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LED-Kühlkörper Für angenehme Temperaturen sorgen

12.10.2016

LEDs weisen viele Vorteile auf und lösen daher zunehmend althergebrachte Beleuchtungsmittel wie Glüh-, Halogen- und Leuchtstofflampen ab. Damit die neuen Leuchtmittel ein technisch einwandfreies Licht liefern können, gilt es neben der nötigen Stromversorgung, der Optik zur Bündelung oder Spreizung des Lichtes und der Treiberelektronik insbesondere den Temperaturhaushalt der LEDs zu berücksichtigen.

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Die stetige voranschreitende Weiterentwicklung der LED-Technik hat im heutigen Beleuchtungssektor zu einem Umbruch geführt. Mittlerweile bieten verschiedene Hersteller, je nach Lichtapplikation und Leistungsklasse, unterschiedlichste LED-Bauformen und -Typen an. Durch die zahlreichen Lichtfarben sind den Lichtdesignern fast unendliche Gestaltungs- und Designmöglichkeiten gegeben. Außerdem sind LEDs sehr wirtschaftlich im Stromverbrauch und senken damit die Energiekosten. Ein weiterer Vorteil ist ihre Umweltfreundlichkeit. Denn im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtstoff- oder Energiesparlampen werden bei ihrer Herstellung keine hochgiftigen Elemente wie Quecksilber verwendet. Bezüglich der Langlebigkeit weisen LEDs ebenfalls positive Eigenschaften auf. Die von den LED-Herstellern spezifizierte Brenndauer von mindestens 50.000 Stunden ergibt, bei einer durchschnittlichen Leuchtdauer von sechs Stunden täglich, in der Praxis eine beträchtliche Standzeit von bis zu 23 Jahren.
Will man die Vorteile der LEDs, und dabei besonders deren Effektivität und Langlebigkeit, voll ausnutzen, sollte man sich intensiv mit dem Thema „Thermisches Management“ auseinandersetzen.

Thermisches Management beherrschen

Den thermischen Anforderungen von Hochleistungs-LEDs wird seitens der Anwender in der Applikation oftmals nicht genügend Beachtung gewidmet. Nach heutigem Stand der LED-Technik werden beim Lichtgenerierungsprozess in der Sperrschicht einer LED circa 35 Prozent der zugeführten Energie in Licht umgewandelt oder, anders herum gesagt, 65 Prozent der Energieaufwendung wandelt sich in Wärme um, die zwingend durch ein effizientes thermisches Management an die Umgebung abgeleitet werden muss. Diese Tatsache trifft sowohl auf einzelne LEDs als auch auf komplette, aus mehreren LEDs bestehende Module zu. Grundsätzlich gilt: Je niedriger eine LED bezogen auf die Sperrschichttemperatur betrieben wird, desto länger ist deren Lebensdauer und desto effizienter und heller ist die LED von ihrem Wirkungsgrad. Hält man sich nicht an die vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereiche, führt dies im Dauerbetrieb zwangsläufig zu einer sehr schnellen Degradation oder sogar zur Zerstörung des Bauteils.

Um die Temperatur von LEDs zu regeln, kommen häufig stranggepresste Kühlkörper aus Aluminium zum Einsatz. Diese sind genau auf die technischen Parameter einer LED abgestimmt und erreichen aufgrund ihrer Geometrie sowie der guten Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials Aluminium eine gute Kühlleistung. Strangkühlkörper funktionieren nach dem Prinzip der freien (natürlichen) Konvektion und lassen sich einfach mit CNC-Verfahren bearbeiten beziehungsweise auf die in der Applikation geforderten Gegebenheiten anpassen.

Die freie Konvektion bezeichnet man auch als die leise Form der Entwärmung. Dies stellt für den Anwender einen zusätzlichen Mehrwert dar, denn beim Einsatz von LEDs zum Beispiel in Museen oder Büroräumen ist eine geräuschlose Entwärmungsmethode gefragt. Die zahllosen unterschiedlichen Kühlkörperaufbauten, die auf dem Markt verfügbar sind, machen es dem Anwender jedoch schwer, einen perfekt auf die LED-Applikation zugeschnittenen Kühlkörper auszuwählen.

