Keine (kaum?) Kühlung möglich, Hi-Power-LEDs einsetzbar?

Unterbodenbeleuchtung, Pimp my room, usw.

Moderator: T.Hoffmann

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kasorp
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Di, 17.05.11, 09:49

Hallo LED-Gemeinde,

ich habe ein Kühlungsproblem in einer dekorativen Leuchte und brauche eine Alternative zu diesem G4 Spot: http://www.leds.de/LED-Leuchten/LED-Lam ... W-12V.html.
Das Leuchtmittel sitzt in einem selbstgegossenen Kunststoff"gehäuse" aus PU-Gießmasse und leuchtet in einen Vollstab aus Plexiglas, Durchmesser 35mm. Aufgrund der Gestaltung habe ich für das Leuchtmittel einen Platz von maximal 27mm im Durchmesser sowie ca. 13-14mm in der Höhe. Das bereits verwendete "noname" G4-Leuchtmittel ist, was Größe und Lichtstärke angeht, eigentlich fast optimal.
Blöderweise ist meine Konstruktion Teil einer großen Installation aus rund 70 dieser Leuchtmittel und dann auch noch für einen pingeligen Kunden. Ich würde daher aus Qualitätsgründen lieber auf ein Markenprodukt zurückgreifen, außerdem ist der erwähnte G4-Spot ein Auslaufmodell.

Die Frage ist nun: Was kann ich alternativ einsetzen? Die Bedingungen:
- aus Platzgründen keine oder kaum Kühlung möglich. Ich habe winzige Kühler von 14x14x6mm gefunden, bringen die was?
- warmweiß
- um die 100lm, wenns mehr ist, sage ich auch nicht nein
- Durchmesser max. 27mm, Höhe max. 13mm
- Markenprodukt, bestenfalls Nichia oder Cree
- möglichst wenig Bastelei wäre schön, aber zur Not.....

Ich habe gelesen, dass man quasi jede Hi-Power-LED auch "untertourig" betreiben kann, also mit weniger Strom und dann weniger Lichtstärke. Ist das vielleicht die Lösung? Und welche LED bleibt bei möglichst viel Licht möglichst kalt?

Tausend Dank für jede Hilfe/Tips!
Daniel
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stoske
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Di, 17.05.11, 10:08

Hi,

auf HighPower würde ich in diesem Falle verzichten. Bei 70 Stück lohnt es sich,
kleine Platinen herzustellen, oder herstellen zu lassen. Auf 27 mm Durchmesser
passen gerade eben sechs Nichia Raijin (eine mittig, 5 im Kreis drumrum, je 72 Grad).
Davon je drei zusammen mit 60 mA angetrieben ergibt rund 132 warmweiße Lumen
ohne sich über Kühlung Gedanken machen zu müssen. Wenn man auf der Bestückungs-
seite der Platine dann noch einen Gag für den Kunden drucken lässt, ein Logo oder
einen kleinen Text, dann sieht das sehr professionell und hochqualitativ aus und der
Kunde freut einen Knopf an die Backe. Sonderlich teuer wird das auch nicht.

Grüße, Stephan Stoske
Falo
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Di, 17.05.11, 10:29

Auch mit den 6 Nichia Raijin wird er die gleichen bzw. sogar noch größere probleme mit der Kühlung bekommen.

Ob er nun eine HP LED (350mA), 6 * Nichia Raijin (6* 60mA) oder sein jetziges Leuchtmitel G4 Spot 5 LEDs, (1.3W) bei allen wird in etwa dieselbe Elektrische Energie eingebracht und auch der Wirkungsgrad unterscheidet sich nicht wirklich viel.
Dadurch hat er bei allen LED's die selben Kühlungsprobleme.

Die Lampe ist einfach nicht für den LED Betrieb geeignet bzw. nicht für 100Lm auf so kleinen bereich und dann mit Kunststoff sehr gut wärmetechnish isoliert.

Das einzige was geht die LED's reduzieren (damit natürlich auch das erzeugte Licht) oder die Kühlung verbessern.

