LED Smart Array 10Watt abgeraucht

[Michili]

Hallo Zusammen

Vor zwei Monaten habe ich mir eine versteckte Badezimmerbeleuchtung gebastelt aus einem 10W Smart Array (Nichia) und der Quelle Meanwell PCB-25. Das Array wurde unter Volllast, sprich 700mA betrieben. Zur Entwärmung wurde es auf ein 75cm langes Aluminium U-Profil montiert und mit Arctic Silver inkl. 2xM3 verschraubt.


Ein Monat funktionierte die Beleuchtung einwandfrei. Zugegeben, das Al. Profil wurde schon ordentlich heiss! Anschliessend fing die Beleuchtung an geringfügig zu flackern, bis das Modul am Ende ganz ausfiel.


Mir ist nicht ganz klar warum das Modul nun ausfiel, da es doch innerhalb der Spezifikation betrieben wurde und eine ausreichende Entwärmung durch den Wärmeleitkleber und die grosse Wärmeabstrahlfläche hätte gegeben sein sollen?!

Gruss
Michili

[Falo]

Ich würde mal ganz stark vermuten das es an Überhitzung gestorben ist.

Die Abwärme konnten wohl durch das vermutlich recht dünne U-Profil nicht schnell genug nach außen geleitet werden.

Das würde auch erklären warum die mittleren LED's am schlechtesten aussehen.

Solltest du das so nochmal aufbauen würde ich immer das Aluprofil in unmittelbarer Nähe der LED berühren wenn du das da noch ein paar Sekunden berühren kannst ist die Temperatur noch OK.
(natürlich erst nach einigen Minuten)

mfg
Falo

[stoske]

Ich schliesse mich der Vermutung an. Verdeckt kann auch schlechte Luftzirkulation
bedeuten. Mir fällt auch der Wärmeleitkleber auf, der so dick aufgetragen wurde,
dass die Platine nicht vollständig plan aufliegt. Ist in der Mitte z.B. ein Lufteinschluss,
ist die Wärmeübertragung stark beeinträchtigt.

Bei so einer lange Leiste ist es eher angebracht mehr LED zu nehmen und zu
verteilen. Das ergibt besseres Licht und vereinfacht die Kühlung sehr.

[Gengulf]

Stimmt, es kommt nicht nur auf die Größe der Wärmeabstrahlfläche an, sondern auch auf die Umgebungstemperatur bzw. die Luftzirkulation. Die größte Abstrahlfläche nutzt nichts, wenn die umgebende Luft sich immer mehr erwärmt, weil sie nicht anständig zirkulieren kann. Deshalb sind auch z.B. in einem PC-Gehäuse zahlreiche Lüfter eingebaut.

Übrigens @ Michili: Welcome on board!

[Borax]

Das Array wurde unter Volllast, sprich 700mA betrieben.

Das geht nur mit luxuriöser Kühlung!
Das Problem dabei ist, dass ja die LEDs intern (Junction Temperatur siehe: viewtopic.php?f=31&t=12079 ) viel wärmer als der Kühlkörper sind. Wenn das Smart Array z.B. einen Wärmewiderstand von 5K/W* hat und es mit 10 W betrieben wird, sind die LEDs intern schon mal 50°C heißer als der Kühlkörper. Wenn Du jetzt sagst:

Zugegeben, das Al. Profil wurde schon ordentlich heiss!

Dann würde ich mal von 60-70°C ausgehen. Das heißt die LEDs hatten schon 110-120°C Das machen sie nicht lange mit.
=> Wenn man Arrays unter Volllast betreiben will, darf der Kühlkörper höchstens 40°C warm werden, sonst wird es den LEDs schon zu heiß.

*Schätzwert - den genauen Wert kenne ich nur beim 4W Smart-Array - da liegt er bei 5K/W)

[Achim H]

Das 10 Watt SmartArray hat unter Volllast keine 10 Watt. Die 10 Watt beziehen sich auf die typische Bestromung.

Bei 700mA stellt sich eine Vorwärtsspannung von rund 30V ein.
30V x 0,7A = 21 Watt

Auch sieht das wärmeleitende Material (Wärmeleitpaste/-kleber) gar nicht so aus, als wenn das Zeugs ordentlich verteilt worden wäre. Nach dem Aufsetzen des Array sollte dieses immer etwas hin und her geschoben werden, damit überschüssiges Material herausquellen kann. An der Ecke vorne links fehlt Paste/Kleber.

