LED Projektor passiv kühlen

Hier werden Fragen zu LED-Grundlagen beantwortet...

Moderator: T.Hoffmann

LED Projektor passiv kühlen

Beitrag am Mi, 05.12.18, 14:34 (0 Bewertungen, 0 Sterne)

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Guten Tag zusammen,

ich möchte einen LED-Projektor passiv kühlen.
Der Projektor hat 3 LEDs - rot, grün, blau – u.a. LE B Q8WP
Bei einer Spannung von 19V erreicht der Projektor maximal 0,7A - gibt 13,3W Leistung. Ich rechne mal mit der Gesamten Leistung als Verlustleistung, für eine gewisse Sicherheit.

Die LEDs haben einen Rth Js real: max 3,6 K/w (Real Thermal Resistance Junction solder Point) (Realer Wärmewiderstand Sperrschicht/Lötpad)
max. Junction Temp: 150°C.
meine max. Umgebungstemp: 40°C

Maximalwert für den gesamten Wärmewiderstand zwischen Junction und Umgebung
R max = ∆T / PD = (150 - 40)K / 13,3 W = 8,27 K/W


Wärmewiderstand Sperrschicht - Lötpad RthJSreal = 3,6 K/W
Wärmewiderstand Gehäuse - Kühlkörper mit Wärmeleitpaste Rth = 0,5 K/W
Wärmewiderstand Kühlkörper - Luft Rth = 1 K/W
Gesamt: 5,1 K/W

Bleibt für meinen Kühlkörper ein max. Wärmewiderstand von 8,27K/W - 5,1 K/W = 3,17 K/W übrig.

Ist die Rechnung so korrekt? Ich rechne ja mit meiner Gesamt-Leistung, aber der Wärmewiderstand (Junction Solder Point) bezieht sich ja nur auf eine von 3 LEDs. Wie kann ich das lösen?

Vielen Dank & LG Max
max_8
 
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Re: LED Projektor passiv kühlen

Beitrag am Do, 06.12.18, 23:57 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Hallo max_8,
welcome on board!

...max. Junction Temp: 150°C....
Das ist zu viel. Bei dieser Junction Temp gehen LEDs normalerweise schon sehr schnell kaputt. Ich würde mit max. 120°C rechnen.

...Wärmewiderstand Kühlkörper - Luft Rth = 1 K/W...
Das kann man so nicht sagen. Dieser Wärmewiderstand ist derjenige des Kühlkörpers. Sprich er ist abhängig von dessen Größe, Geometrie und Luftaustausch. Der üblicherweise bei einem Kühlkörper angegebene Wert ist allerdings derjenige unter optimalen Bedingungen. Je nach Einbausituation ist er also wesentlich größer als angegeben.

...der Wärmewiderstand (Junction Solder Point) bezieht sich ja nur auf eine von 3 LEDs. Wie kann ich das lösen?
Das ist eine Parallelschaltung. Jede LED hat zwar den angegebenen Wärmewiderstand, aber bekommt ja auch nur rund ein Drittel der Leistung. So gesehen:
Du heizt mit 13,3W. Der Einfachheit halber bekommt jede LED also 4,4W
Gesamtwärmewiderstand: Wärmewiderstand Sperrschicht - Lötpad RthJSreal = 3,6 K/W + Wärmewiderstand Gehäuse - Kühlkörper mit Wärmeleitpaste Rth = 0,5 K/W ergibt 4.1K/W. Multipliziert mit den 4.4W ergibt das rund 20K die daher die Sperrschicht wärmer ist als der Kühlkörper. Bei max. 120° C Sperrschichttemperatur darf der Kühlkörper also bis zu 100°C warm werden. Bei 40°C Umgebung darf der Kühlkörper also 60K wärmer werden. Bei 13.3W Heizleistung ergibt das eine erforderliche Kühlleistung von 60K/13.3W also etwa 4.5 K/W. Je nach Einbausituation (Lage des Kühlkörpers, Einschränkung der freien Konvektion durch Gehäuse...) kann aber auch ein Kühlkörper mit einer (idealen!) Kühlleistung von 1.5K/W nötig sein.
Borax
 
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Re: LED Projektor passiv kühlen

Beitrag am Fr, 07.12.18, 11:16 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Guten Tag Borax,

vielen Dank für deine ausführliche Antwort. Heb noch zwei Fragen.

1. Kann ich das Ganze auch so auslegen, dass mein Kühlkörper nur eine bestimmte maximale Temperatur erreicht? Ich hätte gerne eine max. Kühlkörper-Temp. von ca. 50°C, damit man das Gehäuse noch gut anfassen kann.