Evtl. wäre ja einen 5-10 Watt Hallogen eine alternative die erzeugen zwar noch weit mehr Wärme können aber auch mehr ab nur ob die Kunstoffkonstruktion das aushält ?

Ansonsten gibt es viel viel Ärger wenn bei 72 'Leuchten' die Leuchtmitte ständig recht schnell ausfallen.

mfg
Falo
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Di, 17.05.11, 10:39

Hallo Falo,

zur Ergänzung: das G4-Element lief im Testbetrieb über mehrere Wochen ohne Probleme. Die gesamte Konstruktion wird zwar warm, aber nicht mehr als schätzungweise 35-40 Grad. Ich bin jedoch skeptisch, ob es die noname-Dinger auch über Jahre machen, daher im Zweifel lieber Nichia...

Grüße!
tommi
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Di, 17.05.11, 10:40

Vielleicht könnte man die Kabel Zuleitung bewusst überdimensionieren und dann das Kabel selbst als Kühlkörper verwenden. Dann müsste man halt noch die Anschlüsse dahingehend optimieren dass die Wärme gut Richtung Kabel fließen kann, aber das könnte schon einiges bringen.
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stoske
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Di, 17.05.11, 11:08

Hi,

> Auch mit den 6 Nichia Raijin wird er die gleichen bzw. sogar noch größere probleme mit der Kühlung bekommen.

das kann ich in keiner Weise nachvollziehen. Alles was ich bislang an HighPower verbaut habe wird heiss
oder brüllend heiss. Nur eine einzige NS6L183T mit 700 mA getrieben macht schon den 50 mm Kühlkörper
heiss, das sind auch nur 180 Lumen. Mit 350 mA betrieben, was nur 110 lm sind, ergeben sich auch schon
über 60 Grad.

Von den Raijin habe ich schon mehrfach 12 Stück auf 36 mm verbaut, was supereng ist, aber auch nach
Stunden keine 40 Grad erreicht. Selbst mit 70 mA betrieben werden die Dinger nie mehr als Handwarm.

Die Raijin brauchen definitiv keine Kühlung, nicht bei hohem Strom, nicht bei großer Anzahl, nicht bei
dichter Packweise. Die HighPower-LED brauchen immer Kühlung, auch bei kleinem Strom und schon
bei einer einzigen.

Das ist auch eigentlich logisch, denn bei HighPower konzentriert sich die "Energie" immer auf eine
winzige Fläche, während bei den Raijin diese Fläche nicht nur 6, 8, 12-fach größer ist, sondern auch
noch räumlich getrennt.
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Di, 17.05.11, 11:39

Lies mal die Bedingungen. Dort steht was von einem maximalen Durchmesser von 27mm (nicht 36mm). Da drauf bekommt man zwar 6 Superfluxe, aber nur wenn man sie quetscht (also: dicht an dicht montiert). Und dann darf man keinen hohen Strom mehr auf die Leds ballern, wenn gar keine Luft dran kommt, um die Leds zu kühlen.
Von den Raijin habe ich schon mehrfach 12 Stück auf 36 mm verbaut
Wie hast Du das denn geschafft? - 6 Leds auf jeder Seite?
Falo
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Di, 17.05.11, 11:53

stoske hat geschrieben: Die Raijin brauchen definitiv keine Kühlung, nicht bei hohem Strom, nicht bei großer Anzahl, nicht bei
dichter Packweise.
Sry aber das ist einfach nur Blödsinn.

Jede LED schafft derzeit maximal nur ca. 25% der eingesetzten Energie in Licht umzusetzen die restlichen 75 % müssen in Wärme umgesetzt werden und dabei ist das total Egal ob das ne Highpower,SMD oder ne normale 5mm LED ist.
Natürlich gibt es LED's die etwas effektiver sind aber das macht nich so extrem viel aus max. +-5% die mehr/weniger in Wärme umgestezt werden müssen.
Die HighPower-LED brauchen immer Kühlung, auch bei kleinem Strom und schon bei einer einzigen.
Auch das stimmt natürlich nicht ich selber habe schon in 1,50€ Solarlampen die 5mm LED gegen eine Cree XP-E ausgetauscht und natürlich braucht die dann keine Kühlung wenn die eh nur mit 20mA betrieben wird (ist trotzdem rund 3mal so hell wie die Original LED).

