Grundlagen: Temperaturmanagement

Schaltungen, Widerstände, Spannung, Strom, ...

Moderator: T.Hoffmann

Grundlagen: Temperaturmanagement

Beitrag am Mi, 09.03.16, 17:35 (7 Bewertungen, 65 Sterne)

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Teil 1
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Die Theorie
Einleitung

Beim Entwurf von LED-Leuchten ist neben dem LED-Strom das korrekte Temperaturmanagement der wichtigste Faktor. Dabei geht es darum, die Temperatur des eigentlichen LED-Chips im Betrieb unterhalb der vom Hersteller maximal erlaubten Temperatur zu halten. Diese Temperatur liegt je nach LED-Typ und Hersteller zwischen 120°C und 150°C und kann nur dem Datenblatt der LED entnommen werden.
Beim COB-Modul NFCWL060B von Nichia z.B. findet man diese Temperatur als Junction-Temperatur (Sperrschichttemperatur) in der letzten Zeile in Tabelle 1 des Datenblatts:
01 Tabelle.jpg
01 Tabelle.jpg (52.84 KIB) 9268-mal betrachtet

Die Sperrschichttemperatur hat direkten Einfluss auf Effizienz und Lebensdauer der LED. Für maximale Lebensdauer und optimale Effizienz sollte die Sperrschichttemperatur daher deutlich unter dem erlaubten Maximum bleiben. Bei obigem COB-Modul wäre z.B. eine maximale Sperrschichttemperatur von 110°C bei Nennstrom anzustreben.

Die Sperrschichttemperatur kann nicht direkt gemessen werden, da sich der LED-Chip im Inneren des LED-Gehäuses befindet. Als Beispiel hier ein stilisiertes Schnittbild durch eine SMD-LED:
02 LED.jpg

Die im Chip entstehende Wärmeleistung muss nach unten an ein geeignetes Medium - einen Kühlkörper - abgeleitet werden. In obigem Bild geschieht dies über den Kathodenanschluss sowie eine dünne Schicht des Gehäuses, bei COB-Modulen über den Keramikträger, auf dem die LED-Chips direkt montiert sind. Bei SMD-LEDs, Power-LEDs und COB-Modulen erfolgt die Wärmeableitung also über die Montagefläche der LEDs.

Die Temperatur der Gehäuseunterseite ist damit die Temperatur, die die LED "sieht" und damit für die LED die "Umgebungstemperatur". Markenhersteller führen an ihren LEDs den sogenannten LM-80 Test durch. Dieser Test schreibt - vereinfacht ausgedrückt - vor, LEDs unter kontrollierten Bedingungen bei Umgebungstemperaturen (=Gehäusetemperaturen) von 55°C und 85°C für mindestens 6000 Stunden zu testen. Aus den Testergebnissen der letzten 5000 Stunden wird dann nach einem mathematischen Verfahren die Lebensdauer der LED hochgerechnet. Hersteller wie CREE, Nichia und Osram führen diesen Test zusätzlich bei einer Temperatur von 105°C durch. Dabei hat sich gezeigt: liegt die durch die LED-Leistung bedingte Chiptemperatur ca. 20°C unter der maximal erlaubten Temperatur, wird eine Lebendauer von deutlich über 50000 Stunden erreicht. Wird die Leistung soweit erhöht, dass die Chiptemperatur oder der LED-Strom den Maximalwert erreicht, sinkt die Lebensdauer auf ca. 30000 bis 40000 Stunden.

Die zuvor angenommenen 110°C für das COB-Modul garantieren also eine maximale Lebensdauer.

Wärmewiderstand
Jedes Material leitet Wärme mehr oder weniger gut. Verantwortlich dafür ist eine Stoffeigenschaft, die Wärmeleitfähigkeit. Sie wird in der Einheit W/(m•K ) angegeben. Je größer dieser Wert, desto besser leitet ein Material Wärme.

Luft hat z.B. eine Wärmeleitfähigkeit von 0,0262 W/(m•K ), reines Aluminium 236 W/(m•K ) und Wärmeleitpaste liegt bei 4 bis 11,2 W/(m•K ).

Anhand der Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Abmessungen eines Körpers lässt sich der Wärmewiderstand Rth ableiten (oder einfach messtechnisch bestimmen). Je niedriger der Wert, desto mehr Wärmeleistung kann abgeführt werden bzw. desto geringer ist die Erwärmung. Für die Planung des Temperaturmanagements interessiert ausschließlich der Wärmewiderstand. Er wird in K/W (Kelvin je Watt) angegeben.

Mit dem Wärmewiderstand Rth und der abzuführenden Leistung P kann die Temperaturdifferenz ∆T zwischen wärmezuführender Fläche und wärmeableitender Fläche berechnet werden:

∆T = Rth• P

Umgekehrt lässt sich natürlich bei bekannter erforderlicher Temperaturdifferenz und Leistung der maximal zulässige Wärmewiderstand berechnen:

Rth= ∆T/P

Der Wärmewiderstand einer LED kann nur dem zugehörigen Datenblatt entnommen werden. Beim COB-Modul NFCWL060B ist dieser in der letzten Zeile in Tabelle 2 zu finden:
03 Tabelle 2.jpg

Der hier angegebene Wert beschreibt den Wärmewiderstand zwischen Chip (Sperrschicht) und Gehäuseunterseite. Um auf der sicheren Seite zu sein, sollte hier immer mit dem Maximalwert gerechnet werden.

Wichtig! Wenn - wie hier - nichts anderes angegeben ist, bezieht sich dieser Wärmewiderstand auf die aufgenommene Leistung der LED und nicht auf die reine Wärmeleistung!

