Hallo zusammen,
Um eine flächige Leuchte (Deckenleuchte) zu bauen habe ich mir folgendes vorgestellt: 12cm lange Teile von WW-KW-LED-Stripes wie diese http://www.led-konzept.de/CCT-LED-strei ... high-power werden parallel und relativ dicht (2mm Abstand) auf eine 2 oder 3mm dicke Aluplatte geklebt. Laut Datenblatt wird für die LED-Stripes generell eine Kühlung mit Alu-Profil empfohlen, auch für die 4.8W/m Variante; ein Muss wie für die 32W/m Stripes ist das ja aber nicht.
Klar ist mir auch, daß eine Aluplatte erstmals eine Wärmeverteilung und keine Kühlung ist. Ich könnte die Aluplatte aber größer machen als die aktive Fläche, nur wie groß muss sie werden?
Warum ich Bedenken habe: laut meiner Überschlagsrechnung kommt eine Fläche von ~120cm°2 auf eine elektrische Leistung von ca. 17W. Kann ich also von denselben Annahmen ausgehen wie wenn 17 St. 1W Module oder 1 Modul mit 17W verbaut ist? Oder ticken LED-Stripes einfach anders?
Flächenstrahler mit LED-Stripes
Moderator: T.Hoffmann
Kannst Du.Kann ich also von denselben Annahmen ausgehen wie wenn 17 St. 1W Module oder 1 Modul mit 17W verbaut ist?
Nö, warum auch? Das einzige was unterschiedlich ist, ist die Wärmeverteilung. Wenn Du 17W auf einen Punkt konzentrierst, muss die Wärmeleitung sehr gut sein (dickes Alu nötig, um die Wärme von dem heißen Punkt weg zu transportieren), wenn die 17W schon stark verteilt sind, reicht ein dünnes Alu bzw. ggf. auch eben keines.Oder ticken LED-Stripes einfach anders?
Weil für einen vergleichbare Lumiflex-Strip http://www.leds.de/LED-Leisten-Module/F ... m-24V.html auch keine Kühliung gefordert ist, sprich auf Plastik oder Holz kleben wäre erlaubt.Borax hat geschrieben: Nö, warum auch? Das einzige was unterschiedlich ist, ist die Wärmeverteilung. Wenn Du 17W auf einen Punkt konzentrierst, muss die Wärmeleitung sehr gut sein (dickes Alu nötig, um die Wärme von dem heißen Punkt weg zu transportieren), wenn die 17W schon stark verteilt sind, reicht ein dünnes Alu bzw. ggf. auch eben keines.
Klassisch berechnet für eine 20W-LED, komme ich auf einen benötigten Wärmewiderstand von rund 1,2 K/W. Eine Aluplatte mit 10x10cm hat laut dem von dir verlinkten Scan viewtopic.php?f=34&t=11353 auch bei 5mm Dicke aber ca. ~6 K/W. Es reicht eben nicht, die Wärme nur zu verteilen.
Irgendwie passt das ganze nicht zusammen und das ist es, was mir Sorgen macht. Ich will eben vermeiden, dass ich nach dem Zusammenbau fetstellen, dass die Strahler überhitzen.
Ideal wäre vielleicht, wenn jemand schon mal einen ähnlichen Aufbau gemacht hat und Erfahrungen dazu hat.
Kann ich also von denselben Annahmen ausgehen wie wenn 17 St. 1W Module oder 1 Modul mit 17W verbaut ist?
Kannst Du.
Nein, kannst Du nicht.
Der von Dir angegebene Wärmewiderstand von 6 K/W eines Alublechs von 10 cm x 12 cm Größe gilt ausschließlich für den Fall, dass die Wärmequelle mittig auf der Kühlfläche angebracht ist und annähernd punktförmig ist. Das wäre z.B. bei einem Leistungstransistor oder einem 20W-COB-Modul der Fall. Hier muss eine relativ große Wärmemenge von der Quelle über den Querschnitt des Blechs gleichmäßig über das Blech verteilt werden. Hierbei darf die Wärmeleitfähigkeit des Alublechs nicht unterschätzt werden.
