Nur mit dem richtigen Kühlkörper können Ihre LEDs stets einen kühlen Kopf bewahren

Wärme ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Lebensdauer einer LED-Lampe oder eines LED-Arrays bestimmen, da der Betrieb bei höheren Temperaturen die Betriebsdauer von LEDs deutlich verringern kann. Das Problem ist jedoch, dass LEDs aufgrund von Ineffizienzen in dem Prozess selbst Wärme erzeugen – wodurch wiederum Lichtenergie in dem Halbleitermaterial entsteht. Aus diesem Grund ist es ein schmaler Grat zwischen der maximalen Lichtausbeute der LED und der Begrenzung der Wärmeentwicklung, der zu beachten ist, damit die angemessene Betriebsdauer für die Anwendung nicht zu stark beeinträchtigt wird.

Effektives Wärmemanagement und Design sind daher unerlässlich, um die Wärmeenergie so schnell wie möglich von der LED abzuleiten, damit diese kühl bleibt. Die Handhabung überschüssiger Wärme beginnt mit der Auswahl des richtigen LED Kühlkörpers. Diese speziell entwickelten Kühlkörper verfügen in aller Regel über extrudierte „Finnen“, mit deren Hilfe die Wärme so schnell wie möglich abgeleitet werden kann. Andere Konfigurationen sind jedoch ebenso erhältlich.

Da LEDs, LED-Emitter und Untereinheiten in vielen verschiedenen Formen und Größen erhältlich sind, sind Kühlkörper für LEDs mindestens ebenso vielfältig.

Zahlreiche LED-Produkte können mit entsprechenden Kühlkörpern ausgestattet werden, die speziell für die jeweilige LED bzw. das jeweilige Array entwickelt wurden. Im nächsten Schritt dreht sich alles darum, den Betriebsstrom gegen die Betriebstemperatur und die Abmessungen des Kühlkörpers abzuwägen. Oder, anders ausgedrückt, die gewünschte Helligkeit ist der erwarteten Lebensdauer und dem verfügbaren Raum gegenüber zu stellen.

Stellen Sie sich beispielsweise ein Design vor, das ein Array aus der Serie Intelligent LEDs’ Olson 4 PowerStar verwendet – ein Infrarot-Array für Überwachungssysteme. Dieses Array kann mit Stromstärken im Bereich von 100 bis 1000 mA betrieben werden. Kühlkörper von diesem Hersteller, die sich für dieses Array eignen, sind in den verschiedensten Größen und Formen erhältlich (unten aufgeführt). Größere Kühlkörper verfügen dabei selbstverständlich über eine größere Oberfläche und bieten mehr Leistung, um die Wärme von der LED abzuleiten, doch die Menge an verfügbarem Raum kann von dem Design begrenzt sein.

Das Olson 4 PowerStar IR-Array (links) mit passendem Kühlkörper. Im Uhrzeigersinn von oben: 50 x 20 mm und 50 x 80 mm sternförmige Konfiguration, 78 x 46 x 25 mm und 70 x 70 x 55 mm Kühlkörper.

Die Überprüfung des Datenblatts der Kühlkörper ergibt, dass diese für den Einsatz unter verschiedensten Betriebsbedingungen geeignet sind (siehe unten). Sollte ein Betriebsstrom von 350 mA für die jeweilige Anwendung ausreichen, so erfordert der Olson 4 PowerStar keinerlei Kühlkörper, da die maximale Anschlusstemperatur der LED in diesem Fall nicht erreicht wird. Dennoch liegt die Temperatur über dem für eine hohe Betriebsdauer empfohlenen Wert. Unter diesen Umständen kann die Einführung des kleinsten Kühlkörpers (50 x 20 mm in Sternform), sofern das Raumangebot und das Budget dies zulassen, die Lebensdauer des Arrays deutlich erhöhen. Wird dasselbe Array jedoch mit der maximal zulässigen Stromstärke (1000 mA) betrieben, so werden die Kühlkörper in Sternform nicht ausreichen, um die Temperatur des Arrays unterhalb des seitens des Herstellers empfohlenen Wertes zu halten; aus diesem Grund ist einer der größeren quadratischen Kühlkörper erforderlich.

