LED Array mit 21 Luxeon Rebel kühlen

[Smufi]

Hallo,
lese mir schon seit ein paar Tagen immer wieder Themen hier auf Eurem Forum durch.

Jetzt hätte ich auch mal ne Frage.

Und zwar möchte ich gerne auf einer Fläche von 40x40mm ein LED Array (jedenfalls sowas ähnliches) aufbauen. Ausgewählt habe ich mit die Luxeon Rebel - cool white.
Es sollen 21 LEDs auf der Fläche positioniert werden und bei 700mA betrieben werden.
Ich hätte also circa einen Leistungsverlust inform von Wärme von 50W

Problem hierbei wird nun die Kühlung sein. Denn die LEDs sitzen ja recht nahe nebeneinander. Vor allem die mittleren werden mehr Wärme abbekommen, weil sie ja von ihren "Nachbarn" beeinflußt werden.
Würde in diesem Fall ein Kühlörper überhaupt helfen oder sind andere Kühlmethoden anzudenken?

Hoffe ich konnte mein Problem darstellen.
Danke

MfG
Smufi

[Andy]

Hallo,
ich würde dir dafür einen alten CPU Kühler vorschlagen, die sind in etwa in der Größe, die du dafür benötigst.
Da dieser aber wahrscheinlich alleine nicht so ganz ausreichen wird und zudem noch aus vorsichtsmaßnahmen, würde ich da denn noch einen kleinen Lüfter zur zusätzlichen Kühlung anbringen, sofern der Platz dafür da ist, kommt immer drauf an, wo das Array dann eingesetzt werden soll.

[Smufi]

Platz sollte dafür schon sein.

Wie ist es mit der Verteilung der LEDs?
Die Äußeren haben ja nach außen hin direkt Umgebungstemperatur. Die in der Mitte haben ja zu ihren Rändern hin die Temperatur der LEDs von nebenan?

Wie heiß wird denn sowas ungefähr (ganz grob geschätzt?)

[montagsfrei]

Sauheiß !!!
lüfter
und
kühlkörper
nicht zu
klein
dimensionieren.

[John.S]

Ein AMD Sockel A Lüfter bis 3000Mhz wird die Locker wegkühlen.
Ich habe schon 21 Stück Cree XR-E P4 beim selben Strom auf so einem Kühlkörper betrieben und es funktionierte problemlos,der Lüfter musste sogar nur auf einem Bruchteil der Nennleistung laufen um den Kühlkörper auf 28°C halten zu könnnen.

Wenn man nachrechnet komtm man auf ungefähr 12,6W Lichtleistung und 48,3W Leistugnsaufnahme.
Bleiben also 35,7W Wärme,das schafft jeder drittklassige CPU Kühler mit Links. :

[montagsfrei]

@john
erklär mal wie man das ausrechnet bzw. haste nen link dazu?

[John.S]

300 Lumen sind bei dem kaltweißem Spektrum mit einem CRI=70 wie die Luxeon ihn hat 1W Lichtleistung.

Quelle: Candlepowerforums.com

Wenn man das mit dem Sonnenlicht vergleicht,bzw dem Spektrum der Sonne, welches ein sehr ausgewogen ist und 200lm=1W sind,dann kommt das auch sogar sehr gut hin.

[Smufi]

Habt Ihr zufällig ne ungefähre Grad-Zahl für mich, wie heiß das ohne Kühlkörper werden würde?

Bzw. wie heiß ein Kühlkörper ohne Lüfter werden würde (ok, ist recht schwer zu sagen, weil ja die Größe nicht gerade unrelevant ist. Aber so pi mal Daumen gehts ja vielleicht doch)

[montagsfrei]

könnte vielleicht
einer der Profis
hier im forum
mal ein Tutorial
zum thema kühlung
verfassen? währe
echt hilfreich...

[luckylu1]

ich hab das doch schon x-mal vorgerechnet, in diesem fall würde ich sicherheitshalber die von der led
als licht abgestrahlte leistung vernachlässigen und mit 50W rechnen. dann ergibt sich folgendes:
maximale sperrschichttemperatur rebel (datenblatt) 150°C, für gelb rot und amber 135°C
maximale umgebungstemperatur offen 35°C
geschlossenes gehäuse 45°C
innerer wärmewiderstand 10K/W , bei rot ,gelb oder amber 12K/W
thermischer übergangswiderstand ~0,1K/W

