Wie berechne ich den Kühlkörper für eine 80W Bridgelux LED

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Moderator: T.Hoffmann

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IceTeaLight
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Mi, 09.06.10, 22:16

Hallo zusammen,

Ich hoffe ihr könnt mir helfen, bzw mir etwas erklären, ich glaube, ich bin einfach zu dumm!:(

Also es ist so, ich habe bisher einige male mit LED`s gearbeitet, bisher immer mit den ganz normalen...
Nun möchte ich aber so eine richtig starke Lampe aus einer Bridgelux BXRA-C4500 bauen.

Diese muss natürlich auch gekühlt werden, nur wie berechne ich diesen KK?
Ich versuchte mich durchzulesen, doch scheitere ich einfach an diesen Wärmewiderstände etc...

Ich würde die LED gerne auf einen KK wie diesen hier setzen http://www.google.ch/imgres?imgurl=http ... s%3Disch:1

Es sollte möglichst flach werden, evtl könnte ich das Ding ja noch mit einem Venti kühlen oder ich verwende gleich einen Kühler für einen CPU oder so?

Ich würde mich wirklich extrem freuen, wenn mir das jemand mit einfachen Worten erklären könnte...

Dann hab ich noch ne Frage, gibt es von Lumitronix noch stärkere solche LED`s?
Könnte ich zum Betreiben dieser LED einen Ringtrafo nehmen, einen Gleichrichter dran? Oder braucht es für
diese High Tech Chips irgendwelche speziellen Bauteile?

Würde mich über eure Hilfe freuen,
Gruss
Matthias
Zuletzt geändert von IceTeaLight am Mi, 09.06.10, 22:22, insgesamt 1-mal geändert.
IceTeaLight
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Mi, 09.06.10, 22:20

Hmmm,

Das mit diesem Link funktioniert irgendwie nicht...

Hier ein Bild des KK bzw. der Daten:
Dateianhänge
pr166kk.gif
pr166kk.gif (17.31 KiB) 6356 mal betrachtet
pr166.png
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Achim H
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Mi, 09.06.10, 22:47

Du brauchst nur von der unteren Grafik ablesen.
pr166.png
Die untere waagerechte Bemaßung steht für die Leistung (erkennbar am großen W für Watt), die der Kühlkörper max. kühlen kann. Du weißt, dass die Led um 80 Watt erzeugt. Jetzt gehst Du von der 80 senkrecht nach oben und schaust nach, welcher Kühlkörper dieses 80 Watt minimal erreichen kann.

Der mit 50mm Breite kann nur max. 80 Watt verarbeiten. Die beiden anderen Typen mit 100mm und 150mm verkraften bis 100 Watt und sind daher besser geeignet. Ausgehend vom Kreuzungspunkt des Graphen zur Senkrechten für die montierte Last kannst Du nun waagerecht nach links die Temperatur ablesen, um die sich der Kühlkörper zusätzlich erwärmen würde.

Temperatur des Kühlkörper gesamt:
ausgehend von einer Umgebungstemperatur = 25 Grad (wenn es bei Dir wärmer ist, dann von dieser Temperatur addieren)
25 Grad + 53 Grad (für den mit 150mm Breite) = 78 Grad.
25 Grad + 63 Grad (für den mit 100mm Breite) = 88 Grad.

mfg Achim
IceTeaLight
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Mi, 09.06.10, 23:09

Hallo Achim,

Wow, super, das ist ja einfacher als ich dachte!!! Danke dir vielmals! :)

Wenn ich also den 150er Kühler nehme, dann müsste ich diesen nicht einmal aktiv kühlen?
Oder könnte es sein, dass wenn die LED mittig auf dem KK angebracht wird, dort ein Hitze "Peak"
entsteht? Und die Lebensdauer der LED trotzdem beeinträchtigt wird?

Wenn ich die LED auf eine dickere Aluplatte montiere und diese dann mittels Wärmeleitpaste auf den KK montiere
könnte ich so die punktuelle Erwärmung mindern?

Danke dir & Gruss
Matthias
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Achim H
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Ob Du den KK kühlen musst, hängt von der Einbaulage ab und wie dicht die Rippen zueinander stehen.

