LED-Beleuchtung ist ausgefallen => Fehlersuche

[pschuett]

Hallo,

ich habe mir mittels

Trafo (KSQ) :
Mouser-Nr.: 709-HLG120H-C500B
Herst.- Nr.: HLG-120H-C500B
Beschr.: LED-Stromversorgung 150W 500mA 150-300V CC IP67 Dimming

folgenden LEDs
3 65814 Nichia Chip on Board Modul NSBLL121A 2310lm warmweiß 15,90 € 19% 47,70 €
4 65813 Nichia Chip on Board Modul NSBWL121A 2520lm weiß 15,90 € 19% 63,60 €

und diesen Kühlkörpern
https://www.*********/de/High-Power-Z ... 6_114.html

eine Aquariumbeleuchtung (für 560l) gebaut, die 4,5 Monate problemlos lief und so ein geiles Pflanzenwachstum hatte ich noch nie.
Die LEDs sind natürlich in Reihe geschaltet.

Nun ist aber seit gestern leuchtet nichts mehr, wobei heute morgen es noch einmal kurz geflackert hat.

Wie finde ich jetzt heraus, was kaputt ist? (Welche LED, vielleicht die KSQ?)

Und woran könnte das liegen? War es vielleicht ein Hitzetod (der Kühlkörper wurde bis zu 90° warm, was aber nach meinem Verständnis noch der Spezifikation der LEDs entspricht)?

Danke für alle Hinweise und Tips.

Ciao
Peter Schütt

[Achim H]

Willkommen im Forum.

War es vielleicht ein Hitzetod (der Kühlkörper wurde bis zu 90° warm, was aber nach meinem Verständnis noch der Spezifikation der LEDs entspricht)?

Es ist durchaus denkbar, dass Du die Leds bereits gegrillt hast.

Der Kühlkörper hat einen Wärmewiderstand von 1,7K/W.
Die Led hat einen inneren Wärmewiderstand von typ. 1,4K/W; max. 1,7K/W (siehe Datenblatt auf Seite 2).

Bei 500mA beträgt die Vorwärtsspannung ca. 32,5V (siehe Datenblatt auf Seite 13).
32,5V x 0,5A = 16,25W

Kühlkörper + innerer Wärmewiderstand:
1,7K/W + 1,4K/W = 3,1K/W
1,7K/W + 1,7K/W = 3,4K/W

Umgerechnet in eine Temperatur:
16,25W x 3,1K/W = 50,375K --> 50,375°C
16,25W x 3,4K/W = 55,25K --> 55,25°C

Noch nicht berücksichtigt: Wärmeleitpaste, Wärmeleitkleber oder wärmeleitende Klebepads.

Rechnet man hier noch die 90°C des Kühlkörper drauf, wärst Du bei ca. 140-145°C.
Die Leds dürfen beide max. 130°C heiß werden (siehe Datenblatt auf Seite 2). Da bist Du drüber.

[pschuett]

Hallo,
vielen Dank für die schnelle Antwort.

Nach Herumprobieren habe ich jetzt die kaputte LED identifizieren und überbrücken können und jetzt ist es wieder hell.

Aber anscheinend muss ich das Problem grundsätzlicher lösen.

Als Rückfrage, ob ich Deine Berechnung verstanden habe (in Mathe war ich immer ziemlich gut, aber leider nicht in Physik )

Die Leistungsberechnung habe ich verstanden.

Die Kühlkörperberechnung ist mir noch nicht so klar.

Wenn ich Deine Berechnung richtig verstehe, hast Du von meinen gemessenen 90°C anhand der Wärmewiderstande von Kühlkörper und LED auf die LED-Temperatur zurückgerechnet.

Das wären dann ja immer rund 50-55 K

Sind diese 55 K quasi konstant, so dass ich anhand von Kühlung des Kühlkörpers auch das LED mit kühlen kann?

Ich habe bei fischer elektroniks eine PDF zur Kühlkörperberechnung gefunden:
http://www.fischerelektronik.de/fileadm ... ngen_d.pdf

aber ich könnte sie leider nicht vollständig zu meinen Bauteilen zuordnen:

Maximale Sperrschichttemperatur in °C (Herstellerangabe) des Halbleiters.
Was ist das? Sind das die 130°C für meine LEDs?