Die vorderen Ecken links und rechts haben einen Schatten. Das sieht so aus, als wenn das Alu gar nicht plan gewesen ist.

[Borax]

21 Watt mit so einem 'Profilchen' kühlen zu wollen ist sowieso hoffnungslos... Egal wie gut oder schlecht die Montage ist/war.

[Michili]

Potz Donner, das nenne ich mal ein hilfsbereites Forum! Vielen dank Leute für die nützlichen Inputs.
Hier meine Schlussfolgerungen:
1. die Paste habe ich vermutlich zu dick aufgetragen, da habt ihr wohl recht
2. das Profil hat als unsichtbare Halterung für einen Spiegel gedient. Das heisst Luftzirkulation kam da nicht wirklich Zustande...
3. das u-Profil kann das Array vermutlich nicht ausreichend entwärmen. Was mir dabei aufgefallen ist, ist dass das Profil nahe der LED sehr heiss war und ein Paar wenige cm schon deutlich kühler
=> ist der Wärmewiderstand von Aluminium gut genug?
=> Ist eine passive Kühlung überhaupt möglich mit diesem Emitter?

Gruss
Michili

[Borax]

ist der Wärmewiderstand von Aluminium gut genug?

Eigentlich schon. Aber es muss dafür natürlich auch hinreichend Materialstärke haben. Du kannst ein Stück Alu-Folie an einem Ende mit dem Feuerzeug heiß machen und es wenige cm daneben anfassen. Wenn Du das gleiche mit einem 1mm dicken Alu-Blech machst wirst Du das ganz schnell loslassen.

Ist eine passive Kühlung überhaupt möglich mit diesem Emitter?

Klar. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten:
1. Mit wesentlich weniger Strom betreiben (wobei man dann auch gleich ein/mehrere etwas schwächeres Array nehmen könnte)
2. Mit einem (gut belüfteten!) hinreichend großen Kühlkörper z.B. so was: http://www.reichelt.de/Profilkuehlkoerp ... nr=V+7331E (Bodenstärke=1cm!)

[Achim H]

ist der Wärmewiderstand von Aluminium gut genug?

Du meinst die Wärmeleitfähigkeit. Ja.

Ist eine passive Kühlung überhaupt möglich mit diesem Emitter?

Auch das ist möglich.

Damit die Wärme zügig verteilt werden kann, ist ein große Dicke erforderlich.
Damit die Wärme zügig mit der Umgebungsluft ausgetauscht werden kann, benötigt es eine große Oberfläche.

Wenn Du statt dem Alu-Profil ein Alu-Vollmaterial genommen hättest, wäre zumindest Punkt 1 erfüllt worden.
Noch schneller leitet Kupfer. Das ist aber unbezahlbar.

Kühlkörper und -profile kann man sehr gut mit Alu-Bratpfannen vergleichen.
Die leichten, dünnwandigen Dinger für 4,95 EUR werden zwar sehr schnell heiß, aber die Hitze bleibt am Boden. Am Rand kann man sie schon fast anfassen. Nimm eine Alu-Druckgussbratpfanne für deutlich mehr Geld mit einer Materialdicke von 5mm oder mehr, dauert es deutlich länger, bis diese heiß ist. Wenn sie aber heiß ist, dann ist sie es auch oben am Rand.

Der Umstand, warum die Pfanne mit dem dickeren Material deutlich länger zum Aufheizen braucht, ist, dass die Wärme sehr schnell geleitet wird. Die Umgebungsluft kühlt die Pfanne dann schon.

[Michili]

Nun ja, betrachten wir mal das Profil als gegeben (auch wenn es alles andere als idealer Kühlkörper ist)
Um die Sache zu entschärfen, möchte ich nun einfach an das bestehende Netzteil (700mA KSQ) zwei Module parallel schalten. In diesem Fall könnte ich statt einem 10Watt Modul auch zwei mal das 4 oder 6Watt Smart Array einsetzen. Denkt Ihr so könnte es hinhauen?

Gruss
Michili

[Borax]

Nun ja, betrachten wir mal das Profil als gegeben

Und die KSQ und die vorherige 'Lichtmenge' vmtl. auch?
Dann wirst Du nicht drum rum kommen zwei (oder noch besser 3) von den 10W Arrays parallel zu schalten (wobei dadurch die Lichtmenge sogar steigt). Die Spannung bei den 4W/6W Versionen passt nicht zur KSQ.
Vorsicht bei der Parallelschaltung: Die Smart-Arrays müssen speziell dafür selektiert sein, oder man muss durch kleine Ausgleichswiderstände dafür sorgen, dass bei allen parallel geschalteten Arrays der gleiche Strom fließt. Oft ist die Flussspannung zwischen den Arrays geringfügig unterschiedlich, was sich aber durchaus auf Stromunterschiede (und damit auch Helligkeitsunterschiede) von mehr als 10% auswirken kann.

