Temperatur LED-Beleuchtung

[diddy]

Hallo,

hier wird ja viel mit LED gebastelt und auch über die Kühlung sinniert. Der Eine nimmt große Kühlkörper zur konvektiven Luftkühlung, der Andere nimmt Lüfter oder gar Wasserkühlung.

Mir stellt sich die Frage: wie heiß darf der Kram ohne Gefahr werden? In den Datenblättern der LEDs steht war der ein oder andere Wert, allerdings nur für den Emitter.

Als Beispiel: meine LED-Beleuchtung ist selbst gebaut, die Emitter sind mit dem Stars auf Alu-Profile geklebt (Wärmeleitkleber). Die Aluprofile haben jeweils eine Temperaturmessung und der Spaß wird im Betrieb zwischen 38 und 40°C warm. Wie warm werden aber die LEDs? Es werden nur Temperaturkurven für die LED-Emitter angeben. Wie groß ist also der Wärmewiderstand LED-Star-Aluprofil?

Oder einfacher gefragt: sind die von mir gemessenen Temperaturen okay oder geht das zu sehr auf die Lebensdauer?

Wenn ich lese, dass bei kommerziellen Systemen Temperaturen von 50°C und mehr erreicht werden, kommt diese Frage zwangsläufig auf.

 

[omega]

Hallo Christian,

ohne den Wärmewiderstand des Aluprofils, die Wärmeleistung der LEDs, die Umgebungstemperatur und alle Wärmewiderstände zu kennen, läßt sich so erstmal nur würfeln.
Wenn alles andere passen würde und z.B. nur die Verklebung Mist wäre, würde sich der Kühlkörper weniger erwärmen und die LEDs heißer werden. Also läßt sich unter Berücksichtigung dieser Variable noch viel weniger aussagen. Das müßte man alles erst mal durchmessen.
Vielleicht mal mit einem Thermometer die Temperatur des Stars messen? Dann gäbe es sicher eine g'scheite Antwort.

Grüße, Markus

 

[Wuestenrose]

Servus...

Wenn alles andere passen würde und z.B. nur die Verklebung Mist wäre, würde sich der Kühlkörper weniger erwärmen und die LEDs heißer werden.

Das ist nicht richtig. Sämtliche Wärmeübergangswiderstände zwischen LED-Chip und Kühlkörper wirken sich nur auf die Temperatur des Chips aus, aber nicht auf die des Kühlkörpers.

Grüße
Robert

 

[omega]

Hallo Robert,

Das ist nicht richtig. Sämtliche Wärmeübergangswiderstände zwischen LED-Chip und Kühlkörper wirken sich nur auf die Temperatur des Chips aus, aber nicht auf die des Kühlkörpers.

wie kommt es dann, daß sich Kühlkörper im Betrieb erwärmen? Würde man den Wärmeübergangswiderstand auf nahe Unendlich erhöhen, indem die LED vom Kühlkörper entfernt würde, könnte sich der Kühlkörper durch die Abwärme der LED gar nicht mehr erwärmen. Wo stimmt hier die Logik nicht?

Grüße, Markus

 

[Wuestenrose]

Hallo...

Die Erwärmung eines Kühlkörpers errechnet sich aus zugeführter Wärmeleistung multipliziert mit dessen Wärmewiderstand. Solange die zwischen Wärmequelle und Kühlkörper geschalteten Wärmewiderstände nicht verhindern, daß alle Wärme auch den Kühlkörper erreicht, ist seine Temperatur davon unabhängig.

Grüße
Robert

 

[omega]

Hallo Robert,

ah, anhand der Formeln seh' ich's jetzt. Die LED wird durch einen zunehmenden Wärmeübergangswiderstand LED<->Kühlkörper ja heißer (DeltaT). Die Kühlkörpertemperatur ist aber nur vom Wärmewiderstand des Kühlkörpers selbst abhängig^*). DeltaT dagegen ist proportional zum Wärmeübergangswiderstand LED<->Kühlkörper^*).

Der Wärmeübergangswiderstand LED<->Kühlkörper spielt - wie Du ja schon öfters erwähnt hattest - gar keine so große Rolle. Den muß man schon gehörig vergeigen, damit die LED nennenswert wärmer wird, je nach Konfiguration z.B. um den Faktor 6,7 höher für 20°C.

