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LED - Wärmemanagement

LEDs haben eine begrenzte Lebensdauer von typischerweise 50.000 Stunden, diese kann durch effizientes Wärmemanagement wesentlich verlängert werden.

LEDs haben eine begrenzte Lebensdauer von typischerweise 50.000 Stunden. Die Lebensdauer ist in der Regel definiert als diejenige Zeitspanne, in der die Ausgabeintensität von anfangs 100% auf unter 70% gesunken ist (siehe Bild). Die Leistung nimmt jedoch bereits vorher graduell ab. Zusätzlich zum Licht erzeugen LEDs auch Wärme. Diese Energie muss von den aktiven Halbleiterelementen (Chips) abgeleitet werden, da deren Struktur durch andauernde hohe Temperaturen nachhaltig beschädigt werden kann. Bei Überhitzung können LEDs sogar total ausfallen.

Die Lebensdauer von LEDs ist in der Regel definiert als diejenige Zeitspanne, in der die Ausgabeintensität von anfangs 100% auf unter 70% gesunken ist.

Gutes bzw. effizientes Wärmemanagement hilft, die Temperatur zu reduzieren, die sich in und um die LEDs aufgebaut hat, und ist maßgeblich für eine lange Lebensdauer bei allerdings steigendem Material und Entwicklungsaufwand. Günstige Beleuchtungen berücksichtigen das Wärmemanagement oft nur unzureichend. Kosten einsparungen werden hier durch Reduzierung des Rohmaterials und Vereinfachung des Produktionsprozesses erzielt, was sich jedoch nachteilig auf die Qualität des Produktes auswirkt und ungünstigen Einfluss auf die Zuverlässigkeit hat, besonders wenn die Beleuchtungen mit maximaler Stromstärke betrieben werden.

Aufbau einer LED-Beleuchtung mit schlechter Ableitung der Wärme über das Gehäuse.

Die meisten in Bildverarbeitungsaufgaben eingesetzten LEDs sind in Harz gekapselte Einzelkontakteinheiten mit Einzelanschluss. Die Wärme, die am Kontakt entsteht, wird über das Harz und die metallischen Kontakte abgeleitet. Dadurch erwärmt sich die Umgebung der LEDs und die Leiterplatte. Durch Einsparungen beim Rohmaterial wird das Gehäuse oft zu einer reinen Außenschale, die wenig oder keinen physikalischen Kontakt mit den LEDs hat mit dem Resultat einer sehr schlechten Wärmeableitung. Um weitere Kosten im Produktionsprozess zu sparen, werden für das Wärmemanagement wichtige Faktoren, wie beispielsweise Rippen am Gehäuse zur Vergrößerung der Oberfläche, eine thermische Verbindung zwischen Gehäuse und Leiterplatte oder die Verwendung klassifizierter Chargen von Dioden, vernachlässigt.

Für qualitativ hochwertige Beleuchtungsprodukte die in Bildverarbeitungsanwendungen eingesetzt werden sollen ist ein sehr gutes Wärmemanagement jedoch charakteristisch. So werden LED-Gehäuse aus massivem Aluminium gefertigt, damit die Hitze besser von den LEDs abgeleitet wird. Eine zusätzliche thermisch leitende Schicht ermöglicht die direkte Wärmeableitung von der Leiterplatte an das Gehäuse. Die Verwendung eines gerippten Gehäuses sorgt zusätzlich dafür, dass mehr Wärme an die Umgebung abgeleitet wird. Die Verwendung von klassifizierten Dioden erhöht weiterhin die Effizienz der Beleuchtung bei gleichzeitiger Reduzierung der Wärmeentwicklung.

Techniken für verbessertes Wärmemanagement

Durch die Verwendung von passiven Kühlungen kann nur eine begrenzte Wärmemenge von den LEDs abgeleitet werden. Daher ist für Anwendungen, in denen die von den LEDs produzierte Wärme ein Problem darstellt, der Einsatz anderer Techniken erforderlich. Diese so genannten »aktiven« Kühlungen werden besonders bei hochintensiven Linienbeleuchtungen benutzt. Nachfolgend werden einige Methoden aufgezeigt, die dabei verwendet werden können.

LED-Beleuchtung mit einfachem Metallgehäuse ohne Kühlung

Das Bild zeigt eine einfache Linienbeleuchtung ohne Kühlung. Bereits der Austausch des einfachen Metallgehäuses gegen ein Strangguss-Aluminiumgehäuse ermöglicht aufgrund der guten thermischen Leitfähigkeit des Aluminiums sowie der vergrößerten Oberfläche eine bessere Wärmeableitung.

Weitere Verbesserungen sind möglich, wenn die Beleuchtungseinheit auf eine dicke Metallplatte montiert wird. Nun müssen die LEDs erst eine große Menge von Metall aufheizen, ehe an ihnen Schaden entsteht. Durch die Verwendung von geriffelten Gehäusen und die damit einhergehende Vergrößerung der Oberfläche kann die Ableitung noch weiter verbessert werden.

In Einsatzfällen, in denen entweder die Umgebungstemperatur bereits sehr hoch oder die durch die LEDs erzeugte Wärme extrem ist, kann durch zusätzliche Belüftung mehr Wärme abgeleitet werden. Der Einbau eines Ventilators hat den zusätzlichen Vorteil, dass Ansammlungen von heißer Luft (hot spots) an bestimmten Stellen vermieden werden, die sonst die Gesamttemperatur erhöhen würden.

Die Wärmemenge, die bei Verwendung von Luft zur Kühlung abgeleitet wird, ist jedoch begrenzt. Die Kühlung mit Flüssigkeiten stellt hier die effizientere Lösung dar, da Flüssigkeiten Wärme besser ableiten. Wie die Zeichnung unten zeigt, kann die Kühlflüssigkeit sehr nahe an die LEDs herangeführt werden, um einen maximalen Energietransfer zu ermöglichen. Dies kann durch eine Pumpe erfolgen, die auch in einiger Entfernung von der Beleuchtung angebracht sein kann.

Falls nötig kann die Kühlflüssigkeit auch über ein Kühlaggregat in einem Kreislauf gekühlt werden. Bei aktiver Kühlung ist darauf zu achten, dass sich kein Kondenswasser auf dem Gehäuse der Beleuchtung bildet und so irreversible Schäden an der Beleuchtung auftreten.

Es gibt jedoch auch Produktionsbereiche oder Prüfumgebungen, in denen eine zusätzliche Luft- oder Wasserkühlung auf Grund von Sicherheitsvorschriften nicht gestattet ist. Die einzige aktive Kühlmöglichkeit in diesen Umgebungen ist die Kühlung durch elektrisch induzierten Wärmetransfer über so genannte Peltierelemente (TEC Thermo Electric Cooling). Wenn Strom durch ein Peltierelement fließt, wird eine Temperaturdifferenz erzeugt. Dieser Effekt leitet Hitze von einer Seite des Peltierelements auf die andere Seite. Die Kühlung kann dabei genau kontrolliert und durch Anpassungen des Stroms verändert werden.

Peltierelemente sind insbesondere geeignet, um lokal eine vorgegebene Temperatur zu erreichen. Eine weitere aktive Kühlung wie z.B. die Wasserkühlung ist jedoch nötig, um die Wärme vom Gesamtsystem abzuleiten.