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Energie-Produkte: Der LED-Lampe größtes technisches Problem: Die Kühlung!

Copyright by Michael Bockhorst 12 01 10 - 21:06
LED-Lampen sind der logische nächste Schritt nach den Energiesparlampen. Wie kann man vermeiden, dass LEDs dem Hitzetod zum Opfer fallen?

Wie kann es sein, dass die so hocheffizienten LED-Lampen ein Problem mit der Abwärme haben? Die LEDs sind doch viel größer als der filigrane Glühfaden einer Glühlampe mit 60 Watt Leistung.

Ganz einfach: LEDs verwandeln immer noch 80 Prozent der elektrischen Leistung in Wärme, sie werden also heiß. LEDs sind Halbleiter-Bauelemente, die im Halbleiterkristall maximal ca. 120 Grad Celsius aushalten können. Sollen sie möglichst lange leben, dürfen LEDs diese Temperaturen im Betrieb bei weitem nicht erreichen.

Wie heiß wird eine LED ohne Kühlung?

Eine 5-Watt-LED-Lampe, die etwa so hell wie eine 30-Watt-Glühlampe ist, heizt sich mit etwa 4 Watt Wärmeleistung auf, während 1 Watt Leistung in Form von Licht ausgestrahlt wird. Die Halbleiter selbst haben eine Fläche von vielleicht 1/5 Quadratzentimeter. Das macht eine Leistungsdichte von 5 Watt pro Quadratzentimeter.

Was sagt uns diese Zahl? Erst einmal gar nichts. Aber vergleichen wir diese Leistungsdichte mit der Leistungsdichte einer Herdplatte. 17cm Durchmesser und 1000 Watt Leistung entsprechen einer Leistungsdichte von 1000 Watt pro 226 Quadratzentimeter oder ca. 4.5 Watt pro Quadratzentimeter.

Was lernen wir daraus? Eine LED würde ohne Kühlung so heiß wie eine Herdplatte, die auch noch isoliert würde - mehrere Hundert Grad Celsius wären schnell erreicht. Eine ausreichende Kühlung für leistungsstarke LED-Lampen ist also notwendig, wenn sie länger als ein paar Sekunden leuchten sollen.

Wie werden LEDs gekühlt?

Einfache Antwort: Wie alle Halbleiter-Bauelemente. Bei lichtschwachen Klein-LEDs im Milliwatt-Bereich reichen die Lötanschlüsse, um die Wärme von dem Halbleiterkristall zu entfernen. Bei LEDs ab etwa 1 Watt Leistungsaufnahme ist eine Kühlfläche notwendig, meist ein Aluminium-Kühlkörper, der die Abwärme an die Umgebung überträgt.

Heutige LED-Lampen, die beispielsweise in die gängigen E-14 oder E-27-Sockel passen, fallen durch ihre Kühlkörper aus. Sie stören das an sich schlichte Grunddesign der glühlampenähnlichen Gebilde. Bedeutsamer aber ist, dass die notwendigen Kühlkörper aufgrund ihrer Größe auch die Gestaltung der lichtabstrahlenden Flächen einschränken. Die Größe der Kühlkörper kann man verringern, wenn man den Luftstrom durch den Kühlkörper erhöht. Aber ist ein brummendes Lüftergeräusch aus der Schreibtischlampe wirklich erstrebenswert? Wohl kaum!

Flüssigkeitsgekühlte LEDs, eine Schnapsidee?

Im Gegenteil. Als Kühlflüssigkeit kommen beispielsweise Mineralöle in Frage, die relativ unproblematisch sind: Schwer entflammbar, praktisch ungiftig und gut rezyklierbar. Eine erste Produkt-Serie flüssigkeitsgekühlter LEDs wurde von der Firma Liquid LED eingeführt, die unter anderem durch die Bayer AG für deren bekannte Leuchtreklame eingesetzt werden. Durch die einfache Bauweise - Metallsockel und Glaskolben als Außen-"Gehäuse" - ist diese LED-Lampen für den Außenbetrieb bestens geeignet.

Die Abwärme wird letztendlich über den gesamten Glaskolben und den Sockel abgeführt. Die Leistungsdichte beträgt dann nur noch 4 Watt pro ca. 100 Quadratzentimeter oder 0.04 Watt pro Quadratzentimeter. Die Leistungsdichte ist damit um den Faktor 100 im Vergleich zu den Halbleiterkristallen ... oder der Herdplatte ... reduziert worden.

Manchmal sind es kleine Änderungen, die dabei helfen, große Probleme zu beheben!

Weiterführendes auf energieinfo.de

Quellen im Web

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