Produkt: Professional System 07/2019
Professional System 07/2019
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Lichttechnik: LED-Grundlagen

Wärmemanagement – Gewicht oder Geräusche?

Zunächst klingt es paradox: Die LED benötigt weniger Energie und wird bei weitem nicht so heiß wie ein konventionelles Leuchtmittel. Und dennoch ist die Temperatur das größte Problem bei der LED-Leuchte. Lichtspezialist und PROFESSIONAL SYSTEM Autor Herbert Bernstädt erklärt die Gründe und was man dagegen tun kann.

Rippenkonstruktion
Bei dieser einfachen Rippenkonstruktion wird die Luftbewegung am Kühlkörper mit einem Lüfter beschleunigt. (Bild: Herbert Bernstädt)

Inhalt dieses LED-Grundlagen-Artikels:

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Bevor wir diesen scheinbaren Widerspruch beleuchten, betrachten wir zunächst noch einmal die Metall-Halogen-Bogenlampen und Halogen-Glühlampen. Bei diesen Leuchtmitteln werden Lichtphotonen herausgeschleudert, weil es sehr heiß ist. Je heißer, umso bläulicher, kann man bei Halogenlampen zu Recht sagen. Bei der Entladungslampe ist die Lichtfarbe zwar von den zugemischten Stoffen abhängig, aber auch dort ist das Plasma (Gemisch aus Ionen und freien Elektronen) des Lichtbogens sehr heiß und hauptsächlich für das Aussenden der Photonen zuständig. Wenn also die Umgebungstemperatur ansteigt, ist das durchaus günstig für das Leuchten.

Bei der LED dagegen werden die Photonen durch den Strom, der die Sperrschicht überquert, herausgeschleudert. Dazu wird keine Wärme benötigt; sie ist sogar hinderlich, denn der Wirkungsgrad nimmt mit Erhöhung der Sperrschichttemperatur ab. Und zu allem Überfluss sind Halbleiter in ihrer Kristallstruktur bei weitem nicht so temperaturfest wie ein Wolframfaden: Die Sperrschichttemperatur des Halbleiter-Kristalls sollte maximal 120° nicht überschreiten. Empfohlen wird meist, dass im Betrieb die Sperrschichttemperatur 25% darunter liegen soll. Die Sperrschichttemperatur ist ein errechneter Wert, denn sie kann nicht direkt gemessen werden – es lässt sich schwerlich ein Temperatursensor in die Sperrschicht einbringen. In der Praxis misst man oft die Temperatur am Lötkontakt und überschlägt die Differenz zur Sperrschicht, so dass man dort noch einmal beispielsweise 30° abzieht, je nach Leistung und Wärmewiderstand der LED. Wir sollten also an den Lötpunkten circa 60° C messen, wenn die LED ein langes leuchtendes Leben vor sich haben soll.

Wärmewiderstand

Wir sehen, das Wärmemanagement bei einer LED-Leuchte immens wichtig ist. Damit die Wärme aus dem LED-Chip möglichst schnell abgeführt wird, versucht man daher, die sogenannten Wärmewiderstände so klein wie möglich zu halten. Der Wärmewiderstand ist ein Maß für die Temperaturdifferenz, die ein Wärmestrom beim Durchqueren eines Körpers entstehen lässt.

Die Wärmewiderstände addieren sich ähnlich wie die Widerstände in der Elektrotechnik. So ist der erste Wärmeübergang derjenige von der Grenzfläche zur äußeren LED-Begrenzung. Es folgt der Wärmewiderstand der Leiterplatte. Diese kann aus Epoxidharz oder einen anderen Kunststoff bestehen, der einen sehr hohen Wärmewiderstand aufweist, oder aus Aluminium mit einem geringen Wärmewiederstand. Ist das Leiterplattenmaterial sogar aus Kupfer, so wird die Wärme noch besser abgeführt.

