Maximal sicheren Strom fuer mein Thermales Design berechnen

[e-brian]

Hallo,

in einem Projekt moechte ich die:

CREE XP-G R5 auf Star-Platine

einsetzen. Sie wird mit diesem Kuehlkoerper gekuehlt:

Kühlkörper fuer RAM

(8cm2 Oberflaeche, 1.2g Alu, 20K/W)

Ich moechte nun eine KStQ kaufen welche mir den maximal aber auch noch "sicheren" Strom fuer den Betrieb von 4 Jahren erlaubt.

Hierfuer habe ich mir den Graphen auf Seite 5 angeschaut:

Cree XLamp XP-G PDF

Uebringens mit Waermeleitpaste und Kuehler usw. komme ich auf einen Rj-a (Wärmewiderstand) von ~25K/W also die rote Linie.

Wie kann ich nun entscheiden welche KstQ ich brauche, denn ich moechte sie ja 4 Jahre lang mit dafuer maximal, erlaubter Helligkeit betreiben.

Welche max. Chiptemperatur wird mir eine Lebensdauer von 4Jahren erlauben? Sie brennt nicht laenger als 10min am Stueck und 100 Einsaetze im Jahr. Die maximale "Anfangs"-umgebungstemperatur wird bei 20% dieser Einsaetze 45Grad Celsius sein , sonst 25Grad. Die Luftgeschwindigkeit am Kuehlkoerper wird 0.5m/s nicht ueberschreiten.

Ich verwendete bisher Kühlkörperberechnung und das Cree® XLamp® Long-Term Lumen Maintenance.pdf. Dort lese ich dass es ziemlich egal ist Da ist bei Luft 85Grad/1A/150Grad Junction noch >20.000h Lebenszeit angegeben ... was meint Ihr?

Vielen Dank fuer Eure Hilfe,

Brian

[Borax]

Hallo e-brian,
welcome on board!

Welche max. Chiptemperatur wird mir eine Lebensdauer von 4Jahren erlauben? Sie brennt nicht laenger als 10min am Stueck und 100 Einsaetze im Jahr.

Dann reicht es, wenn Du die max. Chiptemperatur einhältst (150°). Ist ja nur einen Betriebsdauer von weniger als 100 Stunden.

Uebringens mit Waermeleitpaste und Kuehler usw. komme ich auf einen Rj-a (Wärmewiderstand) von ~25K/W also die rote Linie.

Mehr. Der Wärmewiderstand einer CREE XP-G R5 auf Star-Platine dürfte um die 10K/W liegen.
Siehe auch: viewtopic.php?f=31&t=12079&start=0
Die 20K/W Angabe beim Kühlkörper beziehen sich auf 'ideale' Bedingungen. Ich würde mal mit 25K/W rechnen.
=> Gesamtwärmewiderstand: 35K/W. Umgebungstemperatur (worst case)=45°C also max. Leistung: 3W
((150° max. Chiptemperatur - 45° Umgebungstemperatur) / 35°C/W Wärmewiderstand)
Bei welchem Strom die 3W erreicht werden hängt aber auch von der Flussspannung der LEDs ab. Weil diese aber recht unterschiedlich ausfallen kann, musst Du das (für genau Deine LEDs) nachmessen. Wahrscheinlich etwa 3.4V bei 900mA.

[e-brian]

Hallo Borax,

danke fuer die Information. Das ist ja eine super tolle Messreihe die du da gemacht hast!

Wenn ich es richtig verstehe bedeuten die 10K/W dass der Chip immer 10K/W waermer sein wird als die Umgebungstemperatur.

Waere es dann nicht negativ noch diesen 25K/W Kuehlkoerper aufzusetzen dann wird der Waermewiderstand ja noch schlechter und der Chip viel waermer?

Ich stehe jetzt vor der Wahl entweder 350mA oder 700mA als Stromquelle zu verwenden ...

Danke und Gruss,

Brian

[Borax]

Wenn ich es richtig verstehe bedeuten die 10K/W dass der Chip immer 10K/W waermer sein wird als die Umgebungstemperatur.