Dieser Wärmewiderstand wird auch als elektrischer Wärmewiderstand bezeichnet. Osram gibt in den Datenblättern sowohl den elektrischen Wärmewiderstand als auch den realen Wärmewiderstand (bezogen auf die tatsächliche Wärmeleistung) an:
04 Osram.jpg

Beispiel: das COB-Modul NFCWL060B hat bei Nennstrom eine Leistungsaufnahme von:

PLED = 36,3 V • 0,46 A = 16,7 W

Die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Gehäuseunterseite beträgt damit maximal

∆T = 1,7 K/W • 16,7 W = 28,4 K

Wohlgemerkt: es handelt sich bei diesem Wert um eine Temperaturdifferenz, nicht um eine absolute Temperatur! Würde man das Modul ohne weitere wärmeableitende Maßnahmen betreiben, würde es innerhalb von Sekundenbruchteilen den Wärmetod sterben.
Folglich muss man dafür sorgen, dass die Gehäusetemperatur des Moduls auf einem Wert gehalten wird, der sicherstellt, dass die zulässige Sperrschichttemperatur nicht überschritten wird. Dies erfolgt durch Montage des Moduls (bzw. der LED) auf einen Kühlkörper.
Damit die Wärme vom COB-Modul (bzw. der LED) optimal an den Kühlkörper weitergeleitet wird, muss man bei der Montage für einen möglichst guten Wärmeübergang sorgen. Dies erfolgt bei Schraub-/Klemmverbindung durch Wärmeleitpaste oder direkt durch Wärmeleitkleber. Dabei gilt: Wärmeleitpaste bzw. -kleber müssen vollflächig aufgetragen werden; Lufteinschlüsse müssen vermieden werden. Gleichzeitig sollte der Auftrag so dünn wie möglich erfolgen; je dünner die Schicht, desto besser die Wärmeleitung. Der Wärmewiderstand dieser Übergangsschicht liegt dann zwischen 0,1 K/W und 0,3 K/W. Bei LEDs geringer Leistung (bis etwa 3 W) kann man diesen Wärmewiderstand vernachlässigen.

Für die Berechnung der nachfolgenden Temperaturdifferenzen wird die tatsächliche Wärmeleistung verwendet. Diese ergibt sich aus der Leistungsaufnahme der LED und dem elektrischen Wirkungsgrad der LED. Bei aktuellen (3/2016) LEDs namhafter Hersteller liegt der elektrische Wirkungsgrad je nach Typ bei Nennstrom zwischen 30% und 45%. Mit einer Annahme von 33,3% (1 Drittel) liegt man auf der sicheren Seite. Die Wärmeleistung beträgt also rund zwei Drittel (Faktor 0,67) der aufgenommenen Leistung. Bei obigem COB-Modul rechnen wir also mit einer Verlustleistung PV von

PV = 16,7 W • 0,67 = 11,2 W

Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Temperaturdifferenz von

∆T = 0,3 K/W • 11,2 W = 3,4 K

Auf die bisher ermittelten Werte haben wir keinen Einfluss. Sie reichen aber (fast) aus, um nun den maximal erlaubten Wärmewiderstand des Kühlkörpers zu ermitteln. Aus gewünschter maximaler Sperrschichttemperatur sowie den beiden Temperaturdifferenzen lässt sich die maximal erlaubte Kühlkörpertemperatur Tmax ermitteln:

Tmax = 110°C - 28,4 K - 3,4 K = 78,2°C

Der Kühlkörper muss die Wärmeleistung bei dieser Temperatur an die Umgebungsluft abgeben können. D. h. die 78,2°C dürfen auch bei der höchsten zu erwartenden Lufttemperatur nicht überschritten werden. Die hier anzusetzende Lufttemperatur hängt natürlich von der jeweiligen Einbausituation ab. Hier seien als normalerweise zu erwartende Höchsttemperatur 35°C (Hochsommer) angenommen. Kurzfristige höhere Temperaturen spielen dabei keine Rolle, da wir ja die erlaubte Sperrschichttemperatur deutlich unterschreiten.

Der Kühlkörper darf also eine Temperaturdifferenz von

∆T = 78,2°C - 35°C = 43,2 K

nicht überschreiten. Damit kann jetzt der maximal erlaubte Wärmewiderstand des Kühlkörpers berechnet werden:

Rth = ∆T / PV = 43,2 K/W / 11,2 W = 3,86 K/W

Es wäre also jeder Kühlkörper geeignet, der bei einer Temperaturdifferenz von 43 K einen Wärmewiderstand von weniger als 3,86 K/W aufweist. Grundsätzlich lässt sich immer auf diese Art der erforderliche Kühlkörper ermitteln. Allerdings sind dabei noch ein paar Feinheiten zu beachten, auf die weiter unten eingegangen wird.

Reihenschaltung von Wärmewiderständen

Aus den bisherigen Betrachtungen wird bereits klar, dass die Wärmewiderstände ähnlich wie ohmsche Widerstände in Reihe geschaltet sind. Daher können wir folgendes Ersatzschaltbild ableiten:
05 Wärmewiderstand.jpg

Hinweis:
Um alle Wärmewiderstände der Reihenschaltung addieren zu können, muss Rth j-c erst um den gleichen Faktor wie PLED korrigiert werden. In obigem Beispiel müssten also die 1,7 K/W durch 0,67 dividiert werden (Ergebnis: 2,54 K/W). Mit der Summe der Wärmewiderstände und der Verlustleistung könnte man die Temperaturdifferenz zwischen Chiptemperatur und Umgebungstemperatur direkt berechnen; für die Praxis eher uninteressant, da man durch die Berechnung des Kühlkörpers ja ohnehin bereits alle Zwischenergebnisse vorliegen hat.

LED auf Alukernplatine

Die Bezeichnung für den Wärmeübergang zwischen LED und Kühlkörper ist absichtlich mit Rth_TIM sehr allgemein gehalten. Obiges Beispiel stellt mit Wärmeleitpaste bzw. -kleber den Idealfall dar. Viele Leistungs-LEDs haben ihre Anschlüsse zum inklusive Pad zur Wärmeableitung aber vollständig auf der Unterseite der LED. Für Privatanwender werden diese vormontiert auf einer Alukernplatine angeboten. Eine Alukernplatine ist wie folgt aufgebaut:
06 Alukern.jpg

In die Kupferschicht werden die Leiterbahnen und Lötpads für LED und Stromversorgung geätzt. Üblich sind vor allem 2 Bauformen: die Starplatine mit 19 mm Durchmesser
07 Star Cree XP.jpg
07 Star Cree XP.jpg (16.3 KIB) 9268-mal betrachtet

und die quadratische Platine mit 10mm x 10mm:
08 10x10.jpg
08 10x10.jpg (21.36 KIB) 9268-mal betrachtet

Kupfer und Aluminium sind sehr gute Wärmeleiter. Ausschlaggebend für den Wärmewiderstand einer Alukernplatine ist die Isolationsschicht. Diese hat zwar eine vielfach bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft, allerdings auch eine vielfach schlechtere als Aluminium. Der Wärmewiderstand errechnet sich im Prinzip aus dem Produkt von Wärmeleitfähigkeit, Schichtdicke und Fläche.