die berechnung kann mit der von widerständen im elektrischen stromkreis verglichen werden und sollte verstanden sein.
sind alle leds thermisch parallel geschaltet, kann bei gleichen leds der einzelwärmewiderstand durch die anzahl der leds geteilt werden, in diesem fall 10K/W : 21leds = 0,477K/W, sollte auch nur eine rote gelbe oder amber led dabei sein, kann zur vereinfachung einfach der grössere wert verwendet werden 12K/W : 21leds = 0,572K/W
bei der maximalen sperrschichttemperatur ist jeweils der kleinste wert der leds zu verwenden,
bei 21 weissen rechnet man mit den 150°C, ist nor eine rote, gelbe oder amber dabei, eben mit 135°C.
die thermischen übergangswiderstände liegen auch alle parallel, dieser könnte also auch durch die anzahl der leds geteilt werden. 0,1K/W :21leds = 0,005K/W, gerundet wird immer aus gründen der sicherheit nach oben!
da die thermischen widerstände insgesamt in reihe liegen (die wärme muss ja durch alle teile nacheinander hindurch), können diese addiert werden, das ergibt bei 21 weissen leds dann 0,477/W + 0,005K/W = 0,482K/W.
das weitere lässt sich verschieden rechnen, das ergebnis sollte aber immer das gleiche sein.
man ermittelt als weiteres die minimale differenztemperatur, ich mache das, mal für ein offenes system. 150°C - 35°C = 115K (für differenzen wird immer kelvin verwendet). um den wärmewiderstand (über alles) zu ermitteln, muss dieser wert durch die leistung dividiert werden,
115K : 50W = 2,3K/W hiervon muss der feststehende teil unserer anordnung abgezogen werden.
2,3K/W - 0,482K/W = 1,818K/W dieser wert darf bei der bemessung keinesfalls überschritten werden!!! da es sich um einen absoluten minimalwert handelt, wäre ein kühkkörper mit 1,75K/W
oder geringer zu empfehlen. da die für cpu´s verwendeten, mit lüfter betriebenen kühler meist
einen wert von 0,5K/W oder besser haben, ist johns aussage absolut zutreffend. wie gross der kühler ohne lüfter sein müsste, ermittelst du am besten durch vergleich beim grossen C oder einem anderen anbieter, 1,75K/W ist schon ein recht massives teil! ein 5mm dickes alublech müsste schon etwa 28cm x 28cm (nomogramm) gross sein. die maximale temperatur des kühlers
lässt sich recht leicht ausrechnen, die temperaturerhöhung bestimmst du mit 0,482K/W x 50W zu
24,1K, dazu musst du noch die maximale umgebungstemperatur addieren, damit kommst du auf
24,1K + 35°C = 59,1°C
für die praktiker unter euch, da die bestimmung des wärmewiderstands von vielen faktoren abhängig ist, ist eine praktische bestimmung des wärmeabgabewertes des meist vorhandenen kühlkörpers möglich und seine eignung dadurch bestimmbar. benötigt wird ein temperaturmessgerät mit fühler, notfalls kann das ein PTC und ein widerstandsmesser sein, die temperaturkurve lässt sich mit einem reagensglas im wasserbad und einem entsprechendem thermometer aufnehmen.
als wärmequelle wird ein entsprechender widerstand in guter thermischer kopplung auf dem zu messenden kühlkörper befestigt , hier ist auch ein transistor geeignet, es muss allerdings die leistung dieser wärmequelle konstant gehalten werden!!!
nun wird eine messreihe erstellt, nach jeder kühlkörpermessung wird die umgebungswärme gemessen, dabei ist darauf zu achten, das die vergleichsmessung nicht durch beeinflussung durch die wärmequelle verfälscht wird! es wird solange gemessen, bis keine änderung der differenztemperatur mehr feststellbar ist, das kann 10min oder auch 2h dauern, da es stark von den bedingungen abhängt.[img]

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[montagsfrei]

ich hab das doch schon x-mal vorgerechnet...

hey da ist ja ein profi!
vieleicht könntest du ja wirklich son Tutorial verfassen.
irgendwo, wo man immer wieder drauf zurück kommen kann.

[Ragnar Roeck]

Aufgrund von luckylus Beispielrechung habe ich mal eine OpenOffice Calc Tabelle erstellt, die im Anhang als ods (OpenOffice Calc) und xls (für Excel 97/2000/XP, was ich aber nicht habe und daher nicht testen kann) runterzuladen sind.

Obacht, ich habe mir das jetzt nochmal genauer angeschaut und selbst durchgerechnet. In luckylus Berechnung ist ein Fehler bzgl. der Paralleschaltung von thermischen Widerständen.

Die Formel ist 1/RthGM ges. = 1/(RthG1 + RthM1) + 1/(RthG2 + RthM2) + ...

Man nimmt bei gemischtem Aufbau immer den niedrigsten Wert der Sperrschichttemperaturen für alle LEDs an. In alle grünen Felder können Werte eingetragen werden.

- Strom und Spannung müssen dem Datenblatt entnommen werden, aufgrund der nichtlinearen Kennlinie fällt mir dazu jetzt auch nichts besseres ein, im Datenblatt sind die Werte aber für 350mA, 700mA, 1000mA und 1500mA angegeben, was wohl für die meisten Fälle reichen wird, bzw. man muss aus der Datenblattgrafik schätzen.

- Die Verlustleistung gibt man in Prozent ein, geht man davon aus, dass eine LED 15% Wirkungsgrad hat, dann kommen dort 85% rein. (15% z.B. bei royal blauer LED: 1A*3,72V=3,72W und abgestrahlte Leistung = 575mW, entsprechen ca. 15%)
Will man auf Nummer sicher gehen (oder weil man von allen anderen Farben ja leider nur die Lumen kennt...) lässt man das auf 100.

- RthG ist der Wert Thermal Resistance (K2: 9 oder 13 mit Starplatine, 10 bei Rebel) bei weiss bis zu royal blau und 12 bei rot/rot orange/amber. Da ist jetzt ein Infofeld (einfach mit der Maus drübergehen).

- RthM ist der Wärmeübergangswiderstand vom Gehäuse der LED zum Kühlkörper.

Hier ist immer die aktuelle Version verlinkt:
OpenOffice Version V3
Excel Version V3

[montagsfrei]

http://www.mitglied.lycos.de/lisemif/kühlkörper.zip

irgendwie geht das nicht ...

[Ragnar Roeck]

Hm. Bei mir schon. Irgendeine Sicherheitseinstellung Deines Browsers? Oder schneide mal die komplette Adresse aus und gib die dann in die Adresszeile ein.

[montagsfrei]

ich teste mal ie

...

hat geklappt, feuerfuchs hatte keine lust gehabt...

danke.

[montagsfrei]

irgendwie kann mein OO 2.2 das nicht erkennen...

[