Der Wärmeleitwert von Alublech (Legierung) dürfte bei ʎ~200 W/(mK) liegen.
Der Wärmewiderstand von Punkt A nach Punkt B eines Alustreifens berechnet sich aus Rth = l/(ʎA), also Länge durch das Produkt aus Lambda und Fläche.
Beispiel: nehmen wir ein 2 mm dickes Alublech und betrachten hier einen Streifen mit 1 cm Breite und einer Länge von 5 cm. Der Wärmewiderstand zwischen zwei 5 cm entfernten Punkten beträgt dann:
Rth = 0,05 m / (200 W/(mK) · 0,01 m · 0,002 m) = 12,5 K/W
Wird also ein Ende mit einer Wärmeleistung von 1 W erwärmt, stellt sich zwischen diesem Punkt und einem 5 cm entfernten Punkt bereits eine Temperaturdifferenz von 12,5 K ein. Das gilt aber nur für den Fall, dass keine Wärmeleistung an die umgebende Luft abgeführt wird. Da dies aber der Fall ist, wird sich eine noch deutlich höhere Temperaturdifferenz einstellen.
Eine Vergrößerung des Blechs bringt daher bestenfalls den außen liegenden LEDs was, für die weiter innen liegenden LEDs wäre das aber ohne Belang.
In Deinem Fall wird die Wärmeleistung aber ziemlich gleichmäßig auf die Fläche verteilt. Ich würde das wie folgt betrachten:
Der LED-Streifen ist mit einer Leistungsaufnahme von 14 W/m angegeben. Folglich fällt auf einer Länge von 1 cm eine Leistung von 0,14 W an, also eine Wärmeleistung von ca. 100 mW. Bei einer Breite des Streifens von 1 cm und einem Abstand von 2 mm zwischen den Streifen muss diese Wärmeleistung über eine Fläche von 1,2 cm² abgeführt werden. Und das, denke ich, sollte kein großes Problem darstellen.
Hinzu kommt, dass die Kühlfläche bei LED-Streifen wärmer werden darf, als bei Leistungs-LEDs. Auch das liegt an der Wärmeverteilung. Aufgabe der Kühlung ist es ja, die Chiptemperatur auf einem sicheren Wert zu halten.
Ein 20 W-COB-Modul hat normalerweise einen Wärmewiderstand von ca. 1,5 K/W zwischen Chip und Kühlfläche. Bei 20 W ergibt das eine Temperaturdifferenz von 30 K. Um eine Chiptemperatur von 100°C nicht zu überschreiten, darf der Kühlkörper also nicht wärmer als 70°C werden (Wärmewiderstand der Montage, also z.B. Wärmeleitkleber vernachlässigt).
Nehmen wir an, der Wärmewiderstand der auf dem Streifen verwendeten LEDs liegt bei 70 K/W (eine SMD-LED der Serie 157 von Nichia hat max. 54 K/W). Bei 0,14 W wäre das eine Temperaturdifferenz von 9,8 K. Hinzu kommt der Wärmewiderstand des Streifens selbst. Der dürfte bei 20 K/W liegen, was eine zusätzliche Temperaturdifferenz von 20 K/W · 0,1 W = 2 K; in Summe also 11,8 K ergibt.
Die Alufläche darf daher eine Temperatur von 88,2°C erreichen, damit die 100°C Chiptemperatur nicht überschritten werden.
Anmerkung:
Der Wärmewiderstand von LEDs bezieht sich auf die aufgenommene Leistung; bei den folgenden Wärmewiderständen wird mit der reinen Wärmeleistung gerechnet.
Fazit:
Ich sehe bei Deinem Vorhaben kein Problem.