Und was ich auch nicht verstehe: Ist es besser, wenn der Wärmewiderstand des Kühlkörpers kleiner oder größer ist? Ich tippe auf kleiner, weil damit dann doch mehr Wärme abtransportiert wird, oder?

Könnte ich eigentlich die Kühlung verbessern, wenn ich einen zweiten Kühlkörper gleicher Art auf den ersten aufklebe? Und wie berechne ich so eine Verbesserung?

Danke für alle Hinweise.

Ciao
Peter Schütt

[pschuett]

Hallo,
mir ist da noch etwas eingefallen.

Meine KSQ ist ja dimmbar und damit könnte ich den Strom etwas reduzieren und so auch auch die Temperatur senken.

Aber wie geht das?
Kann mir jemand ein paar Links posten, wie man sich günstig eine manuelle Dimmlösung für die im OP genannte Konfiguration erstellt?

Danke für alle Hinweise und Tips.

Ciao
Peter Schütt

[Achim H]

Wenn ich Deine Berechnung richtig verstehe, hast Du von meinen gemessenen 90°C anhand der Wärmewiderstande von Kühlkörper und LED auf die LED-Temperatur zurückgerechnet.

Nein. Von dort aus hochgerechnet.

Das wären dann ja immer rund 50-55 K

Sind diese 55 K quasi konstant, so dass ich anhand von Kühlung des Kühlkörpers auch das LED mit kühlen kann?

Nein, sind nicht konstant. Die 55K sind auch abhängig von der Kühlleistung des Kühlkörper. Je niedriger sein Wert, desto niedriger der Wert insgesamt.

Ebenfalls noch nicht berücksichtigt wurde der negative Temperaturkoeffizient der Led. Je höher die Temperatur, desto niedriger die Vorwärtsspannung (sind nur wenige mV pro °C), desto niedriger die Leistung. Wenn man sich den Graphen Ambient Temperature vs. Vorward Voltage auf Seite 14 im Datenblatt anschaut, beträgt der Unterschied von 587mA (bei der die Led vermessen wurde) zu 500mA nur ca. 0,2V. Hochgerechnet auf eine Leistung resp. auf den Wärmewiderstand sind das nur ca. 3,5°C, die die Led weniger heiß würde. Das macht den Braten auch nicht mehr fett und kann daher vernachlässigt werden.

Maximale Sperrschichttemperatur in °C (Herstellerangabe) des Halbleiters.
Was ist das? Sind das die 130°C für meine LEDs?

Ja.

Wenn man die max. Sperrschichttemperatur (Junction Temperature = Tj) mit 100K (100°C, siehe hierzu auch den Graphen auf Seite 14) und die max. Kühlkörpertemperatur mit 70K (70°C) ansetzt, bräuchtest Du einen Kühlkörper mit einen max. Wärmewiderstand [K/W] von

Spannung x Strom = Leistung
32,5V x 0,5A = 16,25W

Leistung x inneren Wärmewiderstand der Led
16,25W x 1,4K/W = 22,75K

Max. Temperatur der Led - leistungsabhängige Temperatur der Led (Ergebnis der vorherigen Rechnung)
100K - 22,75K = 77,25K

Dieses Ergebnis / max. Kühlkörpertemperatur
77,25K / 70K = 1,1

Könnte ich eigentlich die Kühlung verbessern, wenn ich einen zweiten Kühlkörper gleicher Art auf den ersten aufklebe? Und wie berechne ich so eine Verbesserung?

Man könnte zwar 2 gleiche Kühlkörper übereinander kleben, das kann man aber nicht mehr richtig berechnen, da der Wärmewiderstand des Wärmeleitkleber nicht bekannt ist. Dieser ist schlechter als Alu und reißt die Rechnung wieder in den Keller. Die Kühlleistung eines 100mm langen Kühlkörper kannst Du aus dem Graphen ablesen, der für den LT1595 (im anderen Shop) hinterlegt ist. Dieser beträgt ca. 1,3K/W und wäre damit noch immer zu hoch. Du brauchst einen Kühlkörper mit max. 1,1K/W. Diesen Wert würdest Du erst mit einem 200mm langen Kühlkörper erreichen (nicht 4 Stücke a 50mm zusammengeklebt, sondern aus einem Stück).