Diese Aufführung in dem Datenblatt der Kühlkörper gibt an, welcher Kühlkörper für welche Gegebenheit geeignet ist.

Falls für die jeweilige LED-Lampe kein entsprechender Kühlkörper zur Verfügung steht, werden Sie möglicherweise bei Universal-Kühlkörpern besser fündig. Fischer Elektronik führt ein sehr weit verbreitetes Portfolio an LED-Kühlkörpern für allgemeine Zwecke.

Erhältlich sind diese Kühlkörper in verschiedenen Querschnitten/Formen und Durchmessern. Ebenso sind sie dank ihrer extrudierten Bauweise auch in verschiedenen Höhen erhältlich. Damit Sie die beste Option aus diesem Portfolio auswählen können, müssen Sie wissen, wieviel Raum für den Kühlkörper in Ihrer Anwendung zur Verfügung steht, und welchen thermischen Widerstand Sie benötigen. Der thermische Widerstand eines Systems gibt an, wie mühelos die Wärme aus einem System entweichen kann. Durch die Einführung eines Kühlkörpers mit geringem thermischem Widerstand kann der thermische Widerstand des Systems insgesamt verringert werden, und die LED wird ausreichend gekühlt.

Welchen thermischen Widerstand Sie für den Kühlkörper benötigen, können Sie mit Hilfe folgender Formel herausfinden:

 θsa ist der thermische Widerstand zwischen dem Kühlkörper und der Umgebungsluft.

Tj ist die maximale Temperatur, die wir an der LED erreichen wollen. Dies kann gleich der maximal zulässigen Anschlusstemperatur der LED sein, oder aber ein etwas zurückhaltender Wert im oberen Abschnitt des empfohlenen Betriebstemperaturbereichs. Ta ist die Temperatur der Umgebungsluft. Pd ist die Menge an Energie, die abgeleitet werden muss, während θjc dem thermischen Widerstand zwischen dem LED-Chip und seinem Gehäuse bzw. der Außenseite des Moduls entspricht; letztere Größe finden Sie in aller Regel in dem Datenblatt der LED.

θcs ist der thermische Widerstand zwischen dem LED-Modul und dem Kühlkörper und wird auch als Schnittstellenwiderstand bezeichnet. Dieser Schnittstellenwiderstand beschreibt die thermische Widerstandsfähigkeit des Schnittstellenmaterials, multipliziert mit der Schichtdicke; anschließend ist das Produkt durch die Oberfläche zu teilen, die mit dem Kühlkörper in Kontakt steht. Hierfür kann beispielsweise RS Silikonfett verwendet werden – dieses Material bietet eine thermische Leitfähigkeit von 2,9 W/mK (die thermische Widerstandsfähigkeit entspricht dem Kehrwert).

Somit können Sie den erforderlichen thermischen Widerstand des Kühlkörpers berechnen. Im Anschluss können Sie den Datenblättern der Kühlkörper entnehmen, ob sich die jeweilige Einheit eignet oder nicht. Weiter unten werden beispielhaft der Querschnitt und der thermische Widerstand des Fischer SK584 Kühlkörpers aufgeführt. Diese Kühlkörper sind extrudiert; das bedeutet, dass ihr thermischer Widerstand von der Höhe abhängt, die Sie angeben (es sind viele verschiedene Querschnittformen erhältlich). Gemäß dem Graphen liegt der thermische Widerstand der 50 mm Extrusion der Form SK584 bei 1,0 K/W.

 

 

Querschnitt des Fischer SK584 und dessen thermischer Widerstand gegenüber der Dicke.

Ein sinnvoller nächster Schritt wäre nun, einen Prototypen anzufertigen und zu prüfen, ob sich der Kühlkörper für Ihre Anwendung eignet. Falls nicht, so können Sie einen größeren Kühlkörper auswählen, oder – in Extremfällen – eine Fremdkühlung über ein Gebläse einfügen.