut die Wärme ableiten, sondern auch direkt als Leuchtengehäuse verwendet werden können.
Die Kühlkörper werden mechanisch bearbeitet, und der Montagering für die Befestigung der LED kann direkt auf dem Innenkern aufgeschraubt werden. Weitere Komponenten, wie die LED-Platine und die Optik, werden dann über Eindrehen im Montagering befestigt. Ein einfaches Austauschen der einzelnen Komponenten ist somit gewährleistet.
Für alle Anwendungsfälle muss zwingend sichergestellt sein, dass das thermische Management ausreichend gut ausgelegt ist. Dazu bieten Dienstleister und Kühlkörperhersteller unter anderem computergestützte Wärmesimulationen an, die bereits in der Entwicklungsphase eingesetzt werden können, um das thermische Management der späteren LED-Beleuchtung richtig in der Theorie auszulegen. Prototypen und aufwendige Messungen werden in der Entwicklungsphase verringert, sollten aber für einen finalen Praxistest in einer Realumgebung nie ganz außen vor gelassen werden.
