Die meisten LED-Beleuchtungsanwendungen weisen folgende typische Merkmale auf:
- Primäres Ziel ist die LED-Temperatur.
- Ein typisches Ziel ist es, die Temperatur innerhalb der Trennebene nahe bei 90 °C zu halten. Dadurch wird eine angemessene Beleuchtungsstärke über die gesamte Lebensdauer der Komponenten sichergestellt.
- Lichtleistung und Lichtqualität der LED gemäß AN58765 CRI (Color Rendering Index) und CCT (Color Correlated Temperature) verschlechtern sich rasch bei hohen Temperaturen.
Materielle Aspekte
LED
Verwenden Sie eine LED-Materialkomponente zum Simulieren einer LED.
- Geben Sie den LED-Wärmewiderstand (Theta) als Theta JB-Wert im Materialeditor an.
- Ist kein Wert verfügbar, verwenden Sie für Theta JB den Wert 10 C/W. Übliche Werte liegen zwischen 5 und 20 C/W.
- Der Wert von Theta JC wird für LED-Komponenten selten bereitgestellt. Geben Sie einen Wert von 1000 an. Dieser Wert stellt sicher, dass der Großteil der Wärme über die Leiterplatte anstatt nach oben abgeführt wird.
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Leiterplatten (PCB)
Leiterplatten spielen eine wichtige Rolle bei vielen LED-Anwendungen. Sie enthalten die Elektronik, sind jedoch auch ein wichtiger Bestandteil des Wärmemanagements innerhalb der Komponente. In vielen Anwendungen wird die Wärme direkt von der LED an die Leiterplatte und anschließend an das äußere Gehäuse abgeführt.
Für die meisten Anwendungen verwenden Sie zur Simulation der Layer einer Leiterplatte die Leiterplattenmaterial-Komponente. Eine einfache Alternative ist das Festkörpermaterial "PCB 12 Schichten". Die Wärmeleitfähigkeit-Werte sind vordefiniert, um eine generische Leiterplatte mit 12 Layern, bestehend aus FR4 und Leiterbahnen aus Kupfer, darzustellen.
Es gibt jedoch einige spezielle Fälle, in denen eine mehr direkte Modellierung angemessener ist:
Thermische Vias
Thermische Vias finden sich in vielen LED-Anwendungen und sind häufig entscheidend für die Wärmeabfuhr von der LED. Es gibt drei Möglichkeiten zum Simulieren von Vias in einer Leiterplatte:
- Teilen Sie im CAD-Modell die Leiterplatte, so dass der Bereich, in dem sich die Vias befinden, ein eigenes Volumen innerhalb der Leiterplatte darstellt. Weisen Sie in Autodesk® CFD diesem Bereich eine höhere Wärmeleitfähigkeit in orthogonaler Richtung zur Leiterplatte zu. Dies stellt einen Leitungspfad durch die Platte in derselben Richtung bereits, wie es die Vias täten.
- Modellieren Sie die Vias geometrisch in der CAD-Anwendung. Diese Methode wird aufgrund der geometrischen Komplexität von Vias und den damit verbundenen Nachteilen in Form von erhöhtem Analyseaufwand und längerer Dauer der Analyse nicht generell empfohlen.
- Ignorieren Sie die Vias. Diese Methode erzeugt eine konservativere Temperaturverteilung, da sie die über die Vias realisierte Wärmeübertragung direkt von der LED durch die Leiterplatte vernachlässigt.
Leiterplatten mit Metallkern
Leiterplatten mit Metallkern (MCPCBs) sind ebenfalls in vielen LED-Anwendungen zu finden. Es gibt einige Möglichkeiten, sie zu modellieren:
- Erstellen Sie mehrere Volumina im CAD-Modell, um den Metallkern und den dielektrischen Layer zu simulieren.
- Wenn dem dielektrischen Layer ein CTM- oder LED-Material zugewiesen ist, muss der Name des Materials "PCB" enthalten.
- Das Volumen für den dielektrischen Layer ist möglicherweise sehr dünn im Vergleich zum Metallkern. In manchen Modellen kann dies die Vernetzung erschweren.
- Verwenden Sie ein Volumen, um den Metallkern zu modellieren, und ein Flächenteil, um den dielektrischen Layer zu modellieren.
- Weisen Sie dem Metallkern-Teil Aluminium (oder ein anderes geeignetes Material) zu. Das Material muss "PCB" in seinem Namen aufweisen.
- Um die Wirkung eines dielektrischen Layers und einer Kupferfolie zu simulieren, weisen Sie dem Flächenteil eine gleichwertige Wärmeleitfähigkeit zu.
- Diese Methode ermöglicht eine bessere Prognostizierung der thermischen Ausdehnung als die anderen Methoden.
- Erstellen Sie ein einzelnes Volumen zur Darstellung der Leiterplatte in CAD.
- Weisen Sie ein Leiterplattenmaterial zu, und geben Sie einen einzelnen Layer mit 100 % Metallanteil an. Beachten Sie, dass diese Methode, obwohl einfacher, nicht so genau ist wie die anderen.
Wärmelast
- Weisen Sie jeder LED eine thermische Last zu, indem Sie eine Randbedingung für die volumetrische Wärmeerzeugung angeben.
- Die LED-Eingangsleistung ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke. In der Regel gehen 75 % der Eingangsleistung als Wärme verloren (der Rest ist Licht).
- Eine gute Möglichkeit, die Wärme zu berücksichtigen, die von anderen Komponenten abgeführt wird, welche keine LED-Komponenten sind, besteht darin, der Leiterplatte die kombinierte Last zuzuweisen und die einzelnen Teile nicht zu modellieren.
- Wenden Sie eine Wärmeerzeugungs-Randbedingung an, die eine Wärmelast von 75 % der LED-Eingangsleistung festlegt.