Wie funktioniert die Kühlung bei LED-Leuchten mit hoher Temperatur?

Die Kühlung von LED-Beleuchtungen bei hohen Temperaturen funktioniert durch eine Kombination aus passiver Wärmeabfuhr durch thermisch leitende Materialien, einer intelligenten Konstruktion des Gehäuses und der thermischen Steuerung des Leuchtmittels. Das Ziel ist immer das gleiche: die LED-Chip so kühl wie möglich zu halten, auch wenn die Umgebungstemperatur extrem hoch ist. Wie das in der Praxis funktioniert und warum es so wichtig ist, erfährst du in diesem Artikel.

Warum ist die Wärmeabfuhr für LED-Leuchtmittel so wichtig?

LEDs produzieren Licht effizient, generieren aber auch Wärme an der Rückseite der Chip. Wenn diese Wärme nicht schnell genug abgeleitet wird, steigt die sogenannte Junction-Temperatur: die Temperatur am aktiven Teil der LED. Sobald diese zu hoch ansteigt, nimmt die Lichtausbeute ab, die Lebensdauer drastisch verkürzt und das Risiko von vorzeitigen Ausfällen steigt.

In einem Bürorahmen ist dies relativ einfach zu steuern. In einer Stahlfabrik, einer Klimakammer oder in einer Bergbaubranche ist das eine ganz andere Geschichte. Dort ist die Umgebungstemperatur bereits hoch, manchmal extrem hoch, wodurch der Temperaturunterschied zwischen der LED und der Umgebung kleiner wird. Und je kleiner dieser Unterschied ist, desto schwieriger wird es, Wärme abzuführen.

Kurz gesagt: Ein Gerät, das bei 25°C problemlos funktioniert, kann bei 80°C oder höher vollständig versagen, einfach weil die Kühlung nicht für diese Bedingungen konzipiert ist. Dies macht thermische Steuerung zu einer der wichtigsten Faktoren für die Zuverlässigkeit eines Geräts. LED-Beleuchtung bei extremen Temperaturen.

Welche Kühltechniken werden bei Hochtemperaturbereichen eingesetzt?

Bei LED-Leuchten mit hoher Temperatur basieren die am häufigsten verwendeten Kühltechniken auf passiver thermischer Leitung sowie einer durchdachten Konstruktion des Gehäuses. Aktivierte Kühlung, wie beispielsweise Ventilatoren, wird in industriellen Umgebungen möglichst vermieden, da sie zu Verschleiß, Staub und Wartungsaufwand führen.

Die häufigsten Techniken sind:

Thermisch leitfähige Materialien: Aluminiumlegierungen mit hoher thermischer Leitfähigkeit werden für die Gehäuse- und Kühlkörper-Komponente verwendet. Die Wärme wird über die Leitung der LED-Chip an die Oberfläche der Leuchte übertragen.
Große Kühlflächen: Durch die Vergrößerung des Flächenbereichs der Leuchte mithilfe von Kühlventilen kann Wärme effizienter an die Umgebungsluft abgegeben werden, selbst wenn diese Luft bereits warm ist.
Thermisch leitende Pasta oder Pads: Zwischen der LED-Leiste und dem Gehäuse werden Materialien verwendet, die die Wärmeübertragung maximieren und Luftblasen vermeiden.
Optimierte Fahrerposition: Der Treiber, der selbst Wärme erzeugt, wird thermisch von der LED-Leiste getrennt oder in einem separaten Gehäuse untergebracht.
Hitzebeständige Dichtungen und Materialien: Bei sehr hohen Umgebungstemperaturen müssen auch die Dichtungen, Kabeldurchführungen und Beschichtungen gegen Langzeitbelastung durch Hitze resistent sein.

Die Kombination dieser Techniken bestimmt letztendlich die Leistung eines Leuchtmittels in einer anspruchsvollen Umgebung.

Wie unterscheidet sich die Kühlung bei -45°C von der Kühlung bei +120°C?

Bei extremen Kältebedingungen ist das thermische Problem umgekehrt: LED-Chips funktionieren bei niedrigen Temperaturen zunächst besser, aber der Treiber kann beim Einschalten Probleme haben. Materialien verformen sich, Dichtungen werden porös und Kondenswasser kann interne Komponenten beschädigen. Bei extremen Hitzebedingungen besteht die Herausforderung, Wärme schnell genug abzuführen, bevor die Junction-Temperatur kritische Werte erreicht.