Danke für die ausführliche Antwort. Dein Fazit finde ich schon mal gut 
Ganz zustimmen kann ich aber nicht, weil deine erste Aussage bzgl des Alu-Bleches meiner Meinung nach so nicht stimmt. Der Wärmewiderstand des Bleches , wie für alle Kühlkörper, bezieht sich auf die "Entwärmung" gegen Luft, und nicht als Wärmeleiter. Sonst müsste auch der Unterschied zwischen 1 und 2 mm Blech höher sein.
Und stimmt dann die Schlussfolgerung noch?
Der letze Absatz stimmt mich aber positiv, weil die einzelnen LEDs ja einfach nicht soviel Wärme auf die Kühlkörper übertragen, und der sich deshalb auch nicht so aufheizt.
Ganz zustimmen kann ich aber nicht, weil deine erste Aussage bzgl des Alu-Bleches meiner Meinung nach so nicht stimmt. Der Wärmewiderstand des Bleches , wie für alle Kühlkörper, bezieht sich auf die "Entwärmung" gegen Luft, und nicht als Wärmeleiter. Sonst müsste auch der Unterschied zwischen 1 und 2 mm Blech höher sein.
Und stimmt dann die Schlussfolgerung noch?
Der letze Absatz stimmt mich aber positiv, weil die einzelnen LEDs ja einfach nicht soviel Wärme auf die Kühlkörper übertragen, und der sich deshalb auch nicht so aufheizt.
Da hast Du mich wohl leider völlig falsch verstanden. Der von mir angegebene Wärmewiderstand von 12,5 K/W ist der Wärmewiderstand innerhalb des Alublechs von Punkt A zu Punkt B. Dieser hat nichts mit den 6 K/W des Blechs als Kühlkörper zu tun!
Hier mal zur Verdeutlichung eine Skizze:
Die graue Fläche sei das Alublech, das gelbe Rechteck die Wärmequelle.
Die von der Wärmequelle erzeugte Wärmeenergie muss entlang des blauen Pfeils im Aluminium verteilt werden, es entsteht ein Wärmefluss. Diesem Wärmefluss wirkt der interne Wärmewiderstand entgegen.
Die roten Pfeile stellen die Abgabe der Wärmeenergie an die Luft dar, entsprechen also in der Summe dem Wärmewiderstand des Kühlkörpers.
Die Abgabe der Wärme an die Luft ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Blech und Luft. Je höher die Temperaturdifferenz, desto größer ist die abgegebene Wärmeenergie.
Aufgrund des Wärmewiderstands des Aluminiums (blauer Pfeil) und aufgrund der bereits an die Luft abgegebenen Wärmeenergie wird die Temperaturdifferenz immer kleiner, je weiter man sich von der Wärmequelle entfernt. Deshalb ist es ab einer bestimmten Blechgröße auch ziemlich sinnfrei, das Blech noch weiter zu vergrößern; das hätte ganz einfach keinen Effekt mehr auf die Wärmeabgabe. Deshalb ist die Kurve in dem von Dir zitierten Scan auch eine Kurve und keine Gerade.
Um nochmal auf den letzten Post zurückzukommen:
Der blaue Pfeil entspricht den von mir angegebenen 12,5 K/W, die roten Pfeile den von Dir angegebenen 6 K/W. Zwischen beiden besteht zwar ein bedingter Zusammenhang, haben aber ansonsten nichts miteinander zu tun.
Hier mal zur Verdeutlichung eine Skizze:
Die von der Wärmequelle erzeugte Wärmeenergie muss entlang des blauen Pfeils im Aluminium verteilt werden, es entsteht ein Wärmefluss. Diesem Wärmefluss wirkt der interne Wärmewiderstand entgegen.
Die roten Pfeile stellen die Abgabe der Wärmeenergie an die Luft dar, entsprechen also in der Summe dem Wärmewiderstand des Kühlkörpers.
Die Abgabe der Wärme an die Luft ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Blech und Luft. Je höher die Temperaturdifferenz, desto größer ist die abgegebene Wärmeenergie.