Die Schichtdicke der Isolationsschicht ist wesentlich größer als z.B. bei korrekt aufgetragenem Wärmeleitkleber, die Fläche des Wärmeleitpads (mittlere Pads auf den Fotos) hingegen relativ klein. Deshalb liegt der Wärmewiderstand von Alukernplatinen je nach Layout zwischen 3 K/W und 12 K/W. Da der genaue Wert von den Anbietern solcher Produkte nicht angegeben wird, empfiehlt es sich bei der Berechnung der Kühlkörper von mindestens 10 K/W auszugehen.

Streng genommen müsste man auch noch die Wärmewiderstände der Lötverbindung LED/Alukernplatine und der Verbindung Alukernplatine/Kühlkörper (Wärmeleitpaste/-kleber) betrachten. Da diese aber wesentlich kleiner als der Wärmewiderstand der Alukernplatine sind, kann man sie problemlos vernachlässigen.

Hinweis:
Einige LEDs höherer Leistung werden auch auf einem Keramikträger angeboten. Hierbei entfällt die Isolationsschicht, der Wärmewiderstand liegt dann deutlich niedriger bei 1 bis 3 K/W.

Parallelschaltung von Wärmewiderständen

Ein weiteres Rechenbeispiel:

Es sollen 3 LEDs vom Typ NVSW219CT in Reihe geschaltet und durch eine KSQ mit einem Strom von 700 mA versorgt werden. Die LEDs sind auf einer Alukernplatine (10x10 mm) montiert:

http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Nichia-High-Power-LEDs/Nichia-NVSW219CT-280lm-weiss-mit-Platine-10x10mm.html

Laut Datenblatt beträgt die Vorwärtsspannung der LEDs bei 700 mA 2,98 V, also ca. 3 V. Das ergibt eine LED-Leistung von PLED = 2,1 W. Bei einem angenommenen elektrischen Wirkungsgrad von 33,3% beträgt die Verlustleistung PV = 1,4 W. Die maximal erlaubte Sperrschichttemperatur ist laut Datenblatt 150°C, der maximale Wärmewiderstand beträgt 6,4 K/W.

Die drei LEDs sollen gemeinsam auf einem Kühlkörper montiert werden. Dabei geben die LEDs ihre Wärmeenergie gleichzeitig an den Kühlkörper ab. Obwohl die LEDs elektrisch in Reihe geschaltet werden, handelt es sich folglich um eine thermische Parallelschaltung:
09 parallel.jpg

Auch wenn das Ersatzschaltbild komplexer aussieht, erfolgt die Berechnung des Kühlkörpers analog zum ersten Beispiel.
Ausgehend von der maximal erlaubten Sperrschichttemperatur von 150°C legen wir die maximal erwünschte Sperrschichttemperatur willkürlich auf 120°C fest.

Die Temperaturdifferenz zwischen Chip und Gehäuseunterseite berechnet sich zu

∆T = 6,4 K/W • 2,1 W = 13,44 K

Entsprechend beträgt die Temperaturdifferenz zwischen LED-Unterseite und Kühlkörper

∆T = 10 K/W • 1,4 W = 14 K

Die maximale Kühlkörpertemperatur darf dann folglich

T = 130°C - 13,44 K - 14 K = 102,56°C

betragen. Bei einer angenommenen maximalen Raumtemperatur von 35°C ergibt sich eine Temperaturdifferenz des Kühlkörpers von

∆T = 102°C - 35°C = 67 K

Da der Kühlkörper die Wärmeleistung von 3 LEDs abführen muss, beträgt der maximal zulässige Wärmewiderstand des Kühlkörpers

Rth = ∆T / PV = 67 K / (3 • 1,4 W) = 67 K / 4,2 W = 16 K/W

In diesem Fall sollte man aber auch noch die Einbausituation betrachten. Bei einer Kühlkörpertemperatur von rund 100°C besteht bereits Verbrennungsgefahr. Deshalb wäre es sinnvoll, die maximal erlaubte Kühlkörpertemperatur auf einen niedrigeren Wert festzulegen, z.B. 75°C. Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers dürfte dann maximal

Rth = ∆T / PV = 40 K / 4,2 W = 9,5 K/W

betragen.

Noch ein Hinweis:
Die Reihen- und Parallelschaltung von Wärmewiderständen gilt nur bei der Kopplung fester Materialien. Endpunkt ist immer der Kühlkörper. Bei diesem gibt der Wärmewiderstand die Fähigkeit an, Wärmeleistung von einem festen Körper (dem Kühlkörper) an ein gasförmiges Medium (die Luft) abzugeben. Für die Berechnung des Wärmewiderstandes gelten hierbei völlig andere Gleichungen. Es macht deshalb absolut keinen Sinn, zwei Kühlkörper mit Wärmeleitkleber zu verbinden. Das Ergebnis wäre völlig unvorhersehbar.

