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Das CFD-Simulationswerkzeug 6SigmaET simuliert Wärmeleitung, Konvektion
und Wärmestrahlung.

Bild: Alpha-Numerics

Optoelektronik & Displays Kühlen Kopf bewahren

30.10.2015

Eines der aktuell heißesten Themen ist die innovative Beleuchtungstechnik durch den Einsatz von LEDs. Sie sind stoß- und vibrationsfest, ein plötzlicher Ausfall ist unwahrscheinlich, bieten eine gute Blendbegrenzung, sind mit sehr niedrigen Spannungen realisierbar und eine Vielzahl von technischen Vorteilen gegenüber herkömmlicher Beleuchtungstechnik ebnen den Siegeszug der LEDs in unzähligen Branchen. Doch all das hat einen Preis.

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Die LED wird oft thermisch unterschätzt. Es werden zwar relativ kleine Leistungen erzeugt, doch erwärmt die LED meist auf sehr kleiner Fläche mit ca. 85 Prozent Ihrer Leistung die Leiterplatine. Steigt durch eine schlechte Entwärmung die Betriebstemperatur auf ein nicht empfohlenes Niveau, bezahlt die LED mit Leuchtkraft, Farbfehlern und letztendlich mit einer verkürzten Lebensdauer

Komplett simuliert

Durch den frühzeitigen Einsatz eines CFD-Simulationswerkzeuges (Computational Fluid Dynamics, Computerunterstützte Strömungssimulation) wie zum Beispiel 6SigmaET, kann diese Wärmeentwicklung basierend auf den geplanten Einbaubedingungen sehr genau vorhergesagt werden. Für ein Simulationsmodell benötigt man einige Informationen, welche importiert oder in der CFD-Software manuell erstellt werden können.

Heutzutage kann durch den problemlosen Import von 3D-CAD-Daten das gesamte Gerät in solch eine Analysesoftware importiert werden. Noch vor wenigen Jahren mussten umfangreiche und detailverliebte CAD-Baugruppen für eine Simulation stark vereinfacht werden. Doch durch die Weiterentwicklung aktueller Solver- und Vernetzungstechnologien kann eine Temperatursimulation alle Details mit aufnehmen. Gerade bei LED-Applikationen ist es wichtig das realistische PCB-Layout aufzuprägen, da die reale Kupferstruktur direkt unter der LED den Hauptwärmeweg vorgibt. Interfacestoffe wie Paste, Kleber, Folie oder Pad sollten im Simulationsmodell auch nicht vergessen werden. Wird nun eine Kühlsenke (Kühlkörper oder anderweitiges Aluprofil) auf der Rückseite der Platine aufgeschraubt oder geklemmt sollte bedacht werden, dass ein hundertprozentiger Kontakt vom PCB zur Kühlsenke nicht gewährleistet werden kann und es zu Lufteinschlüssen kommt. Auch diese können in ein Simulationsmodell eingebunden werden.

Als letzter aber sehr wichtiger Punkt wird die reale Einbaubedingung nachgebildet. Die Effizienz des Kühlkörpers kann man nur in realer Einbaulage prüfen, da der Luftauftrieb nun mal gravitationsabhängig ist. Gern wird dies bei einfachen Simulationsmodellen übergangen um die Berechnungszeit bei einem schwachen Solver oder ineffizienter Vernetzung gering zu halten. Vernetzung bedeutet in der CFD-Welt, das Modell und den virtuellen Simulationsraum durch ein Netz in so kleine Zellen zu unterteilen, dass eine Energieverteilung bis zum physikalischen Gleichgewicht berechnet werden kann.

Aufgrund unserer Erfahrungen kann man sagen, dass solche Modellaufbauten in diesem Detaillevel innerhalb eines Tages problemlos realisierbar sind. Meist steht das Simulationsergebnis am nächsten Morgen schon zur Verfügung. Dieses beinhaltet die Oberflächen- und Volumentemperaturen jedes einzelnen Bauteils, sowie die detaillierte Aufteilung der Energieflüsse via Wärmeleitung, Konvektion oder Wärmestrahlung. Somit können nicht nur Wärmebarrieren leicht festgestellt werden, sondern auch die richtigen Kühlansätze aufgrund dieser Ergebnisse im nächsten Variantendurchlauf virtuell verifiziert werden.

Fazit

Der Einsatz von Simulationssoftware ist lange nicht mehr so kompliziert, wie er noch vor fünf Jahren war. Durch den einfachen Einsatz von CAD-Daten und die automatisierte Vernetzung (sozusagen die Übersetzung Ihres 3D-Modells in eine mathematische-physikalische Beschreibung) schlägt solch ein Simulationswerkzeug eine Brücke zwischen Wissenschaft und Technik. Dies ermöglicht es dem Ingenieur, sich auf seine Aufgabenstellung, also das Kühlen der Elektronik zu konzentrieren und sich nicht in der Komplexität der Numerischen Strömungsmechanik zu verlieren.

Bildergalerie

  • Vollautomatische Vernetzung der Geometrie und der Fluidbereiche

    Bild: Alpha-Numerics

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