Nach dem Wärmewiderstand der Leiterplatte folgt meist der Wärmewiderstand des Kühlkörpers. Hierbei werden sehr oft massive Gussgehäuse bzw. Kühlkörperbleche verwendet. Diese bringen eine ganze Menge Gewicht auf die Waage, denn die thermische Leistung der Kühlkörper ist in erster Linie von der Wärmeleitfähigkeit des Materials, der Größe der Oberfläche und der Masse des Kühlkörpers abhängig. Bei der freien (natürlichen) Konvektion wird ausgenutzt, dass bei steigender Temperatur die Luft leichter wird und nach oben steigt (Kamineffekt). Im Hinblick darauf wird die Geometrie des Kühlkörpers entwickelt – einmal um die Oberfläche zur Luft größtmöglich zu gestalten, zum anderen, um eine möglichst gute Luftdurchströmung zu erhalten.

Wärmewiederstand
Um die Wärme aus dem Chip zu leiten, muss sie durch verschiedene Materialien hindurch. Je nach Stoffzusammensetzung kann die Wärme besser oder schlechter hindurch gelangen. Bei Lüfterbetrieb können die Rthku-Werte des Kühlkörpers entsprechend der Luftgeschwindigkeit mit einem Faktor (angegeben vom Kühlkörperhersteller) verrechnet werden. Dies macht sich sehr günstig in der Dimensionierung aus, ist jedoch mit Geräuschentwicklung verbunden. (Bild: Herbert Bernstädt)
Material Wärmeleitfähigkeit
Silber 429
Kupfer 401
Aluminium 236
Silizium 163
Expoxidharz 0,2
Luft 0,02

Tabelle: Das Material eines Kühlkörpers ist wichtig für die Wärmeleitfähigkeit. Diese ist reziprok zum Wärmewiderstand -je höher der Wert ist, umso besser leitet das Material die Wärme.

Reicht die natürliche Konvektionskühlung bei der bevorzugten Baugröße nicht aus, so kann dann die Luftzirkulation erzwungene werden, z. B. durch zusätzliche Lüftermotoren. Leider haben Lüfter die Eigenschaft Bewegungs- und Luftgeräusche zu produzieren. Je nach Aufwand kann dies kaum hörbar geschehen; oder es ist deutlich erkennbar, dass an dieser Stelle Luft umgewälzt wird. Setzt man Lüfter ein, kann der Kühlkörper kleiner und damit die Lampe leichter gehalten werden. Je nach erzwungener Luftgeschwindigkeit kann das schon mal einen Faktor 5 ausmachen – der Kühlkörper kann also fünf Mal so klein sein. Dafür muss die Luftgeschwindigkeit auch mal 6m/s betragen, was dagegen zu erheblichen Windgeräuschen führen kann. Um die Wärme von der Platine an weiter entfernte Positionen zu übertragen, werden auch Heatpipe-Systeme eingesetzt, wie man sie aus der Computertechnik kennt. In diesem hermetisch abgeschlossenen Rohrsystem fließt ein Kühlmittel, das durch die Wärme verdampft. Dieses wird dann als Dampf abgeführt, um dann an den Kühlrippen wieder zu kondensieren, wieder zurückzufließen, um an der heißen LED-Boardseite wieder erneut zu verdampfen. So kann die Wärme von der LED sehr schnell wegtransportiert werden.

Heatpipe-System
Ein Heatpipe-System leitet die Wärme auf das Gehäuse um. (Bild: Herbert Bernstädt)

Meist wird auch an den Übergängen geschludert. Idealerweise sollten die Wärmeleitende Stoffe plan aufeinander sitzen, so dass keine Lufteinschüsse vorhanden sind, denn Luft ist ein guter Wärmeisolator. Dementsprechend könnten die Flächen des LED-Boards zum Kühlkörper sehr exakt plan geschliffen sein, was die Kosten erhöht.

Wärmeleitpasten haben die Aufgabe Lufteinschlüsse zwischen den beiden Flächen zu verdrängen. Aber in der Regel wird die Wärme von der Paste nicht so gut weitergeleitet wie von Fläche zu Fläche bei direkten Kontakt. Deshalb sollte man einen möglichst planen, hohen und vor allem gleichmäßig verteilten Anpressdruck auf die gesamte Fläche einsetzen und plan abgezogene Wärmeleitpaste verwenden.