2. Könnte ich die 10W Leistung auch einfach mit einer entsprechend Großen Aluminium-Platte kühlen?

Habe mal versucht den Rth für eine Alu-Platte zu berechnen, mit folgender Formel:

Rth = 1 / ( α * A)

Wärmeübergangskoeffizient α: für unbewegte Luft: 1-10 W/m²K
Wärmeübergangskoeffizient α: für Luft, freie Konvektion: 10-30 W/m²K

-> Rth = 1/ ( 10 W/m²K * 0,027 m² ) = 3,7037 K/W.


Der Wärmewiderstand wäre dann ja kleiner als die von dir berechneten 4,5 K/W. Also ausreichend?

Vielen Dank und LG
Max
max_8
 
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Re: LED Projektor passiv kühlen

Beitrag am Fr, 07.12.18, 12:04 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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... Ich hätte gerne eine max. Kühlkörper-Temp. von ca. 50°C, damit man das Gehäuse noch gut anfassen kann.

50°C ist schon sehr wenig. Bei einer angenommenen Umgebungstemperatur von 40°C hast Du dann nur noch 10K die der Kühlkörper wärmer sein darf. Bei obigen Annahmen wäre dann schon ein Kühlkörper mit einer Kühlleistung von 0,7 K/W nötig (10 K / 13,3 W). Solche Kühlkörper sind dann schon sehr groß. Beispiel: https://www.reichelt.de/profilkuehlkoerper-100x160x40mm-0-7k-w-v-6506k-p22273.html?&trstct=pol_13 und die 0.7K/W gelten wie gesagt auch nur unter idealen Bedingungen.

Wegen Alu-Blech...
Schau mal hier: http://www.ledhilfe.de/viewtopic.php?f=23&t=21974
(Leider funktionieren Links hier im Forum derzeit nicht wegen Ärger mit der PHP Version)

Dort hat ustoni einen SEHR ausführlichen Beitrag zum Temperaturmanagement (sowohl für Standard-Kühlkörper als auch Bleche) verfasst.
Eine etwas einfachere Grafik findest Du hier: http://www.ledhilfe.de/viewtopic.php?p=137622#p137622
(gilt für senkrecht montierte blanke Alu-Bleche).
Faustregel: Ein 10x10cm großes senkrecht montiertes Alu-Blech mit freier Luft-Konvektion hat etwa eine Kühlleistung von 7 K/W
Wird also für Dich nicht reichen.
Borax
 
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Re: LED Projektor passiv kühlen

Beitrag am Fr, 07.12.18, 17:39 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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Okey, vielen Dank Borax. :)
Habe die Beiträge auf die du verwiesen hast mal gründlich durchgelesen und selber gerechnet.

Noch zu deiner Faustregel:
"Faustregel: Ein 10x10cm großes senkrecht montiertes Alu-Blech mit freier Luft-Konvektion hat etwa eine Kühlleistung von 7 K/W."

Ich würde meine Wärme tatsächlich gerne über eine Aluminium-Platte abführen. Gibt es hier eine Möglichkeit die Größe dieser zu berechnen? Oder nur per Faustformel :D

Mit dem Nomogramms zum Abschätzen des Wärmewiderstandes (Aus Ustonis Beitrag) erreiche ich mit meinen Daten:

Fläche: 27.000m2
Dicke: 2mm
Leistung: 10W
eloxiert, horizontal
-> Wärmewiderstand ca. 3,5 K/W

Das zeigt doch, das mit meiner Alu-Platte der Größe 200x135x2 mm die passive Kühlung dieses Projektors schon funktionieren kann, oder?

Könnte ich auch berechnen, wie warm die Alu-Platte dieser Größe werden würden?

Vielen Dank für deine Hilfe,

LG & ein schönes Wochenende, Max
max_8
 
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Re: LED Projektor passiv kühlen

Beitrag am So, 09.12.18, 14:49 (0 Bewertungen, 5 Sterne)

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...Das zeigt doch, das mit meiner Alu-Platte der Größe 200x135x2 mm die passive Kühlung dieses Projektors schon funktionieren kann, oder?
Ja. 20x13 cm ist aber auch recht groß. Allerdings sind 2mm schon ein wenig dünn.

...Könnte ich auch berechnen, wie warm die Alu-Platte dieser Größe werden würden?

So grob schon. Wenn wir die 3.5K/W als korrekt annehmen (hab ich jetzt nicht nach geprüft, kommt aber überschlagsmäßig hin), dann würden 13W diese Platte um 45K erwärmen. Bei 40°C Umgebungstemperatur wären das 85°C.
Borax
 
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