LED Thermomanagement
Kühlung für maximale Lebensdauer
LED Thermomanagement
Wie Kühlung die LED-Lebensdauer und Lichtausbeute beeinflusst
Zusammenfassung
Junction-Temperatur Tj <85°C für maximale Lebensdauer.+10°C = halbe Lebensdauer (Arrhenius-Regel). Kühlung durch: Kühlkörper, Konvektion, Wärmeleitung.
1. Warum ist Wärme kritisch?
LED wandelt nur 30-50% der elektrischen Energie in Licht um. Der Rest wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärme muss vom LED-Chip abgeführt werden:
Hohe Temperatur bewirkt:
- • Reduzierte Lichtausbeute (lm/W)
- • Verkürzte Lebensdauer
- • Farbverschiebung
- • Beschleunigte Alterung
Gute Kühlung bewirkt:
- • Maximale Lichtausbeute
- • Lange Lebensdauer (50.000h+)
- • Stabile Farbtemperatur
- • Zuverlässiger Betrieb
⚠️ Arrhenius-Regel
+10°C = halbe Lebensdauer. Eine LED mit 50.000h bei Tj=75°C hat nur noch 25.000h bei Tj=85°C und nur 12.500h bei Tj=95°C!
2. Junction-Temperatur Tj
Die Junction-Temperatur (Tj) ist die Temperatur direkt am LED-Chip. Sie ist nicht direkt messbar, sondern wird berechnet:
Tj = Ta + (Rth-jc + Rth-ch + Rth-ha) × P
Ta = Umgebungstemperatur | Rth = thermischer Widerstand (K/W) | P = Verlustleistung (W)
| Parameter | Bedeutung | Typischer Wert |
|---|---|---|
| Rth-jc | Junction → Case (LED-intern) | 2-10 K/W |
| Rth-ch | Case → Heatsink (Interface) | 0.5-2 K/W |
| Rth-ha | Heatsink → Ambient (Kühlkörper) | 1-20 K/W |
3. Wärmeabführung
| Methode | Prinzip | Anwendung |
|---|---|---|
| Konduktion | Wärmeleitung durch Material | Kühlkörper, PCB, Gehäuse |
| Konvektion | Wärmeübertragung an Luft | Passiv (Rippen) / Aktiv (Lüfter) |
| Strahlung | Infrarot-Abstrahlung | Schwarze Oberflächen, gering |
4. Materialien und Wärmeleitfähigkeit
| Material | λ (W/m·K) | Anwendung |
|---|---|---|
| Kupfer | ~400 | PCB-Spreader, Premium |
| Aluminium | ~200 | Kühlkörper Standard |
| Keramik (AlN) | ~170 | LED-Substrate |
| Wärmeleitpaste | 1-5 | TIM Interface |
| FR4 (PCB) | ~0.3 | Schlechter Wärmeleiter |
5. Design-Empfehlungen
- Kühlkörper: Ribben-Design für passive Konvektion, Aluminium
- PCB: Metal-Core PCB (MCPCB) für High-Power LED
- TIM: Wärmeleitpaste/-pad, dünn aufgetragen
- Airflow: Luftzirkulation im Gehäuse ermöglichen
- Derating: LED nicht bei 100% Strom betreiben (z.B. 80%)
Zusammenfassung
- • Tj <85°C: Für maximale Lebensdauer
- • +10°C = halbe Lebensdauer
- • Aluminium/Kupfer: Beste Wärmeleiter
- • MCPCB: Für High-Power Anwendungen
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