Im Prinzip müsstest Du einen anderen Kühlkörper haben.
Zum Beispiel den PR169 (von Alutronic) als 1m langes Profil --> reicht für 10 Leds.
Baugleich: SK85 von Fischer Elektronik.
Dieser hat einen Wärmewiderstand von 0,7K/W je 100mm Länge. Aufgrund der Ausrichtung (Kühlrippen nach oben) beträgt der Wirkungsgrad nur 70%. Dadurch verschlechtert sich die Kühlleistung auf 1K/W. Dieser Wert ist kleiner als die ausgerechneten 1,1K/W.

[Borax]

der Kühlkörper wurde bis zu 90° warm, was aber nach meinem Verständnis noch der Spezifikation der LEDs entspricht

Faustregel: Wenn man den Kühlkörper noch (dauerhaft) anfassen kann, geht es den LEDs auch gut. Wenn man sich die Finger verbrennt (bei 90° ist das ziemlich sicher) dann 'verbrennen' auch die LEDs. Man kann die Sperrschichttemperatur auch (indirekt) genau messen. Ist aber nicht ganz trivial: viewtopic.php?f=31&t=12079

[oscar]

Hi,

wenn der angegebene Kühlkörper tatsächlich einen Rth von 1,7K/W hat, fresse ich einen Besen.
Bei 16W LED-Leistung kommen bei einer warmweißen LED ca. 13W Wärmeleistung zustande. Bei 1,7K/W dürfte sich der Kühlkörper um max. 1,7K/W * 13W = 22,1K über Umgebungstemperatur erwärmen, sofern freie Konvektion herrscht, also ca. 45°C warm werden. Die Kühlkörper sind doch hoffentlich nicht in einem Leuchtenkasten eingesperrt.

Da der Kühlkörper aber eher 90°C heiß wird, kann mit ihm etwas nicht stimen. Entweder ist er eingesperrt oder sein Rth liegt bei über 4K/W.
Sehe ich mir z.B. einen MechaTronix ModuLED Nano 7050 an, ist dieser mit 70mm Durchmesser bei selber Höhe größer, weist bei 15W aber einen Rth von 2,4K/W auf (Datenblatt ganz unten). Genau diesen Kühlkörper betreibe ich u.a. an 16W COB-Modulen (Bridgelux Vero 13 @500mA). Er erwärmt sich auf knapp 60°C.

Grüße, Markus

[Achim H]

Bei 1,7K/W dürfte sich der Kühlkörper um max. 1,7K/W * 13W = 22,1K über Umgebungstemperatur erwärmen

Und wo am Kühlkörper sind Anode und Kathode?
Du hast die Led vergessen. Diese hat typ. 1,4K/W (max. 1,7K/W).

Wenn man vom max. möglichen Wärmewiderstand (1,7K/W) ausgeht, dann haben KK + Led zusammen 3,4K/W.
3,4K/W x 16W x 0,7 = ca. 38K

Wenn der KK ca. 90°C warm wird, dann beträgt die Umgebungstemperatur: 90°C - 38°C = 52°C
Entweder steht das AQ auf dem Dachboden oder der KK befindet sich tatsächlich unterhalb einer Abdeckung. Für eine Raumtemperatur wäre diese viel zu hoch.

wenn der angegebene Kühlkörper tatsächlich einen Rth von 1,7K/W hat, fresse ich einen Besen.

Dann schau Dir mal den SK577 von Fischer E. an

Wie hättest Du den Besen denn gerne? Mit Stiel oder die kurze Form (Handfeger), dann aber mit Kehrschüppe?

[Falko87]

Dann schau Dir mal den SK577 von Fischer E. an

Der ist allerdings schwarz Eloxiert, und es steht nicht dabei, bei welcher Temperatur der Wärmewiderstand ermittelt wurde. Je wärmer der Kühlkörper desto höher die Konvektion desto kleiner der Wärmewiderstand...

