Technik
Licht 4 | 2020

LEDs richtig entwärmen

Die passende Kühllösung erhöht die LED-Lebensdauer

Ein nicht durchdachtes Wärmemanagement schadet LEDs. Sobald ein potenzieller Anteil der Anfangslichtleistung schwindet, neigt sich die LED-Lebensdauer dem Ende zu. Neben der Ansteuerung trägt auch die passende Kühllösung zu einer langen Lebensdauer bei. Bei ihrer Auslegung sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen.

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Abb.: Passive Kühllösungen lassen sich ins Leuchtengehäuse integrieren und bieten Kühlkörperprofile mit universellem Lochbild für verschiedene LED-Größen. Fischer Elektronik

Einer der Vorteile von LEDs ist ihre Langlebigkeit. Sie kommen deshalb überall dort zum Einsatz, wo es darum geht, den nachträglichen Montageaufwand durch einen Austausch möglichst gering zu halten. Durchdachtes Wämemanagement und die passende Kühllösung tragen dazu bei, die Funktionalität von LEDs möglichst lange aufrecht zu erhalten. Doch das Angebot an Kühllösungen auf dem Markt ist groß und die Wahl oft nicht einfach. Um Anwendern bei ihrer Entscheidung und der richtigen Dimensionierung der zu entwickelnden Anwendung zu unterstützen, gibt der Wärmewiderstand einen ersten wichtigen Anhaltspunkt.

Der Wärmewiderstand (Rth) lässt sich mit Hilfe der folgenden Formel berechnen:

Rth=Tj-TaP=ΔTjaP

Das bedeuten die einzelnen Werte:

  • Rth = Wärmewiderstand Junction/Ambient [K/W]
  • Tj = Junction Temperature (max. Sperrschichttemperatur aus dem LED-Datenblatt) [K]
  • Ta = Umgebungstemperatur [K]
  • P = Gesamtleistung der LED ( aus dem LED-Datenblatt) [W]

Klein aber auffällig – Kühllösung mit Lüftermotor

Das Ergebnis der Berechnung bildet die Entscheidungsgrundlage für die am besten geeignete Kühllösung. Bei hohen LED-Leistungen reicht eine passive Lösung möglicherweise nicht mehr aus. Hier sollte die Wahl deshalb auf Kühlsysteme mit Fluiden oder Lüftermotoren fallen. Herrscht in der Anwendung jedoch Platzmangel, empfiehlt sich eine Lösung mit Lüftermotoren. Ein Vorteil, den diese Lösung bietet, ist eine Verbesserung der Wärmeabfuhr von bis zu 45 Prozent bei gleichem Platzbedarf und abhängig vom verwendeten Lüfter und dessen Volumenstrom.

Abb.: Stiftkühlkörper mit integriertem Lüftermotor sind platzsparend, verursachen jedoch viel Lärm. Fischer Elektronik

Weiterer Vorteil dieser platzsparenden Variante ist ihr geringes Gewicht. Der wohl größte Nachteil ist die Geräuschentwicklung der verwendeten Lüfter. Zwar wirken Kühlkörperhersteller dem mit speziellen Lüftermotoren entgegen. Gerade in Büroräumen, Konferenz- und Konzertsälen reicht die Reduzierung jedoch oft nicht aus. Hier setzen deshalb viele Anwendungen auf passive Kühllösungen.

Passive Kühllösung verschwindet in der Leuchte

Eine passive Kühllösung ist nicht nur wartungsarm, sondern auch weniger störanfällig als die Variante mit Motor. Sie erlaubt außerdem mehr Freiheit in der Gestaltung: Bei Bedarf lässt sie sich direkt ins Leuchtengehäuse integrieren und als Designelement nutzen. Hierzu stellen Kühlkörperhersteller runde Kühlprofile zur Verfügung, die speziell für LED-Anwendungen entwickelt wurden. Über ihren massiven Innendurchmesser kann die Wärme an die rundherum angebrachten Kühlrippen abgeleitet und von dort an die Umgebung abgegeben werden. Für die Befestigung wird in den Innenkern eine mechanische Bearbeitung zur Fixierung von Montageringen eingebracht.

Die verschiedenen Kühlkörperprofile sind außerdem mit einem universellen Lochbild für verschiedene LED-Größen erhältlich. Hierbei werden die Befestigungsbohrungen schon beim Pressen des Profils eingebracht. Unabhängig davon, ob die Bohrungen durch mechanische Bearbeitung oder durch Pressen eingebracht werden, können diese für Montageringe für LED-Light-Engines nach Zhaga-Konformität verwendet werden. Der Montagering soll einen modularen Aufbau und somit eine Austauschbarkeit über mehrere LED-Generationen hinweg gewährleisten. Weitere Komponenten, wie die LED-Platine und die Optik, werden mittels Eindrehen in dem Montagering befestigt.