Wärmeleitpaste
Gut gemeint aber schlecht in der Wirkung. Hier wurde viel Wärmeleitpaste unregelmäßig verteilt. Daher bilden sich in den ganzen Zwischenräumen Luftkammern, die den Wärmeübergang verhindern. (Bild: Herbert Bernstädt)

Das Delta Theta – Einfluss der Temperaturdifferenz

Betrachten wir einmal die eben genannten Temperaturen im Vergleich zur Raumtemperatur. Gehen wir von einer durchschnittlichen Raumtemperatur von 21°C aus und betrachten diese im Verhältnis zu der Temperatur eines Halogenbrenners mit 3200K bzw. 2927° C. Nun erhöhen wir die Umgebungstemperatur auf z.B. 45°, weil wir uns nun unterhalb der Decke befinden, wo das Downlight letztendlich seinen Dienst erfüllen soll: Die Temperaturerhöhung von 24 Grad wird keinen nennenswerten Einfluss auf das Verhalten des Halogenleuchtmittels haben.

Bei der LED sieht das ganze schon deutlich anders aus. Wenn wir nun von 21°C Umgebungstemperatur auf 45°C erhöhen, dann ist der Einfluss auf 60° der LED beträchtlich. Es ist dabei von erheblicher Bedeutung, welche Wärmewiderstände vorhanden sind, um die Wärme von der LED weg zu leiten und in die Umgebung abzugeben. Sollte dies nicht gelingen, so befinden sich bei hochwertigen LED-Leuchten Temperatursensoren auf der LED-Platine die der Steuerung mitteilen, dass die LED zu warm wird. In diesem Fall wird die LED meist mit der PWM-Dimmer-Steuerung herunter getaktet, damit sie nicht den Hitzetod erleidet. Das Licht wird also dunkler.

Simulation der Wärmeströmung innerhalb des Gehäuses
Teilsimulation der Konfektionsluftströmung innerhalb der Zwischenkühlkanäle am Beispiel der Montage des LED-Scheinwerfers unterhalb der Decke
BU: Wärmeverteilung an dem Kühlkörpergehäuse

ESD bei LED

Die erhöhte Temperatur ist die häufigste Ursache für ein verfrühtes Ableben der LED. Aber auch elektrostatische Aufladungen sind des Öfteren Ursache eines plötzlichen LED-Black-Out. So zum Beispiel bei einer Neuinstallation: Am vorletzten Abend vor der Eröffnung – alle Vitrinen sind bestückt und stehen an ihrem vorbestimmten Plätzen; die Beleuchtung ist installiert und kontrolliert. Zuletzt werden die Schutzfolien vom Plexiglas der Vitrinen gezogen, denn man will ja nicht während der Installation das empfindliche Kunststoff mit einem Kratzer verschandeln. Als an die nächsten Tag die Vitrinen eingeschaltet werden, ist die Hälfte der Beleuchtung ausgefallen. Oder es wurden Lichtröhren mit LED-Streifen installiert, die immer freitags nicht mehr die gewohnte Farbe zeigen, sondern Kunterbunt durcheinander leuchten – viele der Einzelfarben-Chips sind defekt. Was ist jeweils passiert? Die Ursache war jedes Mal die Zerstörung der LED, also des Halbleiterchips, durch ein ESD (Elektrostatisch Discharge), also einer elektrostatischen Entladung. Diese kennen wir , wenn wir über den Teppich schlurfen, dann etwas Metallenes anfassen und einen kleinen Schlag verspüren. Hier wurden extrem hohe statische Spannungen erzeugt, in unseren Beispielen einmal durch das Abziehen der Schutzfolie vom Plexiglas, bei dem auch Ladungsträger getrennt werden. Im Falle des pünktlich freitags ausgefallenen Systems war es der Staubwedel der Reinigungskraft, die sich donnerstags abends daran belustigt hat, mit dem Abwedelns der LED-Röhren irgendwie die Farben beeinflussen zu können.

