Passiv oder aktiv?

Ob passive Entwärmung über gerippte Kühlkörper oder aktive Kühlung mit Kühlkörpern und Lüfter – bei beiden Verfahren gibt es Vor- und Nachteile.

Bei der rein passiven Lösung, werden gerippte Kühlkörperprofile verwendet. Die Entwärmung erfolgt überwiegend über die Wärmeleitung an der Grenzschicht, die Rippen vergrößern die Oberfläche. Der Temperaturunterschied bewirkt hier einen Dichteunterschied und die Wärme wird durch natürliche Konvektion nach oben abgeführt. Dieser Effekt wird in der Physik Kamineffekt genannt. Dd diese Art der Entwärmung nur einen Kühlkörper benötigt, gibt es keine beweglichen Teile, die verschleißen können. Ein Nachteil ist die Effizienz, die durch Größe und Gewicht des Kühlkörpers begrenzt ist.

Bei höheren LED-Leistungen und somit mehr Wärme muss oft auf eine aktive Lösung zurückgegriffen werden. Hierbei wird ein Lüftermotor in ein Kühlkörperprofil eingesetzt. Die Konvektion wird verstärkt und die Effizienz wird verbessert. Der Kühlkörper und damit das Gesamtsystem wird kompakter. Nachteil bei dieser Art der Entwärmung ist die Geräuschentwicklung durch die Rotation des Lüfters. Diese Geräusche sind in vielen Anwendungen der Beleuchtung störend und nicht erwünscht. Zudem stellt der Lüftermotor ein zusätzliches, bewegliches Bauteil dar, das verschleißen und im schlimmsten Fall ausfallen kann, was den Weiterbetrieb der LED unmöglich macht.

Wie dimensionieren?

Es gilt also, die Vor- und Nachteile von aktivem und passivem Thermomanagement gegeneinander abzuwiegen. Auf jeden Fall ist es zwingend notwendig, den Kühlkörper ausreichend groß zu dimensionieren. Für eine erste Auswahl ist der Wärmewiderstand ein gutes Hilfsmittel. Er wird über folgende Formel berechnet:

Hierbei bedeuten die einzelnen Variablen:

R_th Wärmewiderstand Junction/Ambient [K/W]

T_j Junction Temperature (max. Sperrschichttemperatur aus dem LED-Datenblatt [K]

T_a Umgebungstemperatur [K]

P Gesamtverlustleistung der LED (I_f ∙ V_f aus dem LED-Datenblatt) [W]

h Wirkungsgrad der LED (aus dem LED-Datenblatt)

RTHTI_M Wärmewiderstand für das Wärmeleitmaterial [K/W]

Die Kühlkörperhersteller geben den Wert des Wärmewiderstandes in den Varianten aktiv und passiv für die einzelnen Kühlkörper an. Hierbei müssen die Randbedingungen der Messungen, mit denen der Wärmewiderstand ermittelt wurde, mit einbezogen werden. Hersteller beschreiben diese ebenfalls in den Katalogen.

Die Lage ist entscheidend

Der oben bereits erwähnte Kamineffekt wird entscheidend durch die Ausrichtung des Kühlkörpers beeinflusst. Am effektivsten kann ein passiver Kühlkörper arbeiten, wenn die Rippen vertikal von oben nach unten verlaufen (Bild 1). Die Wärme kann ungehindert nach oben weg strömen und kalte Luft wird von unten angesaugt, somit ist der Temperaturunterschied an der Grenzschicht am größten. Bei einer Drehung um 90° entsteht immer noch eine Entwärmung, durch den verringerten Kamineffekt kann diese aber um bis zu 20 % abnehmen.

Auf die Verbindung kommt es an

Bei der Anbindung des Kühlkörpers an die Unterseite der LED bzw. an die Unterseite des LED-Trägers ist ein Wärmeleitmaterial (TIM = Thermal Interface Material) notwendig. Dieses Material verhindert Lufteinschlüsse, die durch Unebenheiten und Toleranzen an den Verbindungsflächen entstehen. Luft hat eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit und muss deshalb im wärmeleitenden Pfad eliminiert, also durch die wärmeleitenden Materialien verdrängt werden. Die Berechnung des Wärmewiderstands der Verbindung zwischen LED und Kühlkörper erfolgt über nachstehende Formel:

Dabei gilt:

d Dicke/Länge des Wärmeweges [m]

l Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/mK]

A Querschnittfläche der Kontaktfläche [m²]

Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitmaterialien ist eine Materialkonstante und geht als Stellgröße in die Formel zur Berechnung des Wärmewiderstands ein. Die Querschnittsfläche der Kontaktfläche wird von der LED vorgegeben und kann nicht verändert werden. Beeinflusst werden kann aber die Schichtdicke des Wärmeleitmaterials und damit die Länge des Wärmewegs (Bild 2). Hierbei gilt: Je geringer die Dicke desto geringer ist auch der Wärmewiderstand des Wärmeleitmaterials. Somit sollte die Schichtdicke immer so gering wie möglich gehalten werden, muss aber hoch genug sein, um alle Lufteinschlüsse zu eliminieren.

Folie, Paste oder Kleber?

Wärmeleitmaterialien werden in Form von Folien, Pasten und Kleber angeboten. Welche Ausführung zum Einsatz kommt, hängt von der Anwendung ab. Wärmeleitende Kleber und Pasten sind für geringe Schichtdicken sehr gut geeignet. Wärmeleitende Folien können auch größere Rauheiten und Hohlräume ausgleichen. Auch ist eine Austauschbarkeit der LEDs bei Folien um ein Vielfaches einfacher, die Folie kann entweder wiederverwendet oder sehr einfach mit ausgetauscht werden. Bei der Verwendung eines Klebers ist dies nicht möglich, hier ist dann in der Regel der Austausch des Gesamtsystems unvermeidbar. Trotz der hohen Lebensdauer von LEDs ist oft eine einfache Austauschbarkeit, z. B. bei einem Upgrade auf neue Leistungsstufen, gewünscht. Aus diesem Grund werden immer mehr LED-Kühlkörper mit einer direkten Schraubaufnahme entwickelt, so wird die Verbindung zwischen LED und Kühlkörper reversibel.

Ein genereller Tipp

Bei der Auslegung des Wärmemanagements ist für alle Bereiche des Systems immer vom schlechtesten Fall, dem »Worst-Case«, auszugehen. In vielen Fällen können nicht alle Bedingungen mit einberechnet werden, hier helfen schon im Vorfeld computergestützte Wärmesimulationen, Probleme und Schwierigkeiten zu erkennen und in der Entwicklungsphase zu beheben.