[Michili]

Und die KSQ und die vorherige 'Lichtmenge' vmtl. auch?

genau!

Dann wirst Du nicht drum rum kommen zwei (oder noch besser 3) von den 10W Arrays parallel zu schalten (wobei dadurch die Lichtmenge sogar steigt). Die Spannung bei den 4W/6W Versionen passt nicht zur KSQ.

Uiuiui, da wäre ich voll reingelaufen!

Vorsicht bei der Parallelschaltung: Die Smart-Arrays müssen speziell dafür selektiert sein, oder man muss durch kleine Ausgleichswiderstände dafür sorgen, dass bei allen parallel geschalteten Arrays der gleiche Strom fließt. Oft ist die Flussspannung zwischen den Arrays geringfügig unterschiedlich, was sich aber durchaus auf Stromunterschiede (und damit auch Helligkeitsunterschiede) von mehr als 10% auswirken kann.

Kann man Selektionswünsche bei der Bestellung angeben? Ist vermutlich auch mit Mehrkosten verbunden?

Meinst Du 3 Stück parallel um einfach noch mehr Reserven zu schaffen? Das wären dann 233mA pro Modul. Da wäre es doch deutlich unterfordert!

[Borax]

Meinst Du 3 Stück parallel um einfach noch mehr Reserven zu schaffen?

Ja.

Da wäre es doch deutlich unterfordert!

Nein. Bei der schlechten Kühlung gerade so vernünftig ausgelastet. Du würdest ja auf einem holprigen Feldweg auch mit einem Porsche nicht über 100km/h fahren können, nur weil der Porsche dann 'deutlich unterfordert' wäre. Ob der Porsche für einen holprigen Feldweg das richtige Auto ist, ist natürlich die andere Frage. Aber Du willst ihm ja keine gut ausgebaute Straße (großer Kühlkörper) spendieren

[Michili]

Nein. Bei der schlechten Kühlung gerade so vernünftig ausgelastet. Du würdest ja auf einem holprigen Feldweg auch mit einem Porsche nicht über 100km/h fahren können, nur weil der Porsche dann 'deutlich unterfordert' wäre. Ob der Porsche für einen holprigen Feldweg das richtige Auto ist, ist natürlich die andere Frage. Aber Du willst ihm ja keine gut ausgebaute Straße (großer Kühlkörper) spendieren

Sehr veranschaulichendes Beispiel! Ok, dein Wort in Gottes Ohr. Dann mache ich mal 3 draus. Dann habe ich nämlich immer noch genügend Reserven falls ich es mal heller haben möchte. Vorausgesetzt ich mache mir eine neue Halterung mit einem ordentlichen Profil mit einem fetten Querschnitt! Am Besten aus hochreinem (99.9999999%), OFC sauerstofffreiem Max Havelaar Kupfer!

Vielen Dank nochmals an dieser Stelle für Eure Unterstützung. Das ist wirklich ein super Forum hier wo man bei seinem Beleuchtungsprojekten auch kompetent beraten wird. So macht es auch richtig Spass!

Gruss
Michili

[Achim H]

Wenn Du mehrere Leds verwenden willst, dann bitte diese nicht auf einen Haufen zusammen drängen, denn dann wäre der Wärmepool immer noch auf einen Punkt konzentriert. Bitte die Leds auf dem Profil verteilen. Damit wird die Betriebswärme aller Leds ebenfalls verteilt an das Profil übergeben.

Im Prinzip könnte man auch (nur als Beispiel) 14 Stück 1 Watt Leds montieren. Diese würden ebenfalls mehr Licht produzieren. Die Betriebswärme wird entsprechend auf 14 kleine Stellen ans Profil abgegeben. In der Anschaffung sind 14 Leds allerdings etwas teurer.

Geeignete dimmbare Konstantstromquelle:
Meanwell PCD-16-350 (24-48V @ 350mA konstant, dimmbar per Phasenan-/-abschnitt)

Vorteil:
Viele Leds mit einem niedrigeren Strom arbeiten effizienter als 1 Led mit einem hohen Strom.