Abhilfe schafft hier eine Schutzbeschaltung. Diese sorgt dafür, dass bei der ESD entstandene Energie über ein anderes Bauteil abgeleitet wird und die LED vor der Überspannung schützt. Diese Schutzbeschaltung gibt es zum einen als diskrete Schaltung im Gerät oder ist in der Platine selbst integriert. Die Hersteller gehen aktuell vermehrt dazu über, eine Schutzbeschaltung direkt an der LED zu integrieren. So sind z.B. SMD-LEDs auch mit integriertem ESD-Schutz erhältlich.

Wat ne Hitze!

Hat man der LED ein vernünftiges Wärmemanagement spendiert, ist die Kuh leider noch nicht ganz vom Eis. Und wieder unterscheidet sich hier die LED vom Konventionellen Leuchtmittel, denn sie benötigt in der Regel eine Treiber- und Steuerelektronik sowie ein Schaltnetzteil für die Versorgungsspannung. Und überall wo größere Ströme fließen, haben wir es auch mit Wärmeentwicklung zu tun. Das bedeutet: Auch die Elektronikkomponenten werden heiß und müssen die Wärme an die Umwelt abgeben. Dabei ist die Wärmeverträglichkeit von Bauteil zu Bauteil verschieden – so verträgt zum Beispiel eine Spule mehr Wärme als ein Halbleiter oder ein Elektrolytkondensator.

Kombination aus Domen und Rippen
Eine komplexere Kombination aus Domen und Rippen, die für den Lüftereinsatz ausgerichtet wurden. (Bild: Herbert Bernstädt)

Allerdings können elektronische Bauteile wie z. B. Elektrolytkondensatoren sehr robust auf Langlebigkeit und für einen großen Temperaturbereich hergestellt werden – oder auch sehr kostengünstig, mit der Gewissheit, dass bei Wärmebelastung der Elko sehr stark Elektrolytenflüssigkeit verdampft und spätestens nach zwei Jahren erheblich an Kapazität verloren hat. Damit kann sich der Arbeitspunkt so verändern, dass die Schaltung funktionsunfähig wird. Hier sollte nicht gespart werden, denn: Wer billig kauft, kauft zweimal.

Wärmebild des Schaltnetzteils eines LED-Fluters
Das Wärmebild des Schaltnetzteils eines LED-Fluters verrät eventuell kritische Temperaturen an Bauelementen. (Bild: Adam Hall GmbH)
Anwendungsbereich Temperaturbereich
kommerziell, z.B. Unterhaltungselektronik 0 bis 70°C
industriell, z. B. Regelungstechnik –40 bis 85°C
erschwerte Industrie –40 bis 105°C
Automobil –40 bis 125°C
Militär –55 bis 125°C

Tabelle: Betriebstemperaturbereiche nach Einsatzgebiet.

Fazit

So hart das klingt: Einen Tod muss man beim LED-Wärmemanagement in Kauf nehmen: Entweder man hat ein konvektionsgekühltes System, welches dann unter Umständen sehr groß und schwer sein wird. Oder man entscheidet sich für kompakt und muss deshalb für einen Luftzirkulation sorgen, die mit einem Lüfter realisiert (die sogenannte Zwangslüftung), und nimmt mehr oder weniger starke Lüftergeräusche in Kauf. Ist das Geräusch eines Musters bei der Begutachtung noch vertretbar, so sollte man in Betracht ziehen, dass viele davon unter der Decke hängen und je nach Aufhängsituation und Umgebung Resonanzen oder andere geräuschverstärkende Faktoren hinzukommen. Auf der anderen Seite sind gerade durch die Büro-PCs immer leiser arbeitende Lüfterkonstruktionen entwickelt worden, so dass auch wir heute Lüfter gekühlte LED-Scheinwerfer auf dem Markt sind, die man praktisch nicht mehr hören kann.


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Produkt: Professional System 05/2019
Professional System 05/2019
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