Wärmeentwicklung bei einer LED

Die LED (light emitting diode, im Deutschen „Leuchtdiode“) gilt als besonders effizient, weil sie nur eine geringe Wärmeentwicklung zeigt – im Gegensatz zur klassischen Glühlampe, die 90 % oder sogar mehr der zugeführten Energie in Wärme umsetzt. Tatsächlich können LED-Lampen aber je nach Bauform und Einbauort eine nicht unerhebliche Wärme entwickeln. Wie heiß werden LEDs eigentlich? Und worauf müssen Sie beim Einbau achten?

Wärmeentwicklung von LEDs und anderen Leuchtmitteln

Die herkömmliche Glühlampe wird funktionsbedingt sehr heiß: Ein Draht bzw. Faden aus einem elektrisch leitenden Material wird durch den durchfließenden Strom so stark erhitzt, dass er hell glüht. Daher haben Glühlampen einen sehr geringen Wirkungsgrad von 5 bis 10 %. Der Rest der eingesetzten Energie – also 90 bis 95 % – wird als Wärme abgestrahlt. Auch Halogenlampen sind „Temperaturstrahler“, weil sie während des Leuchtens Infrarotstrahlung erzeugen, die für eine hohe Wärmeentwicklung sorgt.

Die LED erzeugt keine infrarote Strahlung und hat keine Wärmeentwicklung auf diesem Weg. Einige LED-Leuchten bleiben so kühl, dass man sie mit der Hand anfassen kann. Aber das ist nicht generell der Fall – auch LEDs erzeugen Abwärme und können unter Umständen sehr heiß werden.

Wie groß ist die Wärmeentwicklung bei LED-Leuchten?

Das Herzstück jeder Leuchtdiode ist ein Chip, der aus zwei Halbleiterschichten besteht. Fließt Strom durch den Halbleiter, entstehen kleine Lichtblitze, die wir als Leuchten wahrnehmen. Gleichzeitig entsteht Verlustwärme, die aber nicht abgestrahlt wird, sondern sich im Chip sammelt und anders abgeleitet werden muss.

Die Wärmeentwicklung wird in Watt pro cm² angegeben und beträgt im Halbleiter etwa 4,5 W/cm². Zum Vergleich: Eine Herdplatte entwickelt 5 W/cm² – im LED-Chip entsteht also eine große Hitze, die unbedingt abgeleitet werden muss. Passiert das nicht, steigert sich die Temperatur im Chip immer weiter, und er schmilzt nach nur wenigen Sekunden.

Die Leuchtdiode ist zwar das wichtigste Teil und muss vor zu hohen Temperaturen geschützt werden, aber Abwärme entsteht nicht nur dort. Bei Systemen mit Trafo kann es auch zu einer Wärmeentwicklung kommen – dies ist zwar für die LEDs unerheblich, sollte aber beim Einbau, z. B. hinter Holzverkleidungen, beachtet werden.

Kühlung ist wichtig – aber wohin mit der Wärme?

Da die Wärmeentwicklung bei LEDs nicht durch Infrarotstrahlung entsteht, strahlen sie auch nicht von selbst Wärme ab. Der LED-Chip ist hitzeempfindlich und geht kaputt, wenn er zu heiß wird. Das äußert sich darin, dass die Leuchte zunächst immer dunkler wird, bis sie ganz ausfällt. Eine ausreichende Kühlung ist also äußerst wichtig für die Lebensdauer, die bei LED-Leuchtmitteln durchaus bis zu 50.000 Stunden betragen kann.