[oscar]

Hallo Achim,

Bei 1,7K/W dürfte sich der Kühlkörper um max. 1,7K/W * 13W = 22,1K über Umgebungstemperatur erwärmen

Und wo am Kühlkörper sind Anode und Kathode?
Du hast die Led vergessen. Diese hat typ. 1,4K/W (max. 1,7K/W).

nein, hab' ich nicht. Aber Du hast da was nicht verstanden.
Der Kühlkörperhersteller montiert keine LED auf seinem Kühlkörper, um dessen Wärmewiderstand zu ermitteln. Der nimmt ein Heizelement. Er gibt den Wärmewiderstand gegenüber Umgebungsluft an.
Die Temperaturerhöhung in Kelvin pro Watt eines Kühlkörpers ist nicht abhängig von irgendwelchen Wärmewiderständen von darauf montierten Bauteilen sondern allein vom Wärmeeintrag in Watt. Und der ist nicht abhängig von Wärmewiderständen in der LED oder von der LED zum Kühlkörper.

Der Wärmewiderstand der LED wird erst dann wichtig, wenn ermittelt werden soll, wie stark sich der Kühlkörper maximal erwärmen darf, damit die LED nicht überhitzt. Hierbei spielt nur das Temperaturgefälle zwischen Kühlkörper und LED eine Rolle, das maßgeblich davon bestimmt wird, wie schnell die LED fähig ist, ihre Abwärme loszuwerden. Ist ihr Wärmewiderstand Rj höher, braucht es einen größeren Kühlkörper, da mit ihm das Temperaturgefälle größer ausfällt. Bei größerem Temperaturgefälle strömt Wärme schneller ab.
Einer LED mit geringerem Rj genügt ein kleinerer Kühlkörper. Der wird zwar zwangsläufig wärmer, schadet der LED aber in keinster Weise, da sie ja ihre Wärme schneller los wird. Ihre Sperrschichttemperatur kann durchaus dieselbe sein wie die einer LED mit identischer Verlustleistung, höherem Rj und größerem Kühlkörper.

wenn der angegebene Kühlkörper tatsächlich einen Rth von 1,7K/W hat, fresse ich einen Besen.

Dann schau Dir mal den SK577 von Fischer E. an

Falko87 hegt auch Zweifel an den Angaben von Fischer. Ich vermute, Fischer gibt den Rth bei einer Temperatur von 150°C an, die max. Sperrschichttemperatur vieler Bauelemente.

Grüße, Markus

[Achim H]

Ich vermute, Fischer gibt den Rth bei einer Temperatur von 150°C an, die max. Sperrschichttemperatur vieler Bauelemente.

Selbstverständlich.
Das machen andere übrigens auch, zum Beispiel Alutronic mit seinem Kühlkörperrechner.

[Zitat von Seite 27 des Kataloges kuehlkoerper.pdf von Fischer Elektronik (344 Seiten, deutsch, 22.75 MB)]:
ϑi = Maximale Sperrschichttemperatur in °C (Herstellerangabe) des Halbleiters.
Aus Sicherheitsgründen sollte hierbei ein Abschlag von 20 - 30 °C in Anwendung kommen.

ϑu = Umgebungstemperatur in °C. Die Temperaturerhöhung durch die Strahlungswärme des Kühlkörpers sollte mit einem
Zuschlag von 10 - 30 °C berücksichtigt werden.

Δϑ = Differenz zwischen maximaler Sperrschichttemperatur und Umgebungstemperatur.
[Ende des Zitat]

Allerdings rechnet Fischer E. auch mit 100% Verlustleistung.
Wir hingegen rechnen mit 70% Verlustleistung + 30% Licht.

Peter Schütt hat aber noch keine Angaben geliefert, wie seine Kühlkörper verbaut wurden (freie Konvektion oder unter einer Abdeckung).
Ein Bild der Einbausituation wäre nicht schlecht.

[Loong]

'N Abend…

[Selbstverständlich.
Das machen andere übrigens auch, zum Beispiel Alutronic mit seinem Kühlkörperrechner.

Fischer und Alutronic haben einige gleiche Kuehlprofile im Angebot, Alutronic gibt aber regelmaessig hoehere Waermewiderstaende an als Fischer.

Die Angaben von Fischer sind meiner Meinung nach oft zu optimistisch.