Die Praxis
Standardkühlkörper
Einer der größten Anbieter für Kühlkörper ist Fischer Elektronik. Das Angebot umfasst eine Unzahl verschiedener Bauformen. Für Leistungs-LEDs sind sowohl rechteckige Profilkühlkörper wie z.B. der SK 81 100 SA mit den Abmessungen 10x10x1,5 cm und einem angegebenen Wärmewiderstand von 2,1 K/W
10 SK81 100SA.jpg
10 SK81 100SA.jpg (36.82 KIB) 9268-mal betrachtet

als auch die speziell für LEDs gedachten runden Kühlkörper wie z.B. der SK 572 25 SA (links, 8,5 cm Durchmesser, 2,5 cm hoch, 1,7 K/W) und der SK 584 25 SA (rechts, 10,5 cm Durchmesser, 2,5 cm hoch, 1,4 K/W) geeignet.
11 SK572 584.jpg
11 SK572 584.jpg (36.67 KIB) 9268-mal betrachtet

Der Wärmewiderstand gilt dabei immer für eine mittig auf dem Kühlkörper montierte annähernd punktförmige Wärmequelle.
Die Angaben von Fischer Elektronik zum Wärmewiderstand sollten aber mit Vorsicht genossen werden. Der Wärmewiderstand eines Kühlkörpers ist stark von der Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Umgebungsluft abhängig. Das hängt damit zusammen, dass die Wärmeenergie zu einem großen Teil durch Konvektion abgegeben wird. Je höher die Temperaturdifferenz, desto stärker die Konvektion. Auch die durch Strahlung abgegebene Wärmeleistung steigt bei höheren Temperaturen.

Fischer Elektronik bezieht den Wärmewiderstand auf eine Temperaturdifferenz von 60 K. Siehe hierzu auch diesen Beitrag: http://www.ledhilfe.de/viewtopic.php?f=23&t=21476.

Für Anwendungen mit Leistungs-LEDs ist diese Temperaturdifferenz insbesondere bei höheren Leistungen bereits viel zu hoch. Deshalb muss hier ein Korrekturfaktor einberechnet werden, um den für praktische Anwendungen realen Wärmewiderstand (bei ca. 30 bis 40 K) abzuschätzen. Gute Erfahrungen habe ich mit dem Faktor 1,4 gemacht. Für die oben aufgezeigten Kühlkörper würden sich dann folgende Werte ergeben:

SK 81 100 SA: 2,94 K/W
SK 572 25 SA: 2,38 K/W
SK 584 25 SA: 1,96 K/W

Bei dieser Tischleuchte
http://www.ledhilfe.de/viewtopic.php?f=31&t=19625
habe ich einen SK 572 25 SA bei einer LED-Leistung von 10,85 W (entsprechend einer Verlustleistung von ca. 7,27 W) verwendet. Dabei habe ich eine Temperaturdifferenz von 20°C gemessen. Dies entspricht einem Wärmewiderstand von

Rth = 20°C / 7,27 W = 2,75 K/W

gemessen. Bei einer Temperaturdifferenz von 20 K ist der Faktor folglich sogar 1,6.

Natürlich kann man auch das Ergebnis bei der Berechnung des maximalen Wärmewiderstands entsprechend korrigieren. Im ersten Beispiel hatten wir als Ergebnis:

Rth = ∆T / PV = 43,2 K/W / 11,2 W = 3,86 K/W

Wenn man weiss, dass man einen Standardkühlkörper von Fischer Elektronik verwenden will (oder muss), kalkuliert man einfach den Faktor 1,4 ein:

Rth_neu = 3,86 K/W / 1,4 = 2,75 K/W

Hier wäre z.B. der SK 577 25 SA mit 2 K/W und einer Größe von 5 cm Durchmesser und 2,5 cm Höhe ausreichend.

Die Temperaturdifferenz beträgt dann

∆T = 1,4 • 2 K/W • 11,2 W = 31,36 K

und damit 12 K weniger als erlaubt.

Das Rechnen mit Korrekturfaktor ist natürlich nur ein Schätzen. Im Endeffekt muss die Temperatur im Betrieb gemessen werden. Tipp: anstelle der Rechnerei mit dem Korrekturfaktor kann man auch einfach mit der vollen LED-Leistung statt mit der Wärmeleistung rechnen. Das Ergebnis ist auch dann ausreichend genau.

Weiterhin muss die Ausrichtung des Kühlkörpers berücksichtigt werden. Die optimale Kühlwirkung erhält man, wenn die Kühlrippen senkrecht von unten nach oben von Luft umströmt werden. Für diese Einbaulage gilt auch der vom Hersteller angegebene Wärmewiderstand. Jede abweichende Einbaulage verschlechtert die Kühlwirkung:
12 Ausrichtung.jpg

Bei der Verwendung von rechteckigen Kühlkörpern muss daher noch ein zusätzlicher Korrekturfaktor gemäß obiger Abbildung berücksichtigt werden.

Bei den runden LED-Kühlkörpern muss bei um 90° gedrehter Einbaulage (LED strahlt seitlich ab) der Faktor 1,25 berücksichtigt werden.

LED-Kühlkörper von MechaTronix

Deutlich besser sieht es bei den LED-Kühlkörpern von MechaTronix aus. Diese Firma bietet zu jedem ihrer Kühlkörper ein ausführliches Datenblatt. Auf der letzten Seite des jeweiligen Datenblatts findet man den Wärmewiderstand in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz sowohl in tabellarischer, als auch in grafischer Form. Beispiel für den Typ ModuLED Nano 7050B:
13 Nano7050.jpg

Dadurch wird es möglich, die Kühlkörpertemperatur einer selbst entworfenen Leuchte sehr genau voraus zu sagen. Besonders einfach wird es dadurch, dass in der Tabelle direkt die Temperaturdifferenz des Kühlkörpers in Abhängigkeit von der Verlustleistung (in der Tabelle als Pd bezeichnet) abgelesen werden kann.

Die Kühlkörper der ModuLED-Serie sehen wie folgt aus:
14 9980.jpg
14 9980.jpg (39.17 KIB) 9268-mal betrachtet

Die Ziffern am Ende der Bezeichnung geben die mechanischen Abmessungen an. Die letzten 2 Ziffern geben die Höhe in Millimetern an, die Ziffern davor den Durchmesser in Millimeter. 

Nachfolgende Tabelle zeigt eine Übersicht der aktuellen Modelle der ModuLED-Serie:
15 ModuLED.jpg

Die Farben in der Tabelle bedeuten:

Grün ohne Zahlenwert: Betrieb ist sicher, wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit aber nicht empfohlen.