[Michili]

Hallo Leute

Es geht weiter in meinem Projekt! Es wurden 3 Smart Arrays des gleich Typs nachbestellt und auf das selbe Profil montiert, gleichmässig verteilt versteht sich.

Alle wurde parallel an dieselbe Stromquelle angeschlossen. Das bedeutet pro Modul sollte sich ein Strom von 233mA einstellen. Gemessen habe ich eine Spannung von 28.5V. Ein Modul nimmt somit 6.65Watt auf. Da ja ein Teil in Licht umgesetzt wird, wird sagen wir mal 5Watt in Wärme umgesetzt. Helligkeitsunterschiede habe ich nicht festgestellt, was jedoch schwierig ist bei der Intensität (ich seh jetzt noch Punkte...).
Anhand der LED Spec gehe ich mal davon aus, dass auf dem Modul 2x3LED in Serie verschalten wurden. Das macht pro LED ca. 1Watt. In einem ersten Schritt habe alle LED's mit einer guten Wärmeleitpaste an das Profil verschraubt und jede mit der Wärmebildkamera gemessen (v.l.n.r).




da sich die Temperaturen schon kurze Zeit nach dem einschalten eingestellt haben, habe ich alles schnell wieder ausgeschaltet. Die Temperaturen der Array sind doch recht unterschiedlich. Vermutlich stellen sich die Ströme doch nicht gleich ein. Anschliessend habe ich die Montage nochmals überarbeitet. Das Modul links wurde nicht verändert, sprich mit Paste. Das in der Mitte wurde mit arctiv silver an ein Kupferprofil geklebt und dann mit Paste an das Al-Profil. Das Rechts habe ich dann mit arctic silver direkt an das Al-Profil geklebt. Nun blieben die Temperaturen tiefer und ich habe alles ein paar Minuten leuchten lassen und wieder gemessen.




Also, nochmals zusammengefasst
1)53.7°=>62° (mit Wämeleitpaste)
2)66.6°=>58.1° (mit Kupferprofil)
3)59°=> 60.8 (mit arctic silver)

Das Modul welches sich am meisten erwärmte hat dank Kupferprofil und arctic silver am ende die geringste Temperatur. Die gemessene Temperatur stellt so ungefähr die Gehäusetemperatur dar. Diese ist im Datenblatt der LED (NS9L153AMT-H3) bis max. 100° spezifiziert (ich gehe mal davon aus das es die Gehäusetemp. ist, denn die Junction Temperatur ist ja mit max. 150° angegeben). Eigentlich sollte ich mich ja nun im sicheren Bereich bewegen. Was denkt Ihr?

Gruss
Michili

[Achim H]

Das Problem bei einer Parallelschaltung ist, dass das Array mit der höchsten Vorwärtsspannung auch die Spannung für die beiden anderen Arrays vorgibt. Da Leds niemals zu 100% gleich sind (ist herstellungsbedingt nicht möglich), teilt sich auch der Strom ungleichmäßig auf. Einige Arrays werden mit einem höheren Strom betrieben und erzeugen somit auch mehr Leistung. Und damit erzeugen diese auch mehr Wärme.

Wenn alle Arrays den gleichen Strom erhalten sollen, ist nur eine Reihenschaltung möglich.
Und das bedeutet: Du brauchst eine andere Konstantstromquelle.

da sich die Temperaturen schon kurze Zeit nach dem einschalten eingestellt haben, habe ich alles schnell wieder ausgeschaltet. Die Temperaturen der Array sind doch recht unterschiedlich. Vermutlich stellen sich die Ströme doch nicht gleich ein.

Möglich wäre es aber. Dazu musst Du die Arrays aber länger leuchten lassen, bis die Betriebswärme auch das Kühlprofil durchzogen hat. Mit nur ein paar Minuten ist keine relevante Messung möglich.

[Borax]

1)53.7°=>62° (mit Wämeleitpaste)
2)66.6°=>58.1° (mit Kupferprofil)
3)59°=> 60.8 (mit arctic silver)

Das ist IMHO hinreichend niedrig und auch nahe genug zusammen (+/- 2°C). Aber wie Achim schon sagte, das muss auch im Dauerbetrieb und am endgültigen Einbauort so bleiben. Ich würde einfach mal einen 1 Ohm Widerstand pro Modul davor schalten (der verbraucht quasi keinen Strom), kann aber als Messwiderstand fungieren (so kannst Du nachmessen wie sich der Strom auf die 3 Module verteilt) und er egalisiert sogar ein klein wenig die Unterschiede.