In einer Klimakammer, in der Lampen bei Temperaturen von -45°C bis +120°C arbeiten müssen, gelten besondere Anforderungen an alle verwendeten Materialien. Die thermische Ausdehnung und Schrumpfung von Metallen, Kunststoffen und Dichtungen muss über den gesamten Bereich hinweg kontrollierbar sein. Ein Gerät, das nur für hohe Temperaturen ausgelegt ist, kann bei tiefen Gefriertemperaturen möglicherweise aufgrund von Materialermüdung oder Kondensproblemen beim Übergang feilen.

Armaturen für Klimakammern erfordern daher ein Gesamtkonzept, bei dem sowohl die Kühlung bei Hitze als auch die Schutzfunktion bei Frost berücksichtigt werden. Das unterscheidet sie grundlegend von Armaturen, die ausschließlich für eine Stahlfabrik bestimmt sind.

Welche Rolle spielt der Fahrer bei der thermischen Steuerung?

Der Treiber ist einer der temperaturempfindlichsten Komponenten in einer LED-Leuchte. Er steuert die Stromzufuhr an die LED-Chip und produziert dabei selbst Wärme. Bei hohen Umgebungstemperaturen ist der Treiber oft das erste Bauteil, das fehlschlägt, wenn die thermische Steuerung nicht gut konzipiert ist.

Hersteller von Hochtemperaturlichtern lösen dies auf eine der folgenden Arten:

Externer Treiber: Der Treiber wird außerhalb der Leuchte installiert, an einem kühleren Ort in der Anlage. Auf diese Weise wird die Wärmebelastung der Leuchte selbst stark reduziert.
Thermisch getrennte Kompartiment: Der Treiber befindet sich in einem separaten Bereich der Gehäusekonstruktion, mit eigener Kühlung und thermischer Isolierung gegenüber der LED-Leiste.
Hochtemperatur-Treiber: Specialisierte Fahrer, die für den Einsatz bei erhöhten Umgebungstemperaturen zertifiziert sind und Komponenten besitzen, die einer Langzeitbelastung durch Hitze standhalten.
Thermischer Abfall: Der Treiber reduziert automatisch die Leistung bei zu hohen Temperaturen, damit die Leuchte geschützt bleibt und weiterhin funktioniert.

Die Wahl zwischen diesen Optionen hängt von der spezifischen Umgebung, dem verfügbaren Installationsraum und der gewünschten langfristigen Zuverlässigkeit ab.

Wie erkennen Sie ein Gerät mit unzureichender Kühlung?

Ein Gerät mit mangelhafter thermischer Kontrolle gibt oft schon früh Anzeichen. Die häufigsten sind Lichtabfall, bei dem die Lichtleistung merklich abnimmt, obwohl das Gerät noch relativ neu ist, und Farbveränderungen des Lichts durch Alterung der LED-Chip unter hohen Temperaturbelastungen.

Andere Signale, auf die zu achten ist:

Das Gehäuse wird von außen extrem heiß, was auf eine schlechte Wärmeabführung in die Umgebung hinweist.
Häufiger Ausfall oder Neustart der Leuchte aufgrund der Überhitzungssicherung.
Verkürzte Lebensdauer der Treiber, mit Folge von wiederholten Erneuerungen.
Verfärbung oder Verformung des Gehäuses oder der Dichtungen.
Unregelmäßige Lichtflimmern, was auf thermische Belastung im Fahrer auftreten kann.

In industriellen Umgebungen sind solche Störungen nicht nur kostspielig, sondern auch gefährlich. Ausfall der Beleuchtung in kritischen Momenten in einer Produktionsanlage oder an einer Krananlage hat unmittelbare Auswirkungen auf die Sicherheit von Menschen und Prozessen.

Wann ist eine spezielle Hochtemperatur-Leuchte erforderlich?

Eine spezielle Hochtemperaturleuchte ist erforderlich, sobald die Umgebungstemperatur strukturell über 50°C liegt oder wenn die Leuchte direktem Strahlungswärme von heißen Materialien oder Prozessen ausgesetzt ist. Standardmäßige industrielle LED-Leuchten sind in der Regel für eine maximale Umgebungstemperatur von 40°C bis 50°C ausgelegt. Über diese Grenze hinaus sind sie einfach nicht zuverlässig.