Hellgrün hinterlegte Zahlen: Betrieb ist ohne weitere Prüfung sicher.

Hellrot hinterlegte Zahlen: Betrieb ist gegebenenfalls möglich, muss aber für jede Anwendung geprüft werden.

Rot ohne Zahlenwert: Betrieb nicht möglich, drohende Überhitzung.

Hinweis:
Bezugsquelle für MechaTronix-Kühlkörper ist elpro:
https://www.elpro.org/de/892-led-kuhlkorper
Der Typ ModuLED Mega ist dort allerdings (noch?) nicht erhältlich und in der Tabelle nur der Vollständigkeit halber aufgelistet.

Anwendungsbeispiel:
Ein COB-Modul NFDWJ130B Soll mit einem Strom von 700 mA betrieben werden:
http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Nichia-High-Power-LEDs/Nichia-Chip-on-Board-Modul-Serie-130-weiss.html

Die LED-Leistung entspricht dann ca.

PLED = 37 V • 0,7A = 25,9 W

und die Verlusteistung

PV = 25,9 W • 0,67 = 17,35 W

Die maximal erlaubte Sperrschichttemperatur beträgt 140°C, der maximale Wärmewiderstand 1.15 K/W. Annahme: Die Sperrschichttemperatur soll im Betrieb 110°C nicht überschreiten.

Die Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Gehäuse beträgt

∆T = 1,15 K/W • 25,9 W = 29,8 K

Das Modul soll mit Wärmeleitkleber auf den Kühlkörper geklebt werden, die entsprechende zusätzliche Temperaturdifferenz beträgt

∆T = 0,3 K/W • 17,35 W = 5,2 K

Die maximal erlaubte Kühlkörpertemperatur liegt damit bei

T = 110°C - 29,8 K - 5,2 K = 75°C

Ausgehend von einer Höchsttemperatur der Luft von 35°C verbleibt für den Kühlkörper eine Temperaturdifferenz von

∆T = 75°C - 35°C = 40 K

Jetzt geht man in der ganz linken Spalte auf den Verlustleistungswert, der als erster größer als der berechnete Wert ist. Der berechnete Wert ist 17,35 W, der nächstgrößere Wert ist also Pd=20W.

Alle Kühlkörper, bei denen in dieser Zeile ein ∆T von weniger als 40 steht, sind auf jeden Fall verwendbar. Je niedriger die Temperatur, desto besser sind Lebensdauer und Effizienz der Leuchte. Im Endeffekt wird es aber eine Frage des Designs aufgrund der Abmessungen sein.

Beim ModuLED Nano 7050B ist bei 20 W ein Wert von 46 K eingetragen, bei 15 W ein Wert von 36 K. Mit 17,35 W liegen wir ziemlich genau in der Mitte zwischen beiden Werten. Das ergibt dann eine Temperatur von 41 K. Im denkbar ungünstigsten Fall läge die Chiptemperatur damit bei 111°C. Dabei sollte man aber bedenken, dass wir mit dem maximalen Wärmewiderstand des COB-Moduls, mit 0,3 K/W für den Wärmeleitkleber und mit einem elektrischen Wirkungsgrad von nur 33% gerechnet haben. In der Praxis wird die Temperatur mit hoher Wahrscheinlichkeit deutlich niedriger liegen. Der kleinste für diesen Zweck verwendbare Kühlkörper wäre folglich der ModuLED Nano 7050B.

Hierzu noch ein paar Messwerte aus der Praxis:
Im Rahmen eines Leuchtenprojekts hatte ich mit Wärmeleitkleber Arctic Silver ein COB-Modul NFCWL060B auf einen Kühlkörper ModuLED Nano 7050B geklebt. Dieses habe ich mit 3 verschiedenen Strömen versorgt und nach einer Betriebsdauer von einer Stunde Strom, Spannung und Temperatur gemessen:
16 Messwerte.jpg

Die LED-Leistung ist berechnet, die Wärmeleistung aus einem angenommenen elektrischen Wirkungsgrad von 33% abgeleitet und die erwartete Temperaturdifferenz aus dem Datenblatt des Kühlkörpers interpoliert.

Die tatsächliche Temperaturdifferenz ergibt sich aus der mit Infrarotthermometer gemessenen Kühlkörpertemperatur abzüglich der Raumtemperatur.

Davon ausgehend, dass die Tabelle im Datenblatt von MechaTronix mit ausreichender Genauigkeit ermittelt wurde, habe ich von der gemessenen Temperaturdifferenz per Interpolation auf die tatsächliche Wärmeleistung zurückgeschlossen. Daraus wiederum lässt sich der tatsächliche elektrische Wirkungsgrad berechnen. Das Ergebnis ist - nebenbei bemerkt - ein weiteres Argument für eine Unterbestromung von LEDs.

Nimmt man also bei der Berechnung eines Kühlkörpers den elektrischen Wirkungsgrad mit 33% an, ist man auf der sicheren Seite. Das gilt natürlich nur für LEDs von Markenherstellern.

Auch für die ModuLED-Serie gilt: die angegebenen Wärmewiderstände gelten für senkrechte Einbaulage. Bis zu einem Winkel von 50° gegenüber der Senkrechten ergibt sich keine nennenswerte Verschlechterung der Wärmeableitung. Oberhalb von 50 Grad nimmt die Temperatur relativ schnell weiter zu, bis sie bei 90° um ca. 30% angestiegen ist.

