elektronikJOURNAL

E-Mechanik + Kühlung
Thermisches Management
Gut gekühlt an
heißen Tagen
Von Leuchtdioden und effektivem
thermischen Management
Bild fotolia: Africa Studio
Die Beleuchtungsindustrie verändert sich. Eine der innovativen
Erfindungen in diesem Bereich ist die LED. Um ihr ein langes
Leben zu schenken, ist die richtige Behandlung wichtig. Insbesondere
das thermische Management sollte genau auf die LED
abgestimmt sein.
Autorin: Jeannine Schmidt
In der Theorie strahlen LEDs keine Wärme ab. Da die Wellenlänge
des erzeugten Lichts von den im Halbleiter verwendeten
Materialien abhängt, sind diese Materialien bei Leuchtdioden
so festgelegt, dass das emittierte Licht kaum Ultraviolett- oder
Infrarotstrahlung enthält. Als stromgetriebene Bauteile benötigen
LEDs meistens eine Stromstärke zwischen 20 mA und 1 A. Durch
den Strom, der durch die LED fließt, erhöht sich aufgrund des Widerstandes
aber die Temperatur. Bei Glühlampen erfolgt die Abgabe
der Verlustwärme in Richtung des Lichtstromes, bei LEDs hingegen
in Richtung der Platine.
Da die Verlustwärme nun in Richtung der Platine strahlt, muss
der Betreiber sie von dort über ein geeignetes thermisches Management
abführen, da sonst die typische Lebensdauer von bis zu
50.000 Betriebsstunden nicht möglich ist. Bei einem einmaligen
kurzzeitigen Überschreiten der von den LED-Herstellern angegebenen
Maximaltemperatur um nur 10 °C, reduziert sich die Lebensdauer
schon um bis zu 50 Prozent.
Weg mit der Wärme
Für das richtige Umsetzen des thermischen Managements stehen
verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung:
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Passive Kühlung, die über extrudierte Aluminiumkühlkörper
erfolgt (Bild 1).
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Aktive Kühlung, die sich über extrudierte Kühlkörper mit Lüftermotoren
umsetzen lässt.
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Kühlung, die über gelötete Aluminiumkühlkörper in Kombination
mit Fluiden realisiert wird.
Eine Flüssigkeitskühlung findet Einsatz, um die Wärme, die bei
hohen Stromstärken entsteht, schnell abzuführen oder um kleinere
Baugrößen zu erzielen. Diese Form des thermischen Managements
setzen Entwickler in der Regel ab einer Gesamtverlustleistung von
mehr als 200 W ein.
Die passende Kühlung
Um zu prüfen, welches das passende Kühlverfahren und der richtige
Kühlkörper für eine Anwendung sind, dient der thermische
Widerstand (Wärmewiderstand) als Hilfsmittel. Der von den
Kühlkörperherstellern angegebene Wärmewiderstand in Diagrammen
bezieht sich auf die Länge und sagt aus, welche Wärmemenge
der Kühlkörper an die Umgebung abführen kann. Für eine
erste Abschätzung lässt sich die folgende Formel verwenden:
■■
R th
= (T j
-T a
) / P = ∆T ja
/ P
Dabei bedeuten die einzelnen Werte:
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R th
= Wärmewiderstand Junction / Ambient [K/W]
■■
T j
= Junction Temperature, maximale Sperrschichttemperatur
aus dem LED-Datenblatt [K]
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T a
= Umgebungstemperatur [K]
■■
P = Gesamtleistung der LED, berechnet sich aus I f
· V f
aus dem
LED-Datenblatt [W]
Das Ergebnis der Berechnung gibt lediglich einen Anhaltspunkt
für die Auswahl der Art des Wärmemanagements. Um die maximale
Sperrschichttemperatur nicht zu überschreiten und die
Leuchtstärken, sowie die Lebensdauer der LED nicht zu gefährden
ist es wichtig, eine Sicherheitsreserve mit einzuberechnen. Das ist
wegen der zusätzlicher Wärmewiderstände entlang des thermischen
Pfades notwendig.
Befestigung und Einbaulage
Der gesamte Wärmewiderstand setzt sich additiv aus den einzelnen
Wärmewiderstanden entlang des thermischen Pfades zusammen.
Zum Verringern des gesamten thermischen Widerstandes ist
ein geeigneter Wärmeübergang zwischen LED und Kühlkörper
unbedingt notwendig. Ein ungünstiger Wärmeübergang zwischen
den Bauteilen entsteht durch die schlechten thermischen Eigenschaften
von Luft, etwa in Form von Lufteinschlüssen. Diese entstehen
durch Bauteil- und Kühlkörpertoleranzen sowie Oberflächenunebenheiten
und Rauheit. Durch mechanisches Bearbeiten
des Kühlkörpers ist es möglich, die Faktoren zu minimieren, aber
nicht komplett auszuschließen, da auch bei einer mechanischen
Bearbeitung immer mit Toleranzen zu rechnen ist.
Bei Wärmeleitmaterialien ist die Wärmeleitfähigkeit wesentlich
besser ist als die der Luft. Verschiedene Grundtypen von Wärmeleitmaterialien
stehen für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung
(Bild 2). Beim Befestigen der LED mittels Schrauben verwendet
man beispielsweise Wärmeleitfolien, Kapton-Isolierscheiben,
Aluminium-Oxydscheiben, Glimmerscheiben oder Wärmeleitpasten.
Selbstklebende Wärmeleitmaterialien wie doppelseitig
klebende Wärmeleitfolien oder ein wärmeleitender Epoxydharz-
Kleber eignen sich für die direkte Montage.
Grundsätzlich ist bei Pasten, Folien und Klebstoffen unbedingt
zu beachten, dass sie keine chemischen Substanzen enthalten, die
durch Abgase (VOC, Volatile-Organic-Compounds) mit der LED
26 elektronikJOURNAL 04/2013
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