Aufgrund des Wärmewiderstands des Aluminiums (blauer Pfeil) und aufgrund der bereits an die Luft abgegebenen Wärmeenergie wird die Temperaturdifferenz immer kleiner, je weiter man sich von der Wärmequelle entfernt. Deshalb ist es ab einer bestimmten Blechgröße auch ziemlich sinnfrei, das Blech noch weiter zu vergrößern; das hätte ganz einfach keinen Effekt mehr auf die Wärmeabgabe. Deshalb ist die Kurve in dem von Dir zitierten Scan auch eine Kurve und keine Gerade.
Um nochmal auf den letzten Post zurückzukommen:
Der blaue Pfeil entspricht den von mir angegebenen 12,5 K/W, die roten Pfeile den von Dir angegebenen 6 K/W. Zwischen beiden besteht zwar ein bedingter Zusammenhang, haben aber ansonsten nichts miteinander zu tun.
So, mit Zitaten lässt es sich besser austauschen
Nochmal praktisch, ich hoffe, ich habe das richtig verstanden: mein Kühlkörper müsste sich doch bei obigen Daten gegen die Umgebung erwärmen um WärmeLeistung (14W) x Wärmewiderstand (6 K/W) = 84K, oder? Klar, die Wärmeleistung der Stripes auf das Blech ist aufgrund deren hohem Wärmewiderstand stark reduziert (siehe oben) , aber dann würde ich mal testweise so Billigteile die ich irgendwo noch habe auf ein Blech kleben und schauen wie sich die Temp des Bleches ändert. Nur ein gescheites Thermometer brauche ich noch.
Diese Aussage meinte ich mit meinem Widerspruch oben. Und indirekt hast du mir ja schon zugestimmt:ustoni hat geschrieben: Der von Dir angegebene Wärmewiderstand von 6 K/W eines Alublechs von 10 cm x 12 cm Größe gilt ausschließlich für den Fall, dass die Wärmequelle mittig auf der Kühlfläche angebracht ist und annähernd punktförmig ist.
Der Wert von 6K/W hat eben nichts damit zu tun, wo das zu entwärmende Bauteil sitzt.ustoni hat geschrieben: Um nochmal auf den letzten Post zurückzukommen:
Der blaue Pfeil entspricht den von mir angegebenen 12,5 K/W, die roten Pfeile den von Dir angegebenen 6 K/W. Zwischen beiden besteht zwar ein bedingter Zusammenhang, haben aber ansonsten nichts miteinander zu tun.
Ja, genau da ist wieder die Diskrepanz zwischen Gefühl und Daten: Multipliziert mit 100 komme ich rechnerisch eben auf die 14W (elektrisch) und 120cm².ustoni hat geschrieben: In Deinem Fall wird die Wärmeleistung aber ziemlich gleichmäßig auf die Fläche verteilt. Ich würde das wie folgt betrachten:
Der LED-Streifen ist mit einer Leistungsaufnahme von 14 W/m angegeben. Folglich fällt auf einer Länge von 1 cm eine Leistung von 0,14 W an, also eine Wärmeleistung von ca. 100 mW. Bei einer Breite des Streifens von 1 cm und einem Abstand von 2 mm zwischen den Streifen muss diese Wärmeleistung über eine Fläche von 1,2 cm² abgeführt werden. Und das, denke ich, sollte kein großes Problem darstellen.
Nochmal praktisch, ich hoffe, ich habe das richtig verstanden: mein Kühlkörper müsste sich doch bei obigen Daten gegen die Umgebung erwärmen um WärmeLeistung (14W) x Wärmewiderstand (6 K/W) = 84K, oder? Klar, die Wärmeleistung der Stripes auf das Blech ist aufgrund deren hohem Wärmewiderstand stark reduziert (siehe oben) , aber dann würde ich mal testweise so Billigteile die ich irgendwo noch habe auf ein Blech kleben und schauen wie sich die Temp des Bleches ändert. Nur ein gescheites Thermometer brauche ich noch.
