Wärmemanagement von Weißlicht-LEDs

Ein optimales Wärme­management ist entscheidend für die Leistung und Lebens­dauer von Weißlicht-Leucht­dioden. Die Temperatur­stabilität der Sekundär­optik, die für eine gleich­mäßige Verteilung des Lichts sorgt, wird dabei oft vernachlässigt, was bis zum Total­ausfall der Optik führen kann. Das Fraunhofer-Anwendungs­zentrum für Anor­ganische Leucht­stoffe hat über Infrarot-Thermografie einen Ansatz entwickelt, mit dem sich die Erwärmung von sekun­dären LED-Optiken bewerten lässt. So können Ausfall­risiken minimiert und die Lebens­dauer von Leucht­stoffen verbessert werden.

In Weißlicht-LEDs erzeugt ein blauer LED-Chip mit einem in der Regel pulver­förmigen, gelb emit­tierenden Leuchtstoff, eingebettet in einem trans­parenten Kunststoff, weißes Licht. Neben seiner Funktion als Einbettungs­material für LED-Chip und Leuchtstoff bietet der Kunststoff eine erste Möglich­keit zur Lenkung des Lichts. Zur präzisen und individuellen Lenkung des Lichts kommt zusätzlich eine sekundäre Optik zum Einsatz. Das Wärme­management dieser Komponenten spielt eine entscheidende Rolle, damit LEDs die optimale Licht­leistung und die gewünschte Lebens­dauer erreichen. Die im Bauteil entstehende Wärme muss möglichst gut abgeleitet werden, alle eingesetzten Materia­lien müssen den ent­stehenden Betriebs­temperaturen standhalten.

Bei der Temperatur­stabilität der LED-Chips sowie der direkt mit ihr verbundenen Primäroptik wurden in den vergangenen Jahren große Fort­schritte erzielt, sodass sich Weißlicht-LEDs nun auch bei deutlich höheren Betriebs­temperaturen einsetzen lassen. Unter­suchungen des Fraunhofer-Anwendungs­zentrums für Anor­ganische Leucht­stoffe zeigen aller­dings: Diese höheren Temperaturen können Auswir­kungen auf die Sekundäroptik haben, die beim Wärme­management oft vernach­lässigt wird. Besonders kritisch ist dies, wenn die Sekundär­optik aus Kunststoff besteht, was wegen der Kosten- und Gewichts­vorteile gegenüber Glasoptiken häufig der Fall ist.

Die Wärmeform­beständigkeit der üblicher­weise für Sekundär­optiken verwendeten Materialien wie Polymethyl­methacrylat (PMMA) und Poly­carbonat (PC) liegen bei 95 °C und 122 °C. „Falls die Sekundär­optik über einen längeren Zeitraum oberhalb dieser Tempera­turen betrieben wird, ändern sich ihre optischen Eigen­schaften. Im schlimmsten Fall ist sogar eine Verformung vorstellbar, was einem Total­ausfall der Funk­tionalität der Optik entspricht – obwohl die Temperatur­grenzen für alle anderen Bauelemente weiterhin einge­halten werden“, erklärt Peter Nolte, Teamleiter für „Zuver­lässigkeit von Leucht­stoffen“ am Fraunhofer AWZ.

Sein Team hat eine Methode entwickelt, um das exakte Temperatur­profil von Sekundär­optiken zu messen. Die Optiken werden bei maximal zulässiger Leistung und Temperatur der LED in Kombination mit einem Hoch­leistungs-LED-Modul kontaktlos über Infrarot-Thermo­grafie analysiert und bewertet. Messungen am Beispiel von PMMA und PC zeigten, dass sich mit diesem Verfahren ins­besondere die Temperatur an der inneren Oberfläche genau bestimmen lässt. So werden Aussagen darüber möglich, welche Materialien für welche Betriebs­temperaturen geeignet sind.

Fh.-IMWS / JOL