Für Anwendungen, bei denen größere Winkel erforderlich sind, ist die LPF-Serie besser geeignet. Bei diesen Kühlkörpern bleibt der Wärmewiderstand unabhängig vom Winkel nahezu konstant. Siehe hierzu auch den Artikel von Mechatronix:
http://www.led-heatsink.com/Why_Pin_Fin_LED_coolers_perform_better_under_tilted_position.html

Hier eine Übersicht einiger dieser Kühlkörper:
17 LPF.jpg
17 LPF.jpg (79.07 KIB) 9268-mal betrachtet

Noch ein Beispiel:

Eine CREE MK-R auf Platine soll mit 700 mA betrieben werden, die Vorwärtsspannung beträgt dabei 11,2 V:
http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Cree-High-Power-LEDs/Cree-MK-R-neutralweiss-mit-Platine-12x12mm.html

Laut Datenblatt beträgt der Wärmewiderstand der LED 1,7 K/W, die maximale Chiptemperatur 150°C; diese legen wir auf maximal 120°C fest. Die LED wird auf einer Keramikplatine geliefert. Hier gleich ein Hinweis an Lumitronix: aus der Produktbeschreibung geht das Material der Platine nicht hervor. Das sollte nachgebessert werden, da das Material (Keramik) eine wichtige Kaufentscheidung darstellt.

Wie zuvor schon erwähnt, kann man die Keramikplatine mit ca. 3 K/W veranschlagen. Um auch die Verbindungen LED zu Platine sowie Platine zu Kühlkörper einzubeziehen, rechnen wir sicherheitshalber mit 4 K/W.

Der Rechenweg ist bereits bekannt:

PLED = 11,2 V • 0,7A = 7,84 W

PV = 7,84 W • 0,67 = 5,25 W

∆TLED = 1,7 K/W • 7,84 W = 13,3 K

∆TTIM = 4 K/W • 5,25 W = 21 K

TKühlkörper = 120°C - 13,3 K - 21 K = 85,7°C

∆Th = 85,7°C - 35°C = 50,7 K

Bei einer Wärmeleistung von 5 W weist der Kühlkörper LPF40A50-5-B eine Temperaturdifferenz von 37 K auf und ist damit mehr als ausreichend. Im ungünstigsten Fall liegt die Chiptemperatur hiermit bei ca. 107°C.
Zuletzt geändert von ustoni am Do, 10.03.16, 10:40, insgesamt 1-mal geändert.
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Grundlagen: Temperaturmanagement

Beitrag am Mi, 09.03.16, 17:53 (6 Bewertungen, 35 Sterne)

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Teil 2

Kühlbleche

Bei geringen LED-Leistungen reicht häufig auch ein Stück Alublech zur Kühlung völlig aus. Je nach Ausführung der LED muss man nur darauf achten, dass Aluminium ein guter elektrischer Leiter ist und Kurzschlüsse verursacht. Ist an der Unterseite der betroffenen LEDs ein elektrisches Potential vorhanden, muss man eloxiertes Aluminium verwenden. Die üblichen Eloxalschichten haben eine Durchschlagfestigkeit von ca. 400 V.

Zum Abschätzen des Wärmewiderstandes ist nachfolgendes Nomogramm hilfreich. Dabei sind 2 Sachen zu beachten:

1. Das Nomogramm gilt nur für quadratische Bleche. Bis zu einem Seitenverhältnis von etwa 1:1,25 ist das Ergebnis ausreichend genau.

2. Ursprünglich ist das Nomogramm für Siliziumhalbleiter (Leistungstransistoren etc.) gedacht, der Wärmewiderstand gilt deshalb für relativ hohe Temperaturdifferenzen. Um dies zu kompensieren sollte mit der vollen LED-Leistung statt der Wärmeleistung gerechnet werden.
18 KK Nomogramm.jpg

Die Anwendung des Nomogramms ist recht einfach.

Als Beispiel soll der Wärmewiderstand eines eloxierten Alublechs mit 2 mm Stärke und den Abmessungen 30 x 30 mm bestimmt werden. Das Alublech soll im Betrieb horizontal ausgerichtet sein.
19 900qmm.jpg

Das Blech hat also eine Fläche von 30 mm x 30 mm = 900 mm².

1. Ausgehend von der linken Y-Achse wird in Höhe 900 mm² ein waagerechter Strich gezogen, bis dieser die schwarze Linie kreuzt.

2. Vom Kreuzungspunkt wird eine senkrechte Linie gezogen, bis diese die Gerade für 2 mm kreuzt.

3. Von diesem Kreuzungspunkt wird eine waagerechte Linie gezogen, bis diese die Gerade für 1 W kreuzt.

4. Von diesem Kreuzungspunkt wird eine senkrechte Linie gezogen, bis diese die gestrichelte Gerade für "eloxiert, horizontal" kreuzt.

5. Abschließend wird von diesem Kreuzungspunkt eine waagerechte Linie gezogen, bis diese die rechte Y-Achse kreuzt. Hier kann der Wärmewiderstand jetzt abgelesen werden.

Ergebnis: ca. 30 K/W.

Das Ganze funktioniert natürlich auch umgekehrt. Möchte man wissen, welche Blechgröße man für einen vorgegebenen Wärmewiderstand benötigt, beginnt man mit Linie 5 und endet mit Linie 1. Danach braucht man aus dem Ergebnis nur noch die Wurzel ziehen und erhält so die Kantenlänge des benötigten Quadrats.

Beispiel:

Eine Cree XP-G2 S2 auf Starplatine soll auf einem Blech aus blankem Aluminium mit einer Stärke von 3 mm horizontal betrieben werden.
http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Cree-High-Power-LEDs/Cree-XP-G2-S2-weiss-554lm-mit-Platine-Star.html

Die LED wird mit einem Strom von 700 mA betrieben und hat dabei eine Vorwärtsspannung von 2,9 V. Der Wärmewiderstand der LED beträgt 4 K/W und die maximal erlaubte Sperrschichttemperatur beträgt 150°C. Die Temperatur soll auf 120°C begrenzt werden.

Welche Abmessungen muss das Blech haben?

PLED = 2,9 V • 0,7A = 2,03 W

∆TLED = 4 K/W • 2,03 W = 8,12 K

∆TTIM = 10 K/W • 2,03 W • 0,67 = 13,6 K

(Bei der Starplatine = Alukern rechnen wir mit der reinen Wärmeleistung)

TKühlkörper = 120°C - 8,12 K - 13,6 K = 98,28°C

Das Kühlblech ist frei zugänglich, deshalb soll die maximale Kühlkörpertemperatur auf maximal 75°C begrenzt werden. Bei knapp 100°C bestände die Gefahr von Verbrennungen 2. Grades (Blasenbildung) .