Bei Prozessorkühlkörpern beispielsweise sind die Rippen zu eng und genau hier bleibt die warme Luft stecken. Aus diesem Grund sind die KKs immer mit einem Lüfter ausgestattet, der die warme Luft raus bläst.

Was die Einbaulage angeht, wenn die Rippen nach oben zeigen und (zum Beispiel direkt unter der Decke) etwas Abstand bleibt, sodass die Warmluft auch oben raus kann, dann brauchst Du den KK nicht lüften.

Bedenke:
Warme Luft steigt nach oben. Direkt unter der Decke ist die Wärme am höchsten. Die Umgebungstemperatur bezieht sich immer auf den jeweiligen Einbauort, nicht auf die Raumtemperatur. Wenn es im Raum 25 Grad sind, können es unter der Decke auch 5 oder 10 Grad mehr sein. Im Sommer ist es ein wenig wärmer. Wenn Du direkt unterm Dach wohnst, kann die Temperatur direkt unter der Decke bis an 50 Grad heran reichen. Da darf der Kühlkörper dann ruhig 2 Nummern größer sein, damit man die Hitze auch von der Led weg bekommt. Oder man baut einen Lüfter mit Temperaturregelung ein, der sich zum Beispiel bei Erreichen von 90 Grad einschaltet.

Was den PR166 angeht:
der ist im Grunde genommen etwas zu lang. Die Hitze entsteht nur auf einer relativ kleinen Fläche. Der KK wird daher an genau dieser Stelle sehr heiß. Die entstehende Betriebswärme der Led muss durch die Bodenplatte bis zu allen Rippen, damit diese an der Umgebungsluft ausgetauscht werden kann. Was besseres habe ich aber auch nicht gefunden. Sehr positiv ist die große Oberfläche mit 2903cm² (ca. 0,3 Quadratmeter).

SE = schwarz eloxiert
AL = Aluminium blank
Ronald90
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Do, 10.06.10, 06:16

Achtung: Die Angaben von Achim sind alle korrekt, aber er hat vergessen zu erwähnen, dass du von der LED bis zum Kühlkörper auch noch einen Wärmewiderstand hast. Der liegt bei der LED mit nur 0,2K/W zwar extrem niedrig, aber du musst die Wärme ja auch noch von der LED auf den Kühlkörper bringen. An der Stelle ist ein Wärmewiderstand von unter 0,5K/W unrealistisch, tendenziell würde ich sogar eher von bis zu 1K/W ausgehen. So erhälst du eine Junction Temperature, welche nochmal entsprechend höher liegt, als das was dir Achim ausgerechnet hat. Wenn man von einem gesamten Wärmewiderstand von nur 1K/W ausgeht bedeutet das, dass du bei allen Kühlkörpern die max. Chip Temperatur bereits deutlich übersteigst!
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Achim H
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Do, 10.06.10, 07:18

Du vergisst aber, dass eine Led nicht 100% Verlustleistung hat. Angenommen es wären 15% Wirkungsgrad (ich denke, der Wert liegt ein wenig höher), müssten nur 85% der Leistung als Verlust gerechnet werden. Und schon müssen nicht mehr 80 Watt gekühlt werden, sondern nur noch 68 Watt. Und schon wird der Kühlkörper um 5 Grad weniger warm.

Weiß jemand, wie hoch der Wirkungsgrad bei einer weißen Led (blaue Led mit Phosporschicht) liegt?
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ryestone
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Do, 10.06.10, 09:30

Super wie Achim das erklärt hat, so ungefähr wußte ich ja Bescheid, aber durch die anschauliche Erklärung begreift man die Zusammenhänge sehr gut.
Eine Frage habe ich aber noch, wie ist der Wärmewiderstand zwischen LED-Platine und KK mit Wärmeleitkleber oder Wärmeleitpaste noch zu berücksichtigen?
Ronald90
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Do, 10.06.10, 11:07