Kühlkörperhersteller geben die Werte für den Wärmewiderstand der verschiedenen Kühllösungen stets an. Damit lässt sich feststellen, welche Wärmemenge die verschiedenen Kühlkörperprofile an die Umgebung abgeben können. Es gilt, je kleiner der Wert, desto mehr Wärme kann abgeführt werden. Zu beachten sind hierbei die Rahmenbedingungen, unter welchen diese Werte ermittelt wurden. Der Wert des Wärmewiderstandes variiert nicht nur von Profil zu Profil, sondern ist auch abhängig von der Einbaulage und dem Temperaturbereich. So verschlechtert sich die Wärmeabfuhr bei einer horizontalen Einbaulage beispielsweise um etwa 15 bis 20 Prozent. Der Grund dafür ist der sogenannte Karmineffekt. Dieser tritt ein, wenn die Kühlrippen vertikal angeordnet sind.

Vorteile des Karmineffekts

Der Karmineffekt nutzt die Tatsache aus, dass warme Luft eine geringere Dichte hat als kalte Luft. Warme Luft steigt deshalb nach oben. Im unteren Teil des Kühlkörpers entsteht ein Unterdruck, der die kalte Luft ansaugt. Durch diesen Effekt ist die Temperaturdifferenz möglichst hoch. Bei einer Drehung um 90 Grad wird die Luftströmung durch die Rippen nach oben verhindert und die Wärmeabfuhr verschlechtert sich.

Bei der Berechnung ist eine Sicherheitsreserve mit einzuberechnen. Diese soll ungünstige und nicht vorhersehbare Einflüsse abdecken, damit die Lebensdauer und die Lichtqualität nicht gefährdet werden. Auf dem Pfad der Wärme befindet sich ein weiterer Teil, an dem ein Wärmewiderstand entsteht: die Anbindung der LED an das Kühlkörperprofil. Der hier entstehende Widerstand ist in der Auslegung unbedingt zu berücksichtigen.

Hierzu dient folgende Formel:

Rth=dλ·A

  • Rth = Wärmeleitmaterial
  • d = Dicke/Länge des Wärmeweges [m]
  • I = Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/mK]
  • A = Querschnittfläche der Kontaktfläche [m2]

Unterschiede von Wärmeleitmaterialien

Unebenheiten und Toleranzen der Bauteile verursachen Lufteinschlüsse. Luft ist einer der schlechtesten Wärmeleiter überhaupt, deshalb verschlechtern Lufteinschlüsse den Wärmewiderstand erheblich. Sie lassen sich jedoch mittels wärmeleitender Materialien vermeiden. Für die Anbindung stehen drei Arten von Wärmeleitmaterialien zu Verfügung: Wärmeleitpasten, wärmeleitende Folien und Wärmeleitkleber. Diese unterscheiden sich in der Art der Anwendung, der Wärmeleitfähigkeit und der Schichtdicke.

Wärmeleitende Folien sind komfortabler in der Handhabung, da sie zwischen der LED und dem Profil des Kühlkörpers verklemmt werden. Pasten und Kleber können dagegen in sehr geringen Schichtdicken verwendet werden. Die Formel zeigt, dass die Schichtdicke einen entscheidenden Einfluss auf den Wärmewiderstand des Wärmeleitmaterials hat. Toleranzen und Unebenheiten können durch eine mechanische Bearbeitung verringert werden aber nie ganz ausgeschlossen. Ist die Schichtdicke jedoch im Vorfeld zu gering ausgelegt, können die dennoch vorhandenen Lufteinschlüsse zu Problemen führen und die LED nimmt großen Schaden.

Der Querschnitt der Kontaktfläche wird von den Abmessungen der LED vorgegeben. Somit ist als zweiter Faktor für den Wärmewiderstand des Wärmeleitmaterials noch seine Wärmeleitfähigkeit entscheidend. Hier gilt es zwischen einer hohen Wärmeleitfähigkeit, die oft zu erhöhten Kosten führen kann, und einer geringen Schichtdicke einen guten Mittelweg zu finden.

Die Berechnungen zeigen, dass alle Systeme der Anwendung – bestehend aus der Umgebung, der LED, dem Wärmeleitmaterial und dem Kühlkörper – bei der Auslegung eines passenden Wärmemanagements zu betrachten sind.

Weitere Informationen:

Fischer Elektronik, www.fischer-elektronik.de

Autorin: Jeannine Schmidt, Fischer Elektronik

Fotos: Fischer Elektronik

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 4 | 2020

Erschienen am 25. Mai 2020