∆Th = 75°C - 35°C = 40 K

Rth_h = ∆T / PLED = 40 K / 2,03 W = 19,7 K/W

Im Nomogramm wird zuerst eine Waagerechte durch 20 K/W bei der rechten Y-Achse gezogen, bis diese die gestrichelte Linie "blank, horizontal" kreuzt. Durch den Schnittpunkt wird eine Senkrechte gezogen. Vom Kreuzungspunkt dieser Senkrechten mit der Linie "2 W" wird eine Waagerechte gezogen, bis diese die Linie "3 mm" kreuzt. Von hier wird erneut eine Senkrechte gezogen, die die schwarze Linie unten links kreuzt. Von dort zeigt eine waagerechte dann an der linken Y-Achse die erforderliche Fläche an.
20 MK R.jpg

Das Ergebnis ist 2000 mm², die Wurzel daraus ergibt 44,72 mm. Ein quadratisches Blech mit einer Kantenlänge von 4,5 cm ist also zur Kühlung ausreichend.

Mit dem Nomogramm lässt sich auch die Belastbarkeit von Aluprofilen aus dem Baumarkt abschätzen.

Beispiel:
Es steht ein U-Profil aus eloxiertem Aluminium 2x3x2 cm mit einer Materialstärke von 2 mm und einer Länge von 1 m zur Verfügung. Dieses soll mit Osram SSL-LEDs auf Alukernplatine 10x10 mm bestückt werden:

http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Osram-High-Power-LEDs/Osram-Oslon-SSL-neutralweiss-175lm-mit-Platine-10x10mm.html

Die LEDs werden mit ihrem Nennstrom von 350 mA betrieben, die Vorwärtsspannung beträgt dabei 3 V. Die maximal erlaubte Sperrschichttemperatur beträgt 135°C, wir begrenzen die Sperrschichttemperatur auf maximal 105°C. Der Wärmewiderstand der LED beträgt maximal 7,3 K/W.

Wie viele LEDs können auf dem Profil sicher betrieben werden?

PLED = 3 V • 0,35A = 1,05 W

∆TLED = 7,3 K/W • 1,05 W = 7,7 K

∆TTIM = 10 K/W • 1,05 W • 0,67 = 7 K

TKühlkörper = 105°C - 7,7 K - 7 K = 90,3°C

∆Th = 90,3°C - 35°C = 55,3 K

Das Nomogramm gilt für quadratische Bleche. Um es trotzdem auf das Profil anwenden zu können, muss dieses gedanklich in Teilstücke unterteilt werden und diese einzeln betrachtet werden. Addiert man die Seitenlängen des U-Profils, erhält man: 2 cm + 3 cm + 2cm = 7 cm

Wir unterteilen das Profil deshalb gedanklich in 14 Teilstücke von 7 cm Länge (es verbleibt links und rechts des Profils ein Rand von je 1 cm).

Jedes Teilstück hat damit eine einseitige Fläche von 70 mm x 70 mm = 4900 mm².

Im Nomogramm ermitteln wir wie gehabt den Wärmewiderstand:
21 7cm.jpg

Bei logarithmischer Einteilung lässt sich ein Wert nur schwer ablesen. Wir nehmen hier deshalb 12 K/W an. Das Teilstück kann daher eine LED-Leistung von

P = 55,3°C / 12 K/W = 4,6 W

abführen. Dies entspricht einer Anzahl LEDs von

4,6 W / 1,05 W = 4,38

und damit 4 LEDs. Bei 14 Teilstücken sind es also 56 LEDs. Will man die Temperatur des Profils auf 75°C begrenzen, reduziert sich die Anzahl der LEDs entsprechend auf 42 Stück.

Achtung!
Dies gilt natürlich nur, wenn das U-Profil allseitig frei von Luft umströmt wird, also frei aufgehängt wird. Bei direkter Deckenmontage würde zum einen die wärmeableitende Fläche stark reduziert werden und zum anderen der Luftstrom völlig unterbrochen werden; die LEDs würden in kürzester Zeit überhitzen und zerstört werden.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel:
Eine MaxLine 70 soll mit Konstantstrom betrieben werden:

http://www.leds.de/LED-Leisten-Module/High-Power-LED-Leisten/MaxLine-70-CC-70-LEDs-neutralweiss.html

Sie soll auf einem Flachprofil aus eloxiertem Aluminium mit einer Materialstärke von 2 mm betrieben werden. Die Temperatur des Profils soll im Betrieb nicht über 75°C steigen. Reicht das Profil zur Kühlung?

Zur Beantwortung dieser Frage wird das Flachprofil wieder gedanklich in quadratische Stücke zerlegt, in diesem Fall mit 4 cm Kantenlänge, also einer Fläche von 1600 mm². Beim Zeichnen der ersten Linie muss auf die logarithmische Einteilung geachtet werden:
22 Maxline.jpg

Der Wärmewiderstand des Teilstücks liegt bei 19 K/W.

Die MaxLine hat bei einer Länge von 28 cm eine Leistungsaufnahme von 13,72 W. Bezogen auf eine Länge von 4 cm ergibt sich folglich eine Leistung von

P = 13,72 W / 7 = 1,96 W

Daraus ergibt sich eine Temperaturdifferenz von

∆T = 19 K/W • 1,96 W = 37,24 K

Bezogen auf eine maximale Raumtemperatur von 35°C erreicht das Flachprofil also eine Temperatur von 72°C. In der Praxis wird dieser Wert eher noch etwas niedriger liegen, da sich der Wärmewiderstand ja auf eine punktförmige Wärmequelle bezieht. Hier wird die Wärmeenergie aber auf der ganzen Breite gleichmäßig übertragen, was zu einer besseren Wärmeableitung führt.

Fazit

Korrektes Temperaturmanagement ist - wie man sieht - kein Hexenwerk solange man dabei auf Feinheiten wie freien Luftstrom und Einbaulage achtet. Gleichzeitig sollte aber auch klar sein, dass dies bei Billigware aus China, wie man sie über das größte Online-Auktionshaus oder andere dubiose Anbieter erhält, nicht möglich ist. Hier sind praktisch alle relevanten Parameter schlicht und einfach nicht verfügbar.