Jain. Der Chip ist immer 10K/W wärmer als der Kühlkörper.

Waere es dann nicht negativ noch diesen 25K/W Kuehlkoerper aufzusetzen dann wird der Waermewiderstand ja noch schlechter und der Chip viel waermer?

Doch diese beiden Werte musst Du zusammenzählen, den ergibt sich der Gesamtwärmewiderstand von LED-Chip bis Luft also Umgebungstemperatur.

Ich stehe jetzt vor der Wahl entweder 350mA oder 700mA als Stromquelle zu verwenden ...

Wie gesagt, wenn es wirklich nur um eine Betriebsdauer von weniger als 100 Stunden geht, spricht (auch worst case) nichts gegen die 700mA.

[e-brian]

Waere es dann nicht negativ noch diesen 25K/W Kuehlkoerper aufzusetzen dann wird der Waermewiderstand ja noch schlechter und der Chip viel waermer?

Doch diese beiden Werte musst Du zusammenzählen, den ergibt sich der Gesamtwärmewiderstand von LED-Chip bis Luft also Umgebungstemperatur.

Wenn ich aber jetzt nur die Platine (10K/W) als Kuehler verwende hab ich doch einen geringeren Gesamtwaermewiderstand?

[Borax]

Was meinst Du mit 'nur die Platine'? Nur die Star-Platine solo? Dann fehlt aber der Wärmewiderstand Star-Platine -> Luft. Und der dürfte wesentlich über 100K/W liegen...
Die 10K/W sind eigentlich ein zusammengefasster Wert aus mehreren Wärmewiderständen:
1. LED-Junction->LED-Lötfläche (ca. 3-4K/W siehe LED-Datenblatt)
2. LED-Lötfläche->Star-Platine-Lötfläche (da ist Lötzinn dazwischen => zu vernachlässigen)
3. Star-Platine-Lötfläche->Star-Platine-Alu (da ist der Isolator dazwischen ca. 5K/W)
4. Star-Platine-Alu->Kühlkörper (da ist normalerweise Wärmeleitpaste dazwischen ca. 1K/W)

[e-brian]

Achso, hoffe mal sehr die Angabe auf dem Kuehlkoerper (20K/W) ist NICHT sowas wie die Isolationswirkung (siehe dein Punkt 3) des Kuehlkoerpers sondern auch der Waermewiderstand Kuehler->Luft ...

Leider konnte ich die Kennlinie meines Kuehlers nicht finden, aber etwas was wohl sehr nahe drann ist - zumindest vom ~Gewicht und den ~Abmessungen:

Dieser kommt bei sehr wenig Konvektion auf ~30K/W - ist schon ziemlich nahe an der Grenze von ~35K/W die ich nicht mit meinem Kuehler ueberschreiten sollte ...

Daten des Kuehlers

[Borax]

hoffe mal sehr die Angabe auf dem Kuehlkoerper (20K/W) ist NICHT sowas wie die Isolationswirkung

Nein. Im Kühlkörper ist ja keine elektrische Isolierschicht dazwischen. Der ist durchgehend aus Aluminium (die Star-Platine dagegen nicht - hier sind Leiterbahnen und Alu-Kern durch eine elektrische Isolierschicht getrennt). Die 20K/W sind der Wärmewiderstand des Kühlkörpers zur Umgebungsluft (wie gesagt meist bei eher idealen Bedingungen gemessen, aber ohne Zwangskonvektion). Wegen vmtl. nicht ganz idealen Bedingungen würde ich mal mit 25K/W rechnen, und dann stimmt die oben angegebene Rechnung wieder: Gesamtwärmewiderstand: 35K/W (10K/W Led-Junction->Kühlkörper + 25K/W Kühlkörper->Luft)

[e-brian]

Ich habe wohl den perfekten Kuehler gefunden (bis 5Watt und 9K/W) und ganze 8.5g Kupfer. Leider mit 2.50Euro ziemlich teuer:

Swiftech MC14 BGA Heatsinks