Das ist ganz einfach falsch. Sowohl für das von Dir angeführte Diagramm als auch für fertige Kühlkörper mit Kühlrippen gilt der angegebene Wärmewiderstand nur für den Fall, dass die Wärmeenergie mittig zugeführt wird.Der Wert von 6K/W hat eben nichts damit zu tun, wo das zu entwärmende Bauteil sitzt.
Bei Kühlkörpern mit Kühlrippen ist die Position der Wärmequelle nicht ganz so ausschlaggebend, da die Grundfläche solcher Kühlkörper normalerweise mindestens eine Stärke von 5 mm hat. Der einzige Grund hierfür ist die Minimierung des internen Wärmewiderstands des Aluminiums; je dicker die Platte, desto größer die Querschnittsfläche und desto geringer der interne Wärmewiderstand. Aber auch hier würde sich der Wärmewiderstand drastisch erhöhen, wenn die Wärmequelle am Rand des Kühlkörpers angebracht würde.
Siehe z.B. das Datenblatt dieses Kühlkörpers:
http://cdn-reichelt.de/documents/datenb ... %23ALU.pdf
Auf Seite 2 des Datenblatts steht ganz klar:
Noch drastischer würde sich der Wärmewiderstand bei einem Blech und seitlicher Montage der Wärmequelle ändern. Bei Deinem Blech dürfte der Wärmewiderstand bei seitlicher Montage der Wärmequelle wohl eher bei 10 K/W oder höher liegen (aber nicht über 12 K/W).Eine Wärmequelle im Zentrum des Kühlkörpers
Die Skizze in meinem letzten Post sollte nur verdeutlichen, dass das Aluminium dem Wärmefluss einen Widerstand entgegenbringt, der für eine Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und entfernteren Punkten auf dem Blech sorgt.
Dabei habe ich nicht ohne Grund eine Strecke von 5 cm gewählt. Wird auf einem Blech mit den Abmessungen 10 cm x 10 cm eine Wärmequelle mittig montiert, breitet sich die Wärmeenergie kreisförmig von der Quelle ausgehend in alle Richtungen gleichmäßig aus (idealerweise wäre ein Blech als Kühlkörper folglich kreisförmig). Daraus ergibt sich dann in jeder Richtung eine Strecke von 5 cm.
Die Wärmequelle "sieht" dann praktisch in allen Richtungen den von mir zitierten 1 cm breiten Streifen und somit eine Parallelschaltung von 12,5 K/W Wärmewiderständen und damit natürlich insgesamt einen deutlich niedrigeren Wärmewiderstand (der sich aber nicht leicht berechnen läßt, da der Querschnitt ja mit steigender Entfernung von der Quelle immer größer wird). Das ändert aber nichts an der Höhe der entstehenden Temperaturdifferenz.
Für die in Deinem Fall gleichmäßige Wärmeverteilung auf dem Blech gelten aber obige Überlegungen nicht. Diese gelten wie gesagt ausschließlich für den Fall, dass die komlette Wärmeenergie annähernd punktförmig mittig eingebracht wird.
Wird die Wärmeenergie gleichmäßig verteilt aufgebracht, musst Du auch das Blech gedanklich in entsprechend kleine Teile unterteilen und die einzelnen Wärmewiderstände getrennt betrachten. Nehmen wir an, Du unterteilst Dein Blech gedanklich in 1 cm x 1 cm große Stücke. Der Wert für ein 1 cm² großes Blech ist in Deiner Grafik zwar nicht mehr direkt ablesbar, dürft aber geschätzt irgendwo zwischen 200 K/W und 300 K/W liegen. Eine Leistung von 0,14 W würde damit eine Temperaturdifferenz von 28°C bis 42°C erzeugen, bei einer Umgebungstemperatur von 25°C wäre das dann eine Temperatur des Blechs zwischen 53°C und 67°C.