Zum Wärmewiderstand von LED zu KK hab ich ja schon was gesagt: Je nachdem wie gut du es verarbeitest und welches Material zu verwendest kannst du im optimalen Fall etwas zwischen 0,5 un 1K/W erreichen würde ich sagen. Laut Wikipdia liegt die maximale Effizienz bei 350lm/Watt, diese Leistung kann aber aus physikalischen Gründen bei weitem nicht erreicht werden. Aktuell arbeiten die besten LEDs mit einer totalen Effizienz von ca. 50%, wobei die Quanteneffizienz(Wie viel Strom wird im Chip in Licht umgesetzt) dann wohl schon bei 75% liegen dürfte. Der Rest des Lichts kommt eben aufgrund des Aufbaus der Leuchtiode einfach nicht raus und wird wieder zu Wärme. LEDs wie die Bridgelux dürften bei so hohen Leistungen aber eine Gesamteffizienz von ca. 15-20% wohl kaum überschreiten
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Achim H
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Do, 10.06.10, 11:17

Ich habe das mal eben in Excel durchgerechnet. Das passt. Da brauchst Du dir keine Sorgen machen. Als Übergangswiderstand für den Wärmeleitkleber/Wärmeleitpaste habe ich 0,1K/W angenommen. Mit dem Led-Wärmewiderstand zusammen wären das 0,3K/W. Excel empfiehlt einen KK mit mindestens 1,08K/W. Der KK mit 150mm Breite hat einen Wärmewiderstand von nur 0,68K/W, ist also um gut 40% besser als gefordert.
superbridgelux.png
Ronald90
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Do, 10.06.10, 15:01

Die Berechnung ist excellent :)
Aber findest du die 0,3K/W nicht etwas arg optimistisch?! Ich halte das für unrealistisch.
IceTeaLight
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Do, 10.06.10, 16:31

Hallo zusammen,

Wow, ich bin begeistert!!! Vielen Dank für eure Hilfe, ich glaube ich blicke langsam durch mit diesen Berechnungstools!
Danke euch!!! :D

Nun aber noch wegen der punktuellen Erwärmung, wenn ich direkt über der Led ein Vertiefung in den KK fräse und darin einen kleiner Venti verbaue der auf den KK bläst,
würde sich so die Wärme besser nach aussen ableiten lassen?

Oder wenn ich die LED auf eine Aluplatte (5mm) und dann diese auf den KK, würde sich so die Wärme besser verteilen? Oder würde der Wärmewiederstand der zwischen der
Platte und dem KK den Effekt der Verteilung zunichte machen?

Macht die Farbe des KK etwas aus?

Dann noch was zur Energieversorgung dieser LED, kann ich ein ganz normaler Ringtrafo nehmen, ein Gleichrichter montieren und so diese LED betreiben?
Oder welche Lösung würdet ihr vorschlagen? Es soll noch bezahlbar sein...

Viele Grüsse und Danke für eure kompetente Hilfe
Matthias
Ronald90
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Do, 10.06.10, 17:13

Die LED nochmal auf eine Aluplatte zu montieren macht keinen Sinn, die LED selbst sitzt ja schon auf einem Aluträger bzw. ist eine Aluplatte.
Du kannst die Kühlung mit einem aktiven Kühler natürlich massiv verbessern, dieser sollte durch die Rippen deines Kühlkörpers blasen um dort eine Luftzirkulation zu ermöglichen. Umso kälter die Luft zwischen den Kühlrippen umso mehr Wärme kann der Kühlkörper abführen! Die Farbe des KK macht im Grunde erstmal nix aus, aber einen Alu Kühlkörper anzumalen könnte die Wärmeableitung schon verschlechtern, die Farbe wird sicher erheblich schlechter die Wärme ableiten, als das Alu.
Zur Stromversorgung gab es hier schonmal einige hilfreiche Beiträge.
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Do, 10.06.10, 17:17

Ronald90 hat geschrieben:Die Berechnung ist excellent :)
Aber findest du die 0,3K/W nicht etwas arg optimistisch?! Ich halte das für unrealistisch.
Bedenke mal, wie groß die Fläche der LED ist. Die von dir angenommenen 1K/W sind für eine Q5 realistisch, wenn man noch nicht all zu oft mit Wärmeleitkleber hantiert hat.
Eine Q5 hat etwa 7x7mm Kühlfläche, also 49mm²