Wärmewiderstand berechnen

Es empfiehlt sich, die vielen in Frage kommenden Kühlkörperlösungen genauer zu betrachten und auf ihre Tauglichkeit hin zu überprüfen. In einem ersten Schritt sollte man die thermischen Sachverhalte der LED analysieren – am besten indem man überschlagsmäßig den benötigten Wärmewiderstand berechnet. Wie auch beim ohmschen Gesetz in der Elektrotechnik erfolgt die Berechnung aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen LED-Chiptemperatur und der Umgebungstemperatur, in der die Applikation eingesetzt werden soll. Gemäß dem zweiten Hauptgesetz der Thermodynamik wird nun die Temperaturdifferenz durch die maximal abzuführende Verlustleistung der LED (PV=VF*IF) dividiert. Um die Verlustleistung, die an der LED entsteht, genau zu ermitteln, sind zusätzliche im Herstellerdatenblatt genannte Korrekturfaktoren zur emittierenden Lichtleistung und der anvisierten Helligkeitsgruppe abzuziehen. Oftmals sind diese technischen Korrekturfaktoren allerdings in den LED-Datenblättern nicht spezifiziert beziehungsweise aufgeführt, so dass häufig mit einem Korrekturfaktor der emittierenden Lichtleistung von 2 bis 3 Prozent gerechnet wird. Letztendlich dient der so errechnete Wärmewiderstand in der Einheit Kelvin pro Watt als Grundlage, um einen passenden Kühlkörper zur Entwärmung der LED auszuwählen.

Anwender verwechseln häufig den thermischen Widerstand mit der Wärmeleitfähigkeit. Wichtig ist hierbei zu wissen, dass der thermische Widerstand umgekehrt proportional zur Wärmeleitfähigkeit ist, das heißt, je kleiner der Wert, desto besser leitet der Kühlkörper die aufgenommene Wärme des Bauteils ab. Sind die Abmessungen des Kühlkörpers in Form von Breite, Durchmesser oder Rippenhöhe spezifiziert, fehlt nur noch die eigentliche Länge (Extrusionsrichtung) des Kühlkörpers. Hierzu machen die Kühlkörperhersteller in ihren Katalogen oder im Internet Angaben zum thermischen Widerstand in Form von numerischen Werten, Diagrammen oder grafischen Darstellungen.

Detailgenau betrachten

Passende Kühlkörper zum errechneten Wärmewiderstand lassen sich oftmals mittels spezieller Suchfunktionen auf der Herstellerhomepage vorselektieren. Da in der Regel mehrere Kühlkörper für eine Applikation in Frage kommen, muss man weitere funktionsgebende Eigenschaften betrachten, um das Ergebnis weiter einzugrenzen. Entscheidungshilfen liefern hierbei die vorgegebenen Einbaubedingungen, der in der Anwendung benötigte Platzbedarf, die eigentlichen Abmessungen des Kühlkörpers, die Formgebung der Wärmesenke sowie die Positionierung und Befestigung der LED auf dem Kühlkörper. Ein optimal geeigneter Kühlkörper muss an zweierlei angepasst werden: die speziellen Gegebenheiten der LED, wie etwa deren abzuführende Verlustleistung, und an deren Größe, die die Wärmeeintragsfläche darstellt.

Besonders beim Einsatz von runden LED-Kühlkörpern ist darauf zu achten, dass der massive Vollkern zur Aufnahme der LED sowie die Außenabmessungen des Kühlkörpers im Durchmesser nicht überdimensioniert werden. Aufgrund der zu geringen Verlustleistung der LED und des überdimensionierten Materialverhältnisses des Kühlkörpers würde sich dieser nicht richtig vollflächig aufheizen – weder in der Breite, noch in der Länge. Hierdurch bleibt der Kühlkörper annähernd kalt und kann seine Aufgabe der Entwärmung nicht zu hundert Prozent erfüllen. Infolgedessen ist bei der Wärmeabfuhr an die Umgebung mit deutlichen Einbußen in der Leistung zu rechnen.

Das Ziel einer jeden Kühlkörperanpassung sollte neben der sicheren thermischen Wärmeableitung immer auch eine homogene Wärmeverteilung im Kühlkörper sein. Um die Funktion des Kühlkörpers abzusichern, sollte man spezifische LED-Kühlkörper stets mittels einer thermischen Simulation oder durch Prototypen qualifizieren und überprüfen.

Bildergalerie

  • Der erste Schritt zum richtigen LED-Kühlkörper ist durch überschlagsmäßige Berechnung des thermischen Widerstandes gegeben.

    Bild: Fischer Elektronik

  • Ein homogener Wärmeeintrag in den Kühlkörper liefert die besten Leistungsdaten in punkto Wärmeableitung.

    Bild: Fischer Elektronik

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