LEDs wandeln elektrische Energie in Lichtleistung um. Bei diesem Prozess wird Wärme als Nebenprodukt freigesetzt. Die Hauptursache für den Ausfall von LEDs ist häufig ein schlechtes Wärmemanagement. Daher sollte bei jeder Anwendung berücksichtigt werden, wie viel Wärme von den LEDs erzeugt wird und wie man sie abführt.
Im Gegensatz zu Glühbirnen, die Wärme direkt abstrahlen, leiten LEDs die Wärme von der PN-Übergangsstelle zum Wärmespreizer auf dem LED-Gehäuse. Der Wärmespreizer ist nicht elektrisch angeschlossen, sondern mit der Leiterplatte verlötet. Er befindet sich unterhalb des LED-Chips und leitet die Wärme über ihn in die Leiterplatte.
Was passiert, wenn eine LED überhitzt?
Die maximale Sperrschichttemperatur einer Standard-LED liegt in der Regel bei etwa 150 °C. Wenn LEDs ihre optimale Temperatur überschreiten, kann es zu einem vollständigen Ausfall der LEDs kommen. Vor dem Ausfall der LED sind jedoch andere Auswirkungen auf die LED-Parameter und die Leistung zu erkennen. Wussten Sie zum Beispiel, dass die Farbe und Helligkeit von LEDs temperaturabhängig sind?
- Auswirkungen auf die dominante Wellenlänge. Die dominante Wellenlänge hängt unter anderem von der Sperrschichttemperatur ab. Erhöht sich die Sperrschichttemperatur, können sich auch die Wellenlängen erhöhen, was zu einer leichten Farbveränderung führt.
- Auswirkungen auf die Lichtleistung. Die Sperrschichttemperatur wirkt sich auch auf den Lichtstrom aus. Je höher die Temperatur, desto geringer der Lichtstrom. Die verschiedenen Wellenlängen sind unterschiedlich empfindlich für diesen Effekt, wobei Bernstein am empfindlichsten ist.
- Auswirkungen auf die Lebensdauer der LED. Die Zuverlässigkeit von LEDs ist eine direkte Funktion der Sperrschichttemperatur. Eine höhere Sperrschichttemperatur führt häufig zu einer verkürzten Lebensdauer der LED und einer geringeren Leistung.
- Auswirkungen der Durchlassspannung. Dies kann zu Problemen führen, wenn eine LED mit konstanter Spannung betrieben wird. Wenn die Temperatur steigt, sinkt die Durchlassspannung, was zu einem Anstieg des Stroms führt, der wiederum zu Schwankungen in der Helligkeit der LED führen kann.
Methoden des Wärmemanagements
Das Thermomanagement der LEDs durch Wärmeableitung trägt dazu bei, dass die LEDs effizient arbeiten. Eine der gebräuchlichsten Methoden hierfür ist die passive Kühlung mithilfe von Kühlkörpern und Wärmeleitmaterialien, um die überschüssige Wärme abzuleiten und die LEDs zu kühlen. Auf diese Weise wird die überschüssige Wärme von der LED-Sperrschicht zum Kühlkörper geleitet, von wo aus sie dann an die Umgebung abgestrahlt wird.
Kühlkörper
Ein Kühlkörper ist im Wesentlichen ein Metallblock, der als passives Gerät fungiert und die Wärme von einem elektronischen Gerät ableitet und an die Luft abgibt. Die gebräuchlichsten Metalle, die als Kühlkörper verwendet werden, sind Eisen, Aluminium und Kupfer. Kupfer hat in der Regel die höchste Wärmeleitfähigkeit, ist aber auch deutlich teurer als Aluminium und Eisen. Die beste Wärmeleitfähigkeit im preislich erschwinglichen Rahmen bietet Aluminium. Eisen hingegen bietet die geringste Wärmeleitfähigkeit. Die Form und das Design eines Kühlkörpers wirken sich ebenfalls auf den Kühleffekt aus. Ein Kühlkörper mit extrudierten Rippen hat eine grössere Oberfläche als ein Kühlkörper ohne Rippen, wodurch die Wärme besser abgestrahlt werden kann.
Wie Wärmeleitmaterialien die Leistung von Kühlkörpern verbessern
Die Wärmeleitmaterialien – auch Thermal-Interface-Materials (TIMs) genannt – schliessen Lufteinschlüsse zwischen der Oberfläche des Kühlkörpers und der Oberfläche der LED-Leiterplatte, damit die Wärme von der LED besser zum Kühlkörper abgeleitet werden kann. Dadurch kann die Leistung eines Kühlkörpers noch verstärkt und die Lebensdauer der LED verlängert werden.
Um diesen Effekt anhand eines Experiments zu veranschaulichen, haben wir eine 1-LED-Powerstar auf einen Kühlkörper montiert und 30 Minuten lang mit Strom versorgt Nach Ablauf der 30 Minuten haben wir mit einer Wärmebildkamera die Temperatur des Kühlkörpers gemessen, um festzustellen, wie viel Wärme ihm entzogen worden war. Anschliessend wiederholten wir dieses Experiment mit demselben Aufbau, aber mit einem Wärmeleitmaterial zwischen Kühlkörper und der LED.
Wie Sie unten sehen können, wurde mit einem Wärmeleitmaterial mehr Wärme in den Kühlkörper abgeleitet. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Experimenten betrug fast 8 °C.
Links: LED Powerstar, Kühlkörper und kein TIM.
Rechts: LED Powerstar, Kühlkörper und TIM.
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