Der Betrieb von LEDs bei relativ hohen Temperaturen ist problemlos möglich, solange man die Datenblätter beachtet. Niedrigere Betriebstemperaturen sind natürlich vorteilhaft, da dabei die Effizienz höher ist. Allerdings ist dieser Unterschied gering. Bei den COB-Modulen von Nichia z.B. beträgt der Unterschied im Lichtstrom zwischen einer Gehäusetemperatur von 60°C gegenüber 90°C gerade mal 6%. Ob man allerdings auf dem Schreibtisch eine Leuchte stehen haben möchte, dessen Leuchtenkopf (der Kühlkörper) eine Temperatur von über 80°C erreicht, muss jeder selbst wissen. Preislich macht es nur einen geringen Unterschied, den Kühlkörper 2 Nummern größer zu wählen.

Weiterhin sollte man darauf achten, dass der LED-Strom nicht wesentlich über dem Nennstrom liegt. In der Nähe des Maximalstroms nimmt der elektrische Wirkungsgrad deutlich ab. Sollte man trotz aller anderen Nachteile (Effizienz, Lebensdauer) eine Leistungs-LED trotzdem nahe dem Maximalstrom betreiben wollen, sollte man bei der Berechnung des Kühlkörpers mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 25% rechnen.

Abschließend noch 3 interessante Links zum Thema LEDs mit einer Vielzahl an Videos und Applikation Notes, beides allerdings in englischer Sprache.

Videos:
http://ledlight.osram-os.com/knowledge/led-fundamentals/
Applikation Notes:
http://www.cree.com/LED-Components-and-Modules/Document-Library
http://www.nichia.co.jp/en/product/led_technicaldata.html
ustoni
 
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Re: Grundlagen: Temperaturmanagement

Beitrag am Sa, 16.04.16, 11:29 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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In Teil 2 beim Beispiel "U-Profil aus eloxiertem Aluminium 2x3x2 cm ..." steht:
Bei logarithmischer Einteilung lässt sich ein Wert nur schwer ablesen. Wir nehmen hier deshalb 12 K/W an. Das Teilstück kann daher eine LED-Leistung von
P = 55,3°C / 12 K/W = 4,6 W
abführen.


Habe dazu eine Frage: Warum benutzen wir im Nomogramm bei diesem Beispiel oben rechts den Wert von 2W, obwohl PLed doch nur bei 1,05W liegt?
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Re: Grundlagen: Temperaturmanagement

Beitrag am Sa, 16.04.16, 12:20 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Die Fragestellung war ja, wieviele dieser LEDs man mit einem Teilstück kühlen kann, die Leistung einer einzelnen LED ist daher erstmal egal. Im vorherigen Beispiel wurde ja bereits die Fläche für eine 2 W LED mit mindestens 2000 mm² bestimmt. Mit einem Blech von 4900 mm² muss die Kühlleistung ja besser sein. Deshalb habe ich hier gleich die Gerade für 2 W verwendet. Selbstverständlich hätte man auch die Gerade für 1 W verwenden können. Damit wäre man auf einen etwas höheren Wärmewiderstand gekommen, hätte aber trotzdem noch einen Wert von rund 4 W Kühlleistung erhalten.

Bitte dabei nicht übersehen, dass das Nomogramm aber nur eine Hilfe zum Abschätzen der Kühlwirkung ist. Im Endeffekt sollte man hinterher immer noch die Temperatur messen.
Was aber deutlich geworden sein sollte: über solche Profile kann man durch die gleichmäßige Verteilung der Wärmeleistung auf einer relativ langen Strecke erheblich mehr Wärmeleistung abführen, als man gemeinhin annimmt.
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Re: Grundlagen: Temperaturmanagement

Beitrag am Sa, 16.04.16, 20:34 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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ustoni hat geschrieben:habe ich hier gleich die Gerade für 2 W verwendet
ok, dann ist mir alles verständlich.

ustoni hat geschrieben:Was aber deutlich geworden sein sollte: über solche Profile kann man durch die gleichmäßige Verteilung der Wärmeleistung auf einer relativ langen Strecke erheblich mehr Wärmeleistung abführen, als man gemeinhin annimmt.
Ja, und mit dem Nomogramm hat man einen ersten Anhaltspunkt für die weiteren Experimente.

Danke fürs Nomogramm und für Deinen informativen Grundlagenbeitrag.
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Hellevoet
 
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Re: Grundlagen: Temperaturmanagement

Beitrag am Di, 14.08.18, 12:14 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Toller, gut nachvollziehbarer Artikel! :)

Eine Frage dazu:

Im Abschnitt "LED auf Alukernplatine"
Hinweis:
Einige LEDs höherer Leistung werden auch auf einem Keramikträger angeboten. Hierbei entfällt die Isolationsschicht, der Wärmewiderstand liegt dann deutlich niedriger bei 1 bis 3 K/W.


Die Nichia COB Leds werden bereits auf einem Keramikträger angeboten.
https://www.leds.de/nichia-nfdwj130b-v2 ... 30684.html
Datenblatt: https://lumstatic.com/2_/Hg/mlUxBQdLwUUYTeRODg.pdf
Im Datenblatt steht ein Wärmewiderstand R_jc von 1,15 K/W (Seite 3 -Tabelle ganz unten).

Muß ich dann den oben zitierten Wert von 1-3 K/W nochmals berücksichtigen oder ist dieser Wärmewiderstand schon in dem R_jc vom Hersteller enthalten?
LedStarter
 
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Re: Grundlagen: Temperaturmanagement

Beitrag am Di, 14.08.18, 12:19 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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RJC ist die Abkürzung für R-Junction-Case, also Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse.

Der angefragte Wert ist also bereits vom Hersteller berücksichtigt.
ustoni
 
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Re: Grundlagen: Temperaturmanagement

Beitrag am Di, 14.08.18, 12:33 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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Danke für die Bestätigung- das war auch meine Vermutung.
LedStarter
 
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