Wärmemanagement bei LED-Leuchten

Die LED-Beleuchtung ist aus unserem alltäglichen Leben nicht mehr weg zu denken. In vielen Bereichen hat sie selbst Leuchtstoff-Lampen und Energiesparlampen weitgehend verdrängt.

Besonders für Beleuchtungsanlagen in großen Veranstaltungsräumen (Theater, Konzerthallen), als Strassenbeleuchtung oder in Industriegebäuden werden heutzutage ausschließlich LED`s verwendet. Nicht nur die Kosteneffizienz ist ein Grund für die Verwendung von LED-Beleuchtungen, sondern auch der Serviceaufwand, der durch die erzielbare Leuchtdauer von 50.000 Stunden und mehr (ca. 11 Jahre bei 12-Stunden Betrieb) deutlich geringer ist.

Damit LED`s eine projektierte Lebensdauer von 50.000 Stunden erreichen, muß die Maximaltemperatur am Halbleiter (Ort der Lichtentstehung) unterhalb einer kritischen Temperatur gehalten werden. Denn bei modernen Hochleistungs-LED fliessen Ströme bis zu 3 A, wobei nur etwa 30% der elektrischen Leistung in Licht umgewandelt wird. Die entstehende Wärme muß möglichst effizient an die Umgebung abgeleitet werden. Dazu ist eine ausreichend dimensionierte Kühlung notwendig.

Eine grobe Daumenregel besagt, dass sich die Lebensdauer eines elektronischen Bauteils in etwa verdoppelt, wenn die Betriebstemperatur um 10°C gesenkt wird. Neben der Lebensdauer verbessert sich auch die langsfristige Leuchtintensität, die bei zu hohen Temperaturen am Halbleiterchip deutlich zurück geht.

Kurz zusammen gefasst: Umso kühler die Sperrschicht einer LED ist, desto besser und langlebiger ist die LED-Leuchte.


Wärmetransport

Es gibt drei Mechanismen, die Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke transportieren:

  • Wärmeleitung
    Durch direkten physikalischen Kontakt ohne Transport von bewegten Medien, z.B. Leistungsbauteil zu Kühlkörper
  • Konvektion
    Kombination aus Wärmeleitung und Wärmetransfer durch ein bewegtes Medium. Dabei wird die Wärme aus dem heißen Bereich z.B. durch Luft oder Flüssigkeiten in kühlere Bereiche transportiert (z.B. Umgebungsluft, Heatpipe)
  • Wärmestrahlung
    Wärmetransport durch elektromagnetische (Infrarot-) Strahlung. Es ist kein Medium für den Wärmetransport nötig. Schwarze und matte Oberflächen strahlen besser Wärme ab als glänzende, silberne.

(Gehäuse-)Internes Wärmemanagement
Als „internes thermisches Management“ kann man den Wärmetransfer vom Leistungsbauteil bis zum äusseren, umgebenden Gehäuse bezeichnen. Dabei vermendet man möglichst gut wärmeleitende Materialien. Kupfer oder Aluminium haben einen besonders niedrigen spezifischen Wärmewiderstand (Kupfer: 0,0025 m*K/W). Wichtig in diesem Wärmepfad ist, dass keine Luft eingeschlossen wird. Luft ist mit 38,5 m*K/W ein vielfach schlechterer Wärmeleiter. Selbst elektrische Isolationsfolien, die thermisch leitend eingestellt sind, erreichen mit 1,25 m*K/W deutlich bessere Werte. Aufgrund der geringen Stärke (Kapton® MT+ mit zum Beispiel 0,025 mm Dicke) sind sie nur ein geringer Widerstand innerhalb des Wärmepfades, ermöglichen jedoch eine sehr spannungsfeste galvanische Trennung.

Um Leistungs-LED`s an Kühlkörper thermisch anzubinden, verwendet man z.B. wärmeleitende, doppelseitig klebende Pads (z.B. Nitto TR-5320F). Die selbstklebenden, Wärme leitenden Stanzteile lassen sich leicht applizieren, sind eine hervorragende Montagehilfe und verdrängen durch die Benetzung der Oberfläche Luft aus dem Wärmeleitpfad.

Typische Wärmeleitfähigkeiten häufig verwendeter Werkstoffe

Material

Spez. Wärmeleitfähigkeit

λ [W/mK]

Kupfer

 ~400

Aluminium

 234

Silizium

 148

Zinn

 67

Luft

 0,0261

 

Externes Wärmemanagement
Das „externe thermische Management“ betrifft die Abgabe der Wärme an die Umgebung. Dies geschieht meist über Kühlkörper. Hier spielen Konvektion und Wärmestrahlung eine Hauptrolle. Die Konvektion hängt hauptsächlich von der Geschwindigkeit ab, mit der die Umgebungsluft an dem Kühlkörper vorbei strömt. Meist vergrößert man die umströmte Fläche durch Kühlrippen oder Kühlfinnen.
Die Wärmestrahlung trägt erst bei größeren Temperaturdifferenzen zum Wärmetransport bei. Für diese Art der Kühlung empfehlen sich schwarze Oberflächen, da diese eine bessere Wärmeabstrahlung ermöglichen (Dunkelstrahler).

Emmissionskoeffizienten ε von Oberflächen

Material

Emmissionskoeffizient ε

(Faktor liegt zwischen 0….1)

Aluminium, poliert

0,038

Aluminium, eloxiert, matt

0,8

Kupfer, poliert

0,04

Keramik, grau

0,9

Mattschwarze Lackoberfl.

0,97

Grob und nur als Richtwert kann man pro 1 Watt Verlustleistung eine benötigte Fläche von 25 cm² ansetzen. Einflussparameter sind u.a. die Umfließungsgeschwindigkeit und die Temperaturdifferenz der Luft zum Kühlkörper.

Als generelle Regel kann man festhalten, dass innerhalb eines Gehäuses die Wärmeleitung das effizienteste Mittel zur Wärmeabfuhr ist. Im Aussenbereich des Gehäuses dagegen ist es überwiegend die Konvektion über Kühlkörper oder Wärmetauscher bei flüssigkeitsbasierenden Systemen. Lufteinschlüsse im Wärmepfad sind generell zu vermeiden!

Allerdings sind auch konstruktive Maßnahmen um den Wärmepfad herum mit entscheidend für seine Effizienz. Hermetisch geschlossene Gehäuse lassen eher einen Wärmestau zu wie solche mit Lüftungsöffnungen. Kleine, waagrechte Flächen wirken als Konvektionskühlung schlechter wie senkrechte, größere Flächen, an denen die Luft aufgrund Erwärmung (Kamineffekt) besser vorbei strömen kann. Zusätzliche externe Erwärmung durch z.B. Sonneneinstrahlung kann reduziert werden durch reflektierende Oberflächen.

Analogie elektrische und thermische Ströme

Zur Berechnung des Wärmestroms ist ein Analogieschluß mit dem elektrischen Strom zulässig. Es gelten dieselben Prinzipien der Rhein- und Parallelschaltung wie im elektrischen  Stromkreis.

Thermische Größe

Elektrische Größe

Absoluter thermischer Widerstand Rth (K/W)

Elektrischer Widerstand R (Ω)

Wärmestrom Ф (W)

Elektrischer Strom I (A)

Wärmeleitfähigkeit λ (W/mK)

Elektrische Leitfähigkeit σ (s/m)

Temperaturdifferenz Δt (K)

Elektrische Spannung U (V)


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