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Wärme an der LED abführen Wie sich die Temperatur am Lötpunkt einer LED exakt ermitteln lässt

Autor / Redakteur: Kai Klimkiewicz * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Temperatur Tj an der Sperrschicht einer LED lässt sich nur über Umwege messen. Ableiten lässt sich die Temperatur über Tsp an der Lötstelle. Wir zeigen, worauf zu achten ist.

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Temperatur messen: Da sich die Temperatur an der Sperrschicht einer LED nicht direkt messen lässt, geht man den Umweg über die Temperatur am Lötpunkt.
Temperatur messen: Da sich die Temperatur an der Sperrschicht einer LED nicht direkt messen lässt, geht man den Umweg über die Temperatur am Lötpunkt.
(Bild: Cree)

Beim Design von LED-Leuchten oder kompletten Beleuchtungssystemen spielt das thermische Management eine entscheidende Rolle. Steigt die Temperatur Tj an der Sperrschicht, so sinkt die Performance der LED. Das Problem ist, dass sich die Temperatur Tj nicht direkt ermitteln lässt. Allerdings lässt sie sich aus der Temperatur Tsp der Lötstelle ableiten. Was Entwickler dabei beachten müssen, haben wir im Text herausgearbeitet.

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Damit eine LED auch Licht emittiert, wird ein elektrischer Strom durch die Sperrschicht des Chips geleitet. Trotz der hohen Lichtausbeute moderner LEDs wird ein großer Teil der Eingangsenergie in Wärme anstatt Licht umgesetzt. Allerdings wirkt sich Wärme negativ auf die Lichtausbeute aus.

Außerdem kann die Wärmeentwicklung dazu führen, dass sich die Lichtausstrahlung allmählich verringert und es zu einem vorzeitigen Ausfall eines LED-Beleuchtungssystems kommt. Daher ist bei LEDs und entsprechenden Beleuchtungssystemen ein effektives Wärmemanagement unverzichtbar [1].

Da sich die Temperatur Tj an der Sperrschicht nicht direkt messen lässt, muss diese indirekt über die Formel ermittelt werden: Tj = Tsp +Θ th· Ptotal. Es gelten: Tj= der Sperrschicht-Temperatur in Grad Celsius (°C), Tsp = Lötpunkt-Temperatur (°C), Θ = thermische Widerstand der LED in Grad Celsius pro Watt (°C/W). Dieser Wert ist dem Datenblatt der LED zu entnehmen. Ptotal = gesamte Eingangsleistung in Watt (W). Der Wert wird ermittelt, in dem der Eingangsstrom (If) mit der Vorwärtsspannung Vf multipliziert wird.

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Messen der Lötpunkt-Temperatur

Entwickler können die Sperrschicht-Temperatur Tj von LEDs über den Umweg Tsp messen. Für die gewünschten Resultate sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:

  • Thermoelemente mit guter Isolierung verwenden,
  • Einen direkten Lichteinfall auf das Thermoelement und dessen Kontaktstellen vermeiden, damit die Messergebnisse nicht verfälscht werden,
  • Sicherstellen, dass eine gute mechanische Verbindung zwischen Kontaktstellen des Thermoelements und dem Messpunkt Tsp besteht,
  • Das Thermoelement mit Klebeband fixieren und dadurch die Kontaktstellen entlasten,
  • Die Kontaktstellen des Elements lassen sich mit einem thermisch-leitfähigen Kleber kleben oder an der Mess-Stelle Tsp löten sowie
  • Die Temperaturentwicklung in der Zeitspanne zwischen dem Einschalten der LED und der Stabilisierung der Temperaturentwicklung erfassen. Als stabil gilt die Temperatur, wenn sie sich innerhalb von fünf Minuten um maximal 1% ändert.

Thermoelemente bei Temperaturmessungen einsetzen

Bei der Messung der Temperatur kommen in der Regel Thermoelemente zum Einsatz. Ein solches Element besteht aus zwei Drähten aus unterschiedlichen Metall-Arten, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Die beiden Leitungen sind von einer Isolationsschicht umgeben. Nur die beiden freien Enden haben Kontakt zum Testobjekt. Ein solcher Messfühler kann beispielsweise aus einer Nickel-Chrom- und Nickel-Aluminium-Legierung bestehen.

Je nachdem, welche Temperatur an den beiden Kontakten anliegt, entsteht zwischen den Metallen eine Spannungsdifferenz (DC, Decent Current). Dieses Phänomen wird auch als Seebeck-Effekt bezeichnet. Die erzeugte Gleichspannung ist direkt proportional zur Temperatur des Testobjekts und lässt sich mithilfe eines angeschlossenen Thermometers in Temperaturwerte umsetzen. Thermoelemente werden anhand der Legierungen klassifiziert, aus denen sie bestehen. Jedes Element ist mit einer Farbcodierung versehen, die das American Nation Standards Institute (ANSI) und die Illuminating Engineering Society (IES) festgelegt haben (Tabelle [2]).

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