Es kommt immer nur darauf an wieviel Elektrische Energie reingeseckt wird dementsprechend muß auch die Wärme abgeführt werden.

mfg
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stoske
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Di, 17.05.11, 12:01

> Sry aber das ist einfach nur Blödsinn.

Das ist nicht geschätzt, gerechnet oder geglaubt, sondern gebaut und gemessen,
also eine rein praktische Erfahrung inkl. Temperaturmessung unter verschiedenen Bedingungen.

> Es kommt immer nur darauf an wieviel Elektrische Energie reingeseckt wird
> dementsprechend muß auch die Wärme abgeführt werden.

Nein. Es kommt nicht nur(!) darauf an wie viel Energie abgeführt werden muss,
sondern auch auf die Fläche die zur Wärmeabführung zur Verfügung steht.
Es macht einen gewaltigen Unterschied ob dies auf einmal(!) 2x2 mm geschieht
oder auf sechsmal(!) 2 x 2 mm die dazu noch räumlich voneinander getrennt sind.
Falo
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Di, 17.05.11, 12:35

stoske hat geschrieben:Das ist nicht geschätzt, gerechnet oder geglaubt, sondern gebaut und gemessen,
also eine rein praktische Erfahrung inkl. Temperaturmessung unter verschiedenen Bedingungen.
Ok dann frage ich mich nur wie die Raijin die reingesteckte Energie vernichtet ?

Ich habe mit den Raijin jetzt keine Erfahrung wohl aber mit Samsung PLCC6 und 6 Pin Superflux die auch nur mit je 60mA betrieben werden und die werden im Cluster enganeinander deutlich warm.

Wobei es da auch entscheident auf die Rahmenbedingungen so bleiben die LED's sher kühl wenn man die Platine zum testen auf den schreibtisch liegen hat und die LED's nach oben zeigen weil dann die Wärme sehr gut über die Luft nahc oben abgeführt werden kann.
Dreht man jetzt die Platine um weil man z.B: in einer Schreibtisch/deckenlampe die LED's nach unten leuchten sollen geht die Temperatur deutlich hoch.

[/quote]Nein. Es kommt nicht nur(!) darauf an wie viel Energie abgeführt werden muss,
sondern auch auf die Fläche die zur Wärmeabführung zur Verfügung steht.
Es macht einen gewaltigen Unterschied ob dies auf einmal(!) 2x2 mm geschieht
oder auf sechsmal(!) 2 x 2 mm die dazu noch räumlich voneinander getrennt sind.[/quote]
Ok da hast du recht es kommt darauf nicht NUR an.

Natürlich muß man bei HP LED erstmal dafür sorgen das die Wärme von den LED-Chip abtansportiert werden muß.
Aber danach hat man bei allen LED's die selben Probleme die Wärme abzutransportieren damit es keinen Wärmestau gibt und das wird bei diesen Miniraum von 27*13mm und als Wand dann noch Kunststoff das eigentlich Problem.

mfg
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Di, 17.05.11, 13:49

High-Power-LEDs lassen sich 'unterstromig' betreiben und sind dabei höchst effizient:
http://www.candlepowerforums.com/vb/sho ... ost3115908

Hier sieht man, dass eine XP-G R5 bei 50...100mA die höchste Effizienz hat mit fast 160 lm/W
und die Wärmeabgabe hierbei überproportional niedrig ist, weil sehr viel Input in Licht gewandelt wird.

Ich habe mal versuchsweise einen nackten Emitter XR-E Q5 bestromt und bei 80...100mA war das
Teil nur fühlbar warm, etwa 40°C. Und die Lichtabgabe war bereits sehr bemerkenswert.