^*) Bei gegebener Installation sind die restlichen Variablen wie Umgebungstemperatur, Leistung und weitere Wärmewiderstände fix und daher unberücksichtigt.

Grüße, Markus

 

[diddy]

Hallo,

soll das jetzt heißen, dass die Kühlkörpertemperatur gleich der LED-Chip-Temperatur ist? Ich kapiers leider nicht.

 

[omega]

Hallo Christian,

miss einfach die Temperatur Sockel der LED, nicht am Star, dann kann man mehr sagen.

Grüße, Markus

 

[Wuestenrose]

Servus Christian…

Mir stellt sich die Frage: wie heiß darf der Kram ohne Gefahr werden?

Kommt darauf an, was Du für Dich als Kompromiß zwischen Kühlaufwand auf der einen und Lebensdauer/Lichtstromerhalt auf der anderen Seite noch zuläßt. Konkrete Zahlen findet man bei Cree und Philips in deren LM-80-Daten. Für meine Aufbauten nehme ich 85 °C als Grenze für die Sperrschichttemperatur, auch deshalb, weil die Hersteller zunehmend dazu übergehen, ihre LEDs bei 85 °C zu spezifizieren anstatt den bisher gebräuchlichen, aber praxisfremden 25 °C.

Wie warm werden aber die LEDs?

Hast Du Angst vor Zahlen? Nein? Prima, denn wenn Du keinen groben Fehler beim Aufbau gemacht hast, läßt sich bei bekannter Kühlkörpertemperatur überschlagen, wie warm der LED-Chip wird.

Zwischen Kühlkörper und LED-Sperrschicht existieren mehrere Wärmeübergangswiderstände:

1. Das Montagematerial zwischen LED-Träger und Kühlkörper,
2. das Kernmaterial des LED-Trägers (meist Alu, manchmal Kupfer oder Keramik),
3. das Dielektrikum, das die Auflagefläche der LED vom Kernmaterial des Trägers isoliert,
4. der Übergang zwischen LED-Gehäuse und Sperrschicht.

Maßgeblich bestimmend sind 3. und 4. Den Einfluß von 1. Montagematerial kann man getrost vernachlässigen, genauso wie den des Kernmaterials. 3. muß man abschätzen, 4. kriegt man aus den entsprechenden Datenblättern. Für (3. + 4.) zusammen existieren für ausgesuchte LEDs Messungen, die ich aufgrund von Vergleichen mit den Angaben der Hersteller von LEDs und LED-Trägern selbst für konsistent und vertrauenswürdig halte.

Bei diesen Versuchen wurde von der gesamten, von der LED aufgenommen elektrischen Leistung ausgegangen ohne Berücksichtigung der abgestrahlten Lichtleistung. Betrachten wir 3. + 4. als maßgebend, dann multiplizierst Du diesen Summen-Wärmewiderstand mit der von der oder den (bei einer Mehrfach-Platine) auf der Platine montierten LEDs aufgenommenen elektrischen Leistung und erhältst damit überschlagsmäßig den Temperaturunterschied zwischen Kühlkörper und LED-Chip.

Beispiel: Die Cree XP-G auf Starplatine wurde zu rund 15 K/W vermessen. Bei 700 mA nimmt eine XP-G eine elektrische Leistung vom 0,7 A x 3,05 V (Vorwärtsspannung bei 700 mA aus dem Datenblatt) = 2,14 Watt auf. Multipliziert mit 15 K/W macht das eine Temperaturdifferenz von 32 Grad, die der LED-Chip wärmer wird als der Kühlkörper. Nehme ich meine oben angenommenen 85 °C maximal erlaubter Sperrschichttemperatur, darf der Kühlkörper also gute 50 °C warm werden.

Grüße
Robert

 

[diddy]

Hallo,

danke Robert, das ist so ziemlich das was ich gesucht habe. Also Cree XM-L hat einen Wärmewiederstand von 8 K/W. ich betreibe die LED mit 2 W. Damit habe ich eine Übertemperatur von 16 K, also eine Junction-Temperatur von 54 °C (bei 38 °C Kühlkörper). Das geht doch und ist ganz weit weg von der maximalen Temperatur. Na dann bin ich ja beruhigt...

Im kleinen AQ lauft es ohen Kühlung auf knapp 41 °C, also eine Junction Temperatur von 57 °C, passt auch.

Vielen Dank Robert.