[oscar]

Hallo Achim,

Allerdings rechnet Fischer E. auch mit 100% Verlustleistung.

wo steht das denn? In dem Katalog ist immer wieder nur von Verlustleistung die Rede.
Nur mit
"P = Die am zu kühlenden Halbleiter maximal anfallende Leistung in Watt."
verwendet Fischer den Begriff Leistung allein.
Fischer wäre mit derart ermittelten Wärmewiderständen schon längst vom Markt verschwunden, da ihre Kühlkörper viel zu groß ausfallen würden. Endstufen können 90% Wirkungsgrad erreichen.

Falko87 hat aber noch keine Angaben geliefert, wie seine Kühlkörper verbaut wurden (freie Konvektion oder unter einer Abdeckung).
Ein Bild der Einbausituation wäre nicht schlecht.

Das war Peter Schütt.

Grüße, Markus

[Achim H]

Hallo Achim,

Allerdings rechnet Fischer E. auch mit 100% Verlustleistung.

wo steht das denn? In dem Katalog ist immer wieder nur von Verlustleistung die Rede.
Nur mit
"P = Die am zu kühlenden Halbleiter maximal anfallende Leistung in Watt."
verwendet Fischer den Begriff Leistung allein.

Das sieht man an deren Beispielen (ab Seite 28).
Fischer verwendet Beispiele mit Transistoren und solche geben kein Licht ab.

Falko87 hat aber noch keine Angaben geliefert, wie seine Kühlkörper verbaut wurden (freie Konvektion oder unter einer Abdeckung).
Ein Bild der Einbausituation wäre nicht schlecht.

Das war Peter Schütt.

Sorry.
Name im obigen Beitrag geändert.

[oscar]

Hallo Achim,

Das sieht man an deren Beispielen (ab Seite 28).
Fischer verwendet Beispiele mit Transistoren und solche geben kein Licht ab.

ein Spaßvogel Du bist. Erst behauptest Du, Fischer rechnet mit 100% Verlusleistung, Du dagegen mit 70%. Damit suggerierst Du, Fischer würde mit der Gesamtleistung rechnen. Steht dort aber nirgends, im Gegenteil: überall sonst steht Verlustleistung. Hatte ich erwähnt.
Und jetzt schreibst Du diesen Schmarrn, der zu Deinen vorherigen Aussagen überhaupt nicht paßt.
Vielleicht mal Hirn einschalten, im Kontext verstehen und nicht stumpf ablesen, was da steht.
Fischer gibt in den Beispielen Leistungstransistoren an. Die erreichen Effizienzen weit weit jenseits von LEDs. Hab ich bereits geschrieben. Ignorierst Du aber ebenso.
Jeder in seinem Universum.

Grüße, Markus

[Achim H]

Erst behauptest Du, Fischer rechnet mit 100% Verlusleistung, Du dagegen mit 70%. Damit suggerierst Du, Fischer würde mit der Gesamtleistung rechnen.

Was hast Du an der Beispielrechnung Nr. 1 nicht verstanden?

Angegeben ist ein Leistungstransistor mit 60 Watt. In der Rechnung werden die 60 Watt ohne Abzüge eingebracht. 60 Watt von 60 Watt = 100%.

Wie effizient das Dingens ist, ist gänzlich uninteressant. Es geht nur um die Leistung, die weggekühlt werden muss.

[oscar]

Hallo Achim,

vergiss es, Du bist mir zu uneinsichtig.

Grüße, Markus

[Achim H]

Du bist mir zu uneinsichtig.

Ich bin nicht uneinsichtig, ich denke nur anders.
Bei 100% Verlustleistung ist der Wirkungsgrad = 0 (Null).

Bevor die Unsitte mit 30% Licht und 70% Wärme bei Leds hier ins Forum kam, habe ich auch diese stets mit 100% Verlustleistung berechnet.
Guckstu (zum Beispiel): viewtopic.php?f=34&t=9521&p=120820#p120521

Und daran ist absolut nichts falsch.
Wenn der Kühlkörper deutlich besser als erforderlich ist, ist auch die Temperatur des montierten Bauteiles bzw. die max. Temperatur des Kühlkörper niedriger.