Thermomanagement
Lichtstrom, Lichtausbeute und Lichtstromdegradation einer LED hängen stark von der Temperatur in ihrem Inneren ab. Lichtstrom und Lichtausbeute sinken mit höheren Temperaturen. Die Lichtstromdegradation steigt und mit ihr sinkt die Nutz-Lebensdauer der Leuchte, in der die LED betrieben wird. Aus diesem Grund muss die beim Betrieb der LED entstehende Wärme abgeführt werden. Die dazu erforderlichen konstruktiven Maßnahmen bezeichnet man als das Thermomanagement der Leuchte.
Die Kühlung der Leuchte, also die Abgabe der Wärme von der Leuchte an ihre Umgebung, erfolgt dabei häufig über einen Kühlkörper oder über die Oberfläche des Leuchtenkörpers. Ebenso wichtig ist jedoch der Wärmetransport innerhalb der Leuchte. Form, Verarbeitung und Material aller eingesetzten Komponenten spielen dabei eine Rolle. Nur optimale thermische Verbindungen auf dem gesamten Weg von der LED bis zur Leuchtenoberfläche stellen sicher, dass das Auftreten von Stauwärme an der LED effektiv vermieden wird. Die Oberflächentemperatur des Leuchtenkörpers wird sich, unabhängig vom Inneren der Leuchte, im thermischen Gleichgewicht immer praktisch gleich einstellen (siehe unten, Beispiel „Thermomanagement eines Downlights”).
Zur Bewertung der Effektivität des Thermomanagements einer Leuchte sind also umfangreiche Messungen im Inneren der Leuchte erforderlich, die einen Rückschluss auf die Temperatur ti am pn-Übergang (Junction) der LED erlauben. Hersteller von LED-Modulen kennzeichnen auf ihren Produkten einen tc/tp-Punkt, an dem die Temperatur in einfacher Weise mit einem Messfühler gemessen werden Kann. Der hier gemessene Wert lässt den direkten Rückschluss auf die Sperrschichttemperatur zu und Kann vom Leuchtenhersteller zur Bestimmung der Leuchteneigenschaften (siehe auch Kapitel „Lebensdauer von LED-Leuchten”) verwendet werden.
Für die Wärmeabgabe an die Umgebung sind am Ende die Temperatur der umgebenden Luft sowie die Möglichkeit der Luftzirkulation (Konvektion) von entscheidender Bedeutung. Daher sind die vom Leuchtenhersteller gegebenen Montagehinweise sowie die Umgebungstemperatur tq (siehe Kapitel „Betriebsbedingungen") zu berücksichtigen.
Beispiel: Thermomanagement eines Downlights
Die Grafiken in Abbildung zeigen eine Falschfarbendarstellung der in einer Simulation ermittelten Temperaturverteilung in einem Downlight in Abhängigkeit der Qualität des Thermomanagenents. Die Bilder zeigen die Situation im thermischen Gleichgewicht, also im Dauerbetrieb. Die gezeigten Temperaturverteilungen erklären sich wie folgt:
Abbildung 3.185: Vergleichende Simulationen des Thermomanagements eines Downlights im thermischen Gleichgewicht,
in Falschfarbendarstellung.
In allen drei Darstellungen befindet sich das Downlight im Dauerbetrieb mit gleicher Leistungsaufnahme. Der Wärmeeintrag ist also identisch.
Im thermischen Gleichgewicht sind der Wärmeeintrag und die Wärmeabgabe an die Umgebung in allen drei Fällen gleich groß.
Die Wärmeabgabe erfolgt über die Oberfläche des Kühlkörpers an die umgebende Luft. Hier stellt sich in allen drei Fällen (praktisch) die gleiche Temperaturverteilung ein.
Bei optimiertem Thermomanagement (Abbildung a) Kann die Wärme aus dem Inneren der Leuchte gut abgeführt werden. Der Chip bleibt relativ Kühl. In der Anlaufphase erwärmt sich der Kühlkörper schnell.
Bei einem schlechtem Wärmeübergang vom Chip zum Kühlkörper (Abbildung b) muss ein großer Temperaturunterschied zwischen Ihnen vorliegen, um die Wärme diese Schwelle passieren zu lassen.
Bei schlechter Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers (Abbildung c) ist der Wärmetransport durch das Volumen zur Oberfläche erschwert. Der Kühlkörper erwärmt sich langsamer, die Wärme wird gestaut.
Im thermischen Gleichgewicht (gleicher Oberflächentemperatur, s.o.) ist eine Kontinuierliche Temperaturerhöhung bis hin zur Wärmequelle, dem LED-Chip, die Folge.
Die erhöhte Temperatur am LED-Chip beeinträchtigt insbesondere das Lebensdauerverhalten der LED (siehe auch Kapitel, „Lebensdauer von LED-Produkten”). Auch die Lichtausbeute verringert sich (siehe auch Kapitel „Lichtausbeute”). Es sind die Angaben in der Montageanleitung zu beachten.
Eine abweichende Gebrauchslage kann ggf. die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft mittels Konvektion beeinträchtigen. Bei Downlights sind insbesondere die Mindestabmessungen des Einbaukastens einzuhalten.