Typische Situationen, in denen eine spezielle Leuchte erforderlich ist, sind unter anderem Stahlwerke, in denen Armaturen der Infrarotstrahlung von flüssigem Stahl ausgesetzt sind, Gießereien, Glasöfen, Papiertrocknungslinien und Umgebungen mit intensiver Prozesserwärmung. Auch Klimakammern, in denen die Temperatur bewusst extrem niedrig oder hoch gehalten wird, fallen in diese Kategorie.

Für Sektoren wie die Schwere Industrie mit extremer Hitze Die Verwendung herkömmlicher Beleuchtung ist nicht nur ineffizient, sondern auch ein Sicherheitsrisiko. Ein Gerät, das durch Überhitzung fehlschlägt, bricht ausgerechnet dann ab, wenn die Stabilität am wichtigsten ist.

Praxisbeispiel: Tata Steel IJmuiden

Bei Tata Steel IJmuiden wurde die Beleuchtung in der Nähe des Produktionsprozesses als Teil einer Nachhaltigkeitsmaßnahme umgesetzt. In der Nähe des heißen Stahls steigt die Temperatur auf +120 °C an, das Stahlstrahlen Infrarotlicht und die Luftzusammensetzung ist aggressiv. Das Lichtdesign und die Engineering wurden JEL sorgfältig ausgewählt, die Installation wurde entworfen und es wurde je nach Standort zwischen Snapper HT Barracuda HT und Orca HT gewählt. In der Nähe der Arbeitsumgebung wird ein Lichtstrom von 100 Lux erreicht, mit einer Gleichmäßigkeit von bis zu 0,55. Die HT-Ausführungen reflektieren das Infrarotlicht anstatt es zu absorbieren, sodass die LED und der Treiber innerhalb ihres Temperaturbereichs bleiben.

Was die Kühlung betrifft, ist dieser letzte Punkt der Kernpunkt. Kühlribben leiten die Wärme ab, die die Leuchte bereits aufgenommen hat, aber die von außen einfallende Strahlung heizt die Gehäusekonstruktion weiterhin an, solange diese die Strahlung absorbiert. In einer solchen Umgebung beginnt die thermische Steuerung daher mit der Reduzierung der eingehenden Wärme und erst danach mit deren Ablösung.

Dies erklärt auch, warum ein Leuchten mit einer angegebenen Umgebungstemperatur in der Praxis dennoch fehlschlagen kann: Die Lufttemperatur ist nur ein Teil der thermischen Belastung.

Mehr zum Projekt Tata Steel IJmuiden

Wie JEL Products hilft die Kühlung von LED-Leuchten bei hohen Temperaturen?

JEL Products Liefert LED-Leuchten, montiert und maßgefertigt in den Niederlanden, die speziell für Umgebungen entwickelt wurden, in denen Standardbeleuchtung nicht ausreicht. Die Orca Barracuda Hochtemperatur-Floodlights sind für Temperaturen bis +120°C ausgelegt und verfügen über eine Konstruktion, bei der die thermische Steuerung von Beginn an im Mittelpunkt steht.

Konkret bietet JEL Products Folgendes:

Armaturen mit Temperaturbeständigkeit bis +120°C, einschließlich Beständigkeit gegen Infrarotstrahlung.
Lösungen für Klimakammern und Gefrierbereiche ab -45°C sowie mit der HT-Serie für Temperaturen von bis zu +120°C.
Thermisch konzipierte Designs, bei denen die Treiberposition und die Kühlkonstruktion auf die spezifische Umgebung abgestimmt sind.
Beratung von der Engineeringphase bis zur Installation, einschließlich Beleuchtungsdesigns für extreme Umgebungen.
ISO9001 und VCA** zertifizierte Arbeitsweise mit besonderem Fokus auf Sicherheit und Kontinuität.

Haben Sie eine Umgebung, in der die Temperatur die Grenzen der Standardbeleuchtung überschreitet? Kontakt aufnehmen und besprechen Sie die Möglichkeiten einer Lösung, die speziell auf Ihre spezifische Situation zugeschnitten ist.

Blog