Dass diese Art der gedanklichen Unterteilung tatsächlich funktioniert, siehst Du bei dieser Leuchte:
viewtopic.php?f=31&t=23255
Dort habe ich 2 LumiflexPerformer-Streifen (je 70 LEDs) auf ein Aluflachprofil 55 cm x 3 cm x 2 mm geklebt. Die Fläche des Profils beträgt also 165 cm². Die LED-Leistung beträgt 20 W, die Wärmeleistung dürfte also auch bei ca. 14 W liegen. Das Profil erreicht im Dauerbetrieb bei 25°C Umgebungstemperatur eine Temperatur von 56°C.
Wäre es jetzt tatsächlich egal, wie die Wärmeenergie eingespeist wird, wäre die Form des Blechs ja auch egal. Eine Fläche von 165 cm² entspricht einem quadratischen Blech von 12,8 cm Kantenlänge. Laut Grafik hätte dieses einen Wärmewiderstand von ca. 5 K/W. Bei 14 W Wärmeleistung entspräche das einer Temperaturdifferenz von 70°C oder - bei 25°C Umgebungstemperatur - einer Temperatur von 95°C.
Tatsächlich erreiche ich bei dem Flachprofil aber nur 56°C.
Der Ansatz, das Blech in Teilstücke entsprechend der Wärmezufuhr zu unterteilen, passt also in der Praxis.
Ich gebe zu, das war etwas zu verallgemeinert, hat aber den Hintergrund, daß ich mich ja vorher auschließlich auf die Fälle "mittig" und "verteilt" bezogen habe, der Spezialfall "außermittig" ist für mich ja nicht von Belang. Aber auch Fischer schreibt in seinen Unterlagen "Die thermische Leistung der Kühlkörper basiert in erster Linie auf der Wärmeleitfähigkeit des Materials, Größe der Oberfläche und Masse des Kühlkörpers.
Die Farbe der Oberfläche, die Einbaulage, der Einbauort, die Temperatur und die Geschwindigkeit der umgebenden Luft sind variable
Größen und unterscheiden sich von Fall zu Fall erheblich.
Eine weitere einflussnehmende Größe ist die Art der Montage und die Art der Isolation des Halbleiters auf dem Kühlkörper oder
umgekehrt. Diese lässt sich allerdings recht zuverlässig in Versuchen ermitteln und in die Gleichungen des Punktes 2 einfügen."
Die Farbe der Oberfläche, die Einbaulage, der Einbauort, die Temperatur und die Geschwindigkeit der umgebenden Luft sind variable
Größen und unterscheiden sich von Fall zu Fall erheblich.
Eine weitere einflussnehmende Größe ist die Art der Montage und die Art der Isolation des Halbleiters auf dem Kühlkörper oder
umgekehrt. Diese lässt sich allerdings recht zuverlässig in Versuchen ermitteln und in die Gleichungen des Punktes 2 einfügen."
Völlig ab von der Theorie zur Wärmeableitung bei Stripes und Kühlkörpern generell, bei denen ich ehrlicherweise noch nicht allen deinen Aussagen zustimme, ist das aber ein Wort aus der Praxis und damit von deutlichem Mehrwert für mich gemäßustoni hat geschrieben: Dort habe ich 2 LumiflexPerformer-Streifen (je 70 LEDs) auf ein Aluflachprofil 55 cm x 3 cm x 2 mm geklebt. Die Fläche des Profils beträgt also 165 cm². Die LED-Leistung beträgt 20 W, die Wärmeleistung dürfte also auch bei ca. 14 W liegen. Das Profil erreicht im Dauerbetrieb bei 25°C Umgebungstemperatur eine Temperatur von 56°C.
Besten Dank vielmals.dieterr hat geschrieben: Ideal wäre vielleicht, wenn jemand schon mal einen ähnlichen Aufbau gemacht hat und Erfahrungen dazu hat.