Aktivkühlung für kompakte Hochleistungs-LEDs

12.01.2018 14:15

Aktivkühlung für kompakte Hochleistungs-LEDs

Moderne Beleuchtungseinrichtungen für die gewerbliche Nutzung müssen hohe Anforderungen an Langlebigkeit und Zuverlässigkeit erfüllen. Dazu zählen u. a. Lebensdauer, Effizienz, Farbspektrum und Farbtreue als auch kompakte Bauform und Wartungsfreiheit.

In den meisten Fällen punkten deshalb Lampen und Leuchten mit langlebigen LED-Modulen in unterschiedlichen Leistungsklassen. Deren hohe Leuchtdichte erlaubt eine gezielte Lichtführung bei insgesamt niedrigem Stromverbrauch. Wie bei jedem Halbleiter muss jedoch die Abwärme effizient abgeführt werden, denn diese führt trotz hohem Wirkungsgrad auf der kleinen LED-Chipfläche schnell zu schädlich hohen Temperaturen. Moderne Kühllösungen mit aktiver Belüftung durch spezielle LED-Kühlmodule als Ersatz für passive Kühlkörper erlauben nun eine gezielte Wärmeabfuhr bei geringeren Abmessungen und weniger Materialeinsatz als bisher.

ebm-papst hat speziell für die marktüblichen Bauformen der neuen, leistungsstarken LEDs eine Serie aktiver Kompaktkühlung entwickelt.

So können einerseits völlig neue Designvarianten realisiert und andererseits die Wartung auch komplexer Beleuchtungsanlagen, z. B. in Museen, Theatern, Kultstätten, Lagerhallen, Straßenlampen oder Stadien, auf ein Minimum reduziert werden. Die Aktivkühlung öffnet damit neue Horizonte für die effiziente LED-Lichttechnik.

Die Wahl der richtigen Leuchtmittel

Das richtige Licht bestimmt maßgeblich, wie wir die Welt wahrnehmen. Nicht umsonst gibt es den Beruf des Beleuchters, der Dinge „ins richtige Licht setzt“. Doch bei der Wahl der richtigen Leuchtmittel wird es auch für Fachleute oft schwierig. Idealerweise ist ein Leuchtmittel universell einsetzbar, benötigt dabei wenig Platz und Strom. CoB-Leuchten (Chip on Board) erfüllen eine ganze Palette der einschlägigen Forderungen. Ihr Halbleiterchip muss aber gezielt gekühlt werden, um Lebensdauer und Farbtreue zu erhalten. ebm-papst hat daher speziell für die marktüblichen Bauformen der neuen, leistungsstarken LEDs eine Serie aktiver Kompaktkühlung entwickelt, die den Anforderungen der CoBs entspricht. Sie spart Platz und erlaubt völlig neue Beleuchtungsmöglichkeiten.

LED-Leuchtmittel – kompakt und effizient?

Geht man bei CoB-Leuchtmitteln ins Detail, so ergeben sich schnell Probleme. Als Halbleiter darf ein LED-Chip nur bis zu einer vorgegebenen Sperrschicht-Temperatur betrieben werden. Steigt die Temperatur darüber, macht LED in kürzester Zeit Probleme. Dazu gehört zum Beispiel die Verschlechterung des CRI (color rendering index = Farbwiedergabeindex), der Effizienz und vor allem einer Verkürzung der Lebensdauer.

Doch auch schon bei niedrigeren Temperaturen altert das Material schnell, die Leuchtdichte und Effizienz sinken, das Farbspektrum verschiebt sich – kurz, die nutzbare Lebensdauer sinkt. Trotz hohem Wirkungsgrad sind die Abwärme der LED-Flächen und die hohe Leistungsdichte der LED Lichtquelle beachtlich. Diese Wärmemenge muss gezielt abgeführt werden, entweder durch konventionelle (oft überdimensionale) passive Kühlung oder über gezielte aktive Wärmeabfuhr (vgl. Kasten).

Grundsätzlich ist dabei Folgendes zu berücksichtigen: Energie (Wärme) fließt immer von heiß nach kalt. Bei Kühllösungen zählt der Gesamtwärmewiderstand, also die Summe der einzelnen Wärmeübergänge. Hier zeigt sich dann schon ein wesentlicher Unterschied zwischen passivem und aktivem Kühlkonzept: Der „Kühlungsweg“ LED-Chip – Träger – Kühlkörper – Luft ist zwar immer gleich, der Materialeinsatz für die gleiche Entwärmeleistung variiert jedoch stark. Denn je mehr Material benötigt wird, desto größer ist der benötigte Kühlkörper.

Kleinere LEDs bei gleicher Leistung und passiver Kühlung ergeben noch keine kleineren Leuchten, denn sie benötigen große Kühlkörper, da der Wärmeübergang zur Luft der begrenzende Faktor für den Wärmetransfer ist. Passiv gekühlte LEDs benötigen daher einen hohen Materialeinsatz und sind also meist weder kompakt noch umweltschonend. Hier können Aktiv-Kühlkonzepte gleich mit mehreren Vorteilen aufwarten.

Zukunftssichere Aktivkühlung

Da der Wärmeübergang vom Kühlkörper zu Luft der Hauptwiderstand bei der Energieabfuhr ist, kann man hier auch die größten Kühlreserven freisetzen. Wesentliches Merkmal der aktiven Kühlung ist die gezielte Luftzuführung zum Kühlkörper. Am Kühlkörper wird dafür eine erzwungene Konvektion oder genauer gesagt eine turbulente Strömung erzeugt, die den Wärmeübergang von der thermischen Masse des Kühlkörpers selbst zum Luftreservoir, welches den Leuchtkörper umgibt, erheblich verbessert.

In der Regel arbeitet ein System wie folgt: Die kleine, hoch belastete LED wird mit Wärmeleitpaste an einen Kühlkörper befestigt. Dieser ist wegen der wesentlich geringeren thermischen Beständigkeit, die eine größere Wärmeübertragung von der LED in den Leuchtkörper ermöglicht, vier- bis sechsmal kleiner und trägt den Lüfter, der für kalte Frischluft sorgt. Die Spezialisten für Elektronikkühlung aus St. Georgen haben jetzt Kühlkörper und Lüfter zu einem Kompaktmodul für gängige LED-Kühllösung vereint, was die Montage erleichtert. Die kleinere Bauform spart neben Material auch Gewicht, und der gezielte Luftstrom sorgt zusätzlich noch dafür, dass Ablagerungen wie Staub, die den Wärmeübergang verschlechtern können, erst gar nicht anhaften.

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