Die Bridgelux hat schätzungsweise min. 30x30mm Kühlfläche, wenn ich mir das Datenblatt so ansehe. Das sind dann 900mm², also etwa 18mal so viel...
Der erreichbare Übergangswiderstand der Klebestelle sollte minimal sein.
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Do, 10.06.10, 21:44

Die Bridgleux hat mit 80W aber auch 40x soviel Leistung wie die XR-E... (die liegt bei 2,3 Watt, 2,5W wenn die Vorwärtsspannung mal etwas höher liegt)

Und außerdem halte ich 150°C Sperrschichttemperatur für volle Leistung doch für äußerst gewagt, da dürfte das Derating sicher schon einen ganz gewaltig geringeren Strom vorschreiben, meist ist der maximale Strom nichtmal bis 100°C erlaubt.
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Do, 10.06.10, 22:30

Und außerdem halte ich 150°C Sperrschichttemperatur für volle Leistung doch für äußerst gewagt, da dürfte das Derating sicher schon einen ganz gewaltig geringeren Strom vorschreiben, meist ist der maximale Strom nichtmal bis 100°C erlaubt.
Laut Datenblatt ist die max. zulässige Operating-Case-Temperatur mit 105°C angegeben und da bleiben wir auf jeden Fall drunter. Ich habe deswegen auch mit den maximal möglichen Werten gerechnet: die Umgebungstemperatur auf 40°C gesetzt und die Verlustleistung ohne Berücksichtigung eines Wirkungsgrades auf 100% gesetzt. Und der Kühlkörper ist auch größer als erforderlich.

In einem meiner Beiträge hatte ich geschrieben, für den Fall einer Zwangskühlung eine temperaturgeregelte Lüftersteuerung zu verwenden, die sich zum Beispiel bei 90 Grad einschaltet und ab hier den Kühlkörper mit Frischluft versorgt. Ist aber schon sehr unwahrscheinlich, dass der Lüfter jemals anlaufen wird.
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Fr, 11.06.10, 15:31

CRI 93+ / Ra 93+ hat geschrieben:Die Bridgleux hat mit 80W aber auch 40x soviel Leistung wie die XR-E... (die liegt bei 2,3 Watt, 2,5W wenn die Vorwärtsspannung mal etwas höher liegt)
Das ändert aber nichts an dem erreichbaren Wärmewiderstand in K/W.
Selbst 0,5K/W würde für die Brigdelux ja schon bedeuten, dass sie bei angenommenen 50-60W Verlust an der Platine schon 25-30°C wärmer, als der Kühlkörper ist. Die Chip-Temp. läge dann nochmal höher.

Ich würde die LED auch schrauben und Wärmeleitpaste verwenden. Das mindert den Wärmewiderstand nochmals ein Stück im Gegensatz zu Kleber. Immerhin ist die Platine der LED für den Einsatz von Schrauben vorbereitet.
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Mal eine Frage: ist denn dieser Kühlkörper geeignet für solch eine Bridgelux-Led: http://www.pollin.de/shop/dt/MjA5OTY1OT ... K5052.html

Da stehen leider gar keine Angaben, außer den Maßen. Aber vielleicht kennt ja jemand den Kühlkörper?!?! Danke
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Mo, 14.06.10, 06:27

Aktive Kühlfläche 33 x 33mm. Die 80 Watt Bridgelux ist ein wenig größer (50,3 x 45,3mm), sodass die Led selbst (die eigentliche Wärmequelle) zwar auf der aktiven Kühlfläche sitzt, der Rest vom Bodenblech der Led aber nur auf der passiven Kühlfläche montiert werden kann.

2 Heatpipes werden nicht übermäßig viel Hitze abtransportieren können. Leistungsmäßig könnte das gerade so eben hinhauen. Als reiner Passivkühler ist er nicht zu gebrauchen, da die Flachlamellen mit einem Lüfter freigeblasen werden müssen.

mfg Achim
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