Generell wird die Wärme durch Kühlkörper aus Metall abgeleitet und an die Umgebung abgegeben. Dafür werden die LEDs zum Beispiel mit einem Wärmeleitkleber auf Aluminiumleisten oder -profilen angebracht, moderne COB-LEDs sind bereits auf einem Kühlkörper befestigt. Wie heiß LED-Leuchtmittel werden können, hängt entscheidend von folgenden Faktoren ab:

• Lichtleistung
• Effizienz
• Größe
• Einbauort

Hellere Leuchten mit großer Lichtleistung erzeugen funktionsbedingt mehr Verlustwärme als weniger helle Varianten. Hier ist es auch wichtig, auf die Effizienz einer LED-Lampe zu achten – bei einer hohen Effizienz gibt es ein gutes Verhältnis von Lichtleistung zu Verlustleistung. Das heißt, Leuchtmittel mit einem hohen Wirkungsgrad haben eine geringe Wärmeentwicklung. LED-Leuchten ganz ohne Wärmeabgabe sind übrigens technisch nicht realisierbar und bleiben ein Wunschtraum.

Die Größe der Leuchte ist auch sehr wichtig – in kleineren Varianten ist einfach nur wenig Platz für Kühlkörper vorhanden. Hier muss besonders darauf geachtet werden, dass die entstehende Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann und dieser Prozess nicht durch einen ungünstigen Einbauort behindert wird. Gute LED-Lampen mit hoher Leistung haben in der Regel ein Gehäuse aus Metall mit einer Lamellenstruktur, damit die Wärme besser abgeleitet wird. Einige Modelle haben sogar kleine Ventilatoren eingebaut, um die Wärmeentwicklung gering zu halten.

Wärmeentwicklung bei LED-Spots und Einbaustrahlern

Vor allem Spots und Einbaustrahler haben oft eine hohe Lichtleistung und damit eine große Wärmeentwicklung. Hier ist es besonders wichtig, auf eine ausreichende Kühlung bzw. Wärmeableitung zu achten. Wie heiß ein Spot oder Strahler wird, lässt sich nicht direkt messen, aber man kann trotzdem gut überprüfen, ob die Wärmeentwicklung sich in Grenzen hält.

Sind die LEDs auf einem Kühlelement – zum Beispiel einer Aluminiumleiste – montiert, sollte man diese auch nach einer Stunde Dauerbetrieb der Leuchten kurz anfassen können, ohne sich zu verbrennen.

Dann haben die Leuchten etwa eine Temperatur von 80 °C, was völlig in Ordnung ist. Bei unter 60 °C kann man das Kühlelement sogar länger in der Hand halten.

Will man es nicht riskieren, sich die Finger zu verbrennen, gibt es noch eine andere Methode, um die Temperatur zu messen. Die LEDs reagieren auf die Wärmeentwicklung, indem sie mit zunehmender Temperatur weniger hell leuchten. Diese Reaktion fällt bei jeder Farbe unterschiedlich stark aus, rote LEDs sind dabei am empfindlichsten – bei einer Temperatur von 150 °C erreichen sie nur noch 50 % ihrer Lichtleistung. Am besten überprüfen lässt sich dies übrigens mit einer Fotokamera, die man manuell einstellen kann. So kann man den Zustand über einen längeren Zeitraum genau vergleichen.

Unter Umständen werden LEDs dunkler, obwohl das Kühlelement relativ kühl bleibt. Dann muss die Verbindung mit dem Kühlelement beispielsweise mit speziellem Wärmeleitkleber verbessert werden. Eine andere Möglichkeit ist es, Strahler oder Spots mit geringerer Lichtleistung einzubauen und dafür die Anzahl zu erhöhen, um die gleiche Gesamtlichtleistung zu erreichen. Wichtig ist auf jeden Fall, die Wärmeableitung durch Metallleisten zu gewährleisten und zum Beispiel LED-Strips nicht direkt auf Holz zu kleben.

Effizient durch lange Lebensdauer

LEDs sind aktuell das effizienteste Leuchtmittel – besonders da sie eine hohe Lebensdauer haben und nicht oft ausgetauscht werden müssen. Für LED-Lampen gilt dabei: Je geringer die Wärmeentwicklung, desto höher die Lebensdauer. Nur wenn die Leuchten ausreichend Abwärme an die Umgebung abgeben können und die Temperatur im Chip möglichst gering gehalten werden kann, kann eine Lebensdauer von bis zu 50.000 Stunden erreicht werden.