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Ganzheitliche Lösung für LED-Leuchtendesign

Thermische Herausforderungen von LEDs auf Systemebene meistern

25. September 2013, 15:48 Uhr | Dr. John Parry, Mentor Graphics Corporation

Thermisches Management ist für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von LEDs entscheidend. Deshalb müssen Designer die thermischen Aspekte bereits zu Beginn des Entwicklungsprozesses berücksichtigen. Moderne Computational Fluid Dynamics (CFD) Software hilft ihnen dabei.

Rudi Hechfellner, Director of Applications bei Philips Lumileds Lighting in San Jose (Kalifornien), bringt es auf den Punkt: »Das thermische Management ist der wichtigste Aspekt beim Design von LED-Systemen.« Hersteller von LED-Systemen begegnen dieser Herausforderung durch bessere Kühlkörper-Designs, hocheffiziente Leiterplatten, Gehäuse mit hoher Wärmeleitfähigkeit und modernen thermischen Designtechniken. Thermische Simulation spielt eine wichtige Rolle, denn sie erlaubt es dem Produktdesigner, verschiedene Alternativen zu evaluieren und das System-Level-Design vor der Prototypenphase aus thermischer Sicht zu optimieren.

Thermische Herausforderungen beim Einsatz von LEDs in Produktdesigns

Während die Effizienz von LEDs steigt, bleiben die Herausforderungen beim thermischen Management von LED-Gehäusen gleich. Die Optimierung des thermischen Designs ist entscheidend, da sich die Lichtausbeute mit steigender Temperatur verringert, ein größerer Teil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt wird und dies wiederum zu einem weiteren Temperaturanstieg führt. Die Lichtausbeute einer LED reduziert sich mit zunehmendem Alter. Dadurch steigt im Laufe der Zeit die Wärmeabgabe, und die Degradierungsrate beschleunigt sich. Eine weitere häufige Ursache für die Reduktion des emittierten Lichtstroms in weißen LEDs ist eine Gelbfärbung des Phosphors. Sie kann durch Wärme hervorgerufen werden oder umweltbedingt sein, was aber nicht unbedingt bedeutet, dass der Chip weniger effizient arbeitet oder mehr Wärme erzeugt wird.

Die reversiblen kurzfristigen Effekte von Wärme sind Farbveränderungen und reduzierte Lichtausbeute. Eine Minimierung der Farbveränderung ist zum Beispiel für Hintergrundbeleuchtungen bei LCD-TVs wichtig, bei denen eine Erhöhung der LED-Dichte die Farbvariationen im Bild zwar verbessert, die Kühlung jedoch erschwert. Lösungen für das thermische Management müssen in der Lage sein, die von der LED während ihrer Nutzungsdauer abgegebene Wärme abzuführen.

Bei Wolfram-Glühbirnen wird die Wärme vom Glühfaden über das Glas direkt an die Umgebung abgestrahlt. Dabei gibt es nur sehr geringe Wärmeleitungsverluste durch den Lampenkörper. Im Vergleich dazu ist der primäre Wärmeübertragungspfad in einer LED in der Regel die Konduktion von der Sperrschicht zum Systemgehäuse. Und hier ist der LED-Gerätehersteller für das thermische Management auf Gehäuse-Ebene zuständig.

Für den Hersteller ist es die größte Herausforderung, den Wärmewiderstand von der Sperrschicht auf die Außenseite des Gehäuses zu verringern. Bei einigen LEDs, üblicherweise kleinen Bauelementen, die auf Panels montiert sind, bilden die Anschlüsse den Hauptpfad zur Wärmeableitung. Für diese Bauelemente ist der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zu den Anschlüssen am wichtigsten. Eine höhere Sperrschichttemperatur kann schwerwiegende Auswirkungen auf die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit einer Power-LED haben. Zum Beispiel hat eine Änderung der Sperrschicht-Temperatur um zehn Grad, wenn alle anderen Dinge gleich bleiben, erhebliche Auswirkungen auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit.