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Wärmemanagement von Weißlicht-LEDs: IR-Blick auf die ­Sekundäroptik

Ein optimales Wärmemanagement ist entscheidend für die Leistung und Lebensdauer von Weißlicht-LEDs. Dabei wird die Temperaturstabilität der Sekundäroptik oft vernachlässigt. Fraunhofer-Forscher haben einen IR-basierten Ansatz entwickelt, um die Erwärmung sekundärer LED-Optiken zu bewerten.

nw_Fraunhofer.jpg Bildquelle: © Fraunhofer AWZ

Um genaue Kenntnis über die Temperaturverteilung innerhalb einer Sekundäroptik zu erlangen, liefert die Infrarot-Thermografie wichtige Ergebnisse für das Thermomanagement. Das Bild zeigt die Thermografie-Messung eines Querschnitts einer LED.

In Weißlicht-LEDs erzeugt ein blauer LED-Chip mit einem in der Regel pulverförmigen, gelb emittierenden Leuchtstoff – eingebettet in einem transparenten Kunststoff – weißes Licht. Neben seiner Funktion als Einbettungsmaterial für LED-Chip und Leuchtstoff bietet der Kunststoff eine erste Möglichkeit zur Lenkung des Lichts. Zur präzisen und individuellen Lichtlenkung kommt zusätzlich eine zweite (sekundäre) Optik zum Einsatz. Das Wärmemanagement dieser Komponenten spielt eine entscheidende Rolle, damit LEDs die optimale Lichtleistung und die gewünschte Lebensdauer erreichen. Die im Bauteil entstehende Wärme muss möglichst gut abgeleitet werden, alle eingesetzten Materialien müssen den entstehenden Betriebstemperaturen standhalten.

Bei der Temperaturstabilität der LED-Chips…

...und der direkt mit ihr verbundenen Primäroptik wurden in den vergangenen Jahren bereits große Fortschritte erzielt, sodass sich Weißlicht-LEDs nun auch bei deutlich höheren Betriebstemperaturen einsetzen lassen. Untersuchungen des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Anorganische Leuchtstoffe (AWZ) in Soest zeigen allerdings: Diese höheren Temperaturen können deutlich negative Auswirkungen auf die Sekundäroptik haben. Besonders kritisch ist dies, wenn die Sekundäroptik aus Kunststoff besteht, was aufgrund der Kosten- und Gewichtsvorteile gegenüber Glasoptiken häufig der Fall ist.

Die Wärmeformbeständigkeit…

...der üblicherweise für Sekundäroptiken verwendeten Materialien wie Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC) liegen bei 95 °C und 122 °C. »Falls die Sekundäroptik über einen längeren Zeitraum oberhalb dieser Temperaturen betrieben wird, ändern sich ihre optischen Eigenschaften. Im schlimmsten Fall ist sogar eine Verformung vorstellbar, was einem Totalausfall der Funktion der Optik entspricht – obwohl die Temperaturgrenzen für alle anderen Bauelemente weiterhin eingehalten werden«, erklärt Dr. Peter Nolte, Teamleiter für „Zuverlässigkeit von Leuchtstoffen“ am AWZ.

Sein Team hat nun eine Methode entwickelt, um das exakte Temperaturprofil von Sekundäroptiken zu messen. Die Optiken werden bei maximal zulässiger Leistung und Temperatur der LED in Kombination mit einem Hochleistungs-LED-Modul kontaktlos über Infrarot-Thermografie analysiert und bewertet.

Messungen am Beispiel von PMMA und PC haben gezeigt,…

...dass sich mit diesem Verfahren insbesondere die Temperatur an der inneren Oberfläche genau bestimmen lässt. So werden Aussagen darüber möglich, welche Materialien für welche Betriebstemperaturen geeignet sind.