Wenn man also wenig oder keine Kühlmöglichkeit hat und/oder das Gewicht spielt eine Rolle und der
Preis ist weniger entscheidend, würde ich eine Lösung mit unterbestromten HP-LEDs in Betracht ziehen.

In vorliegenden Fall sollten 2 Stck XP-G R5 @ 100mA rd. 87lm bringen und kaum Wärme abgeben.
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stoske
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Di, 17.05.11, 13:51

Hi Falo,

> Ok dann frage ich mich nur wie die Raijin die reingesteckte Energie vernichtet ?

die Energie wird in Licht und Wärme gewandelt, aber es ist deutlicher weniger
Wärme abzuführen, da die Energie auf mehrere LED verteilt wird. Ein Kochplatte mit
100 Watt kann Wasser zum Kochen bringen, aber auf sechs Platten verteilt sind es
nur noch 16 Watt, was die Platte gerade mal warm werden lässt. Ausserdem ist
die Effizienz höher, es wird also auch weniger Energie in Wärme gewandelt.
Eine Raijin weiß mit 50 mA betrieben hat nur 155 mW zur Folge, die kann man locker
über die Beinchen und die Umgebungsluft abführen. Bei sechs kommen nur 933 mW
zustande, was bei 120 Lumen knapp 130 lm/W sind. Verteilt auf über 4 qcm ist das
quasi nix. Eine HP LED die nur 60-70 lm/W schafft, hat auch doppelt soviel Wärme
abzuführen, aber ohne mehr Licht zu liefern, das aber über eine Fläche von wenigen qmm.

> Wobei es da auch entscheident auf die Rahmenbedingungen...

Auch dieses Verhalten ändert sich massiv. Zwischen 80 und 85 Grad ist der Unterschied
für eine LED sehr groß, zwischen 30 und 35 quasi nebensächlich. Besagter 12er Cluster
auf 36 mm Durchmesser kommt bei 25 Grad Umgebung auf knappe 40 Grad. Über dem
Herd, in einer Umgebungsluft von fast 40 Grad, nach unten leuchtend, ändert sich an
der Temperatur der LED fast nichts. Der Strom steigt von 50 mA auf 51.8 mA und
stabilisiert sich nach rund 25 Minuten dort. Bei HP-LED kann das schon sehr heikel
werden, bei den Raijin ist das gänzlich zu vernachlässigen.

> Ok da hast du recht es kommt darauf nicht NUR an.
Die Fläche ist sogar maßgeblich, denn sie wächst exponentiell. Und auch der Effekt
der räumlichen Trennung durch mehrere Gehäuse ergibt keine Prozente, sondern Faktoren.

> Aber danach hat man bei allen LED's die selben Probleme die Wärme abzutransportieren
> damit es keinen Wärmestau gibt und das wird bei diesen Miniraum von 27*13mm und als
> Wand dann noch Kunststoff das eigentlich Problem.

Bei 30-35 Grad muss man nichts "abführen", und auch zum "stauen" reicht das nicht.
Meine 12er auf 36 mm habe ich sogar dicht mit einer Glasscheibe verklebt, ein Effekt
auf die Temperatur war nicht messbar.
kasorp
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Di, 17.05.11, 13:58

Hallo zusammen,

schon einmal vielen Dank für die vielen Ideen und Ansätze und die spannende Diskussion!
Ich habe mal ein Bild des Teils zur Verdeutlichung angehängt (schon älter, damals noch mit 5mm-Nichia kaltweiß umgesetzt). Hinter der Platine ist jede Menge Luft, noch dazu steckt das Ganze auf einem Alurohr. Das Teil ganz rechts im Bild (hinter der Trennaht) ist auch schon aus Alu. Es ist also nicht so, dass das noch irgendwo abgeschlossen verbaut ist oder so. Nur die unmittelbare Umgebung ist das Problem.

Bild
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stoske
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Di, 17.05.11, 14:03

> High-Power-LEDs lassen sich 'unterstromig' betreiben und sind dabei höchst effizient:

Na, das ist doch mal ein Argument, das ich vorbehaltlos akzeptieren kann.
Mit den Raijin kommt man nämlich höchstens auf 140 lm/W. Bei 70 Stück wäre
dann nur noch ein Kostenvergleich angebracht.


> Nur die unmittelbare Umgebung ist das Problem.

Das sieht doch gut aus. Solange das ganze Konstrukt nicht in einem Ofen betrieben
wird, ist das kein Problem. Da kannst du prima 6 LP-LED oder 2 unterbestromte
HP-LED einbauen ohne dir über die Temperatur Gedanken machen zu müssen.
(Wie peinlich: Das mit den unterbestromten HP-LED stand schon im ersten Beitrag :)

@Achim:

Sorry, deinen Text hatte ich doch glatt übersehen...

> Lies mal die Bedingungen. Dort steht was von einem maximalen Durchmesser von
> 27 mm (nicht 36mm).

Meine(!) haben 36 mm mit 12 LED. Dann werden auch 6 auf 27 mm passen.

> Und dann darf man keinen hohen Strom mehr auf die Leds ballern,
> wenn gar keine Luft dran kommt, um die Leds zu kühlen.

Wie gesagt, x-fach gemessen, kein Problem. Auch nicht bei hohem Strom (bis 70 mA),
auch nicht bei luftdichter Verpackung.

> Wie hast Du das denn geschafft? - 6 Leds auf jeder Seite?

So...

Bild

... nur die Widerstände sind auf der Rückseite. Platinen habe ich dafür aber nicht
angefertigt. Das hier gezeigte Bild wird auf selbstklebendem Papier ausgedruckt,
auf 2 mm starkes Balsaholz(!) geklebt und mit dem Skalpell ausgeschnitten. Die LED
lassen sich da einfach rein drücken. Verlöten, fertig, 30 Min. Arbeit pro Stück.
jkunz
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Sa, 21.05.11, 20:59

Alurohr ist doch schon mal gut. Bau irgendwas um die Abwärme einer einzelnen High-Power LED in das Alurohr abzuleiten. Ein Alustab wird vermutlich reichen. Zur Not mittels Wärmerohr... Wenn 100 lm reichen wäre das eine Cree XP-G mit 350 mA, was gut 1 W macht. Das ist noch nicht so wild. Oder bau die LED in das Alurohr um das als Kühlkörper nutzen zu können und führe das Licht mit einem Lichtleiter (Plexiglasstab) heraus.

Bezugnehmend auf das Bild noch ne Variante: Bau die XP-G in das Alurohr ein, lass sie mit 1 A laufen. Achte auf gute Wärmeleitung vom LED-Stern zum Alurohr. Das Y-Stück aus Kunststoff machst du innen komplett leer und pinselst es innen mit weißer Farbe. Dann dürften immer noch gut 100 lm an jedem der beiden Plexiglasstäbe ankommen.
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Mi, 25.05.11, 08:17

Ohne den Thread ganz gelesen zu haben (Zeitmangel) noch ein allgemeiner Hinweis zu High-power-LEDs:

- 100 lm sind heutzutage *NIX* für eine Power-LED
- Der Wirkungsgrad ist bei vielen kleinen LEDs (z.B.) Superflux Rajin) oder einer High-Power-LED (z.B. XP-G oder XM-L) sehr ähnlich
- ABER (und das ist hier entscheidend): High-Power-LEDs sind von der mechanischen Seite her und auch von der Temperaturbelastbarkeit des verbauten Chips her immer erheblich robuster als low-Power LEDs

Eine Cree XR-E z.B. ist bei 130°C @ 700 mA mit L70 Lifetime angegeben, eine XM-L darf gar 150°C erreichen (beide Chiptemperatur!)

Und um 100 lm zu erreichen ist dann nur ca. 1W abzuführen (100 lm/W sind für eine XM-L @ 1 Watt gar kein Problem) und damit reicht wirklich minimal Kühlung! Auch 3 Watt kannst Du IMHO problemlos auch durch Dein Plastikrohr abführen, wenn die Wärme im Innern über Metall auf 3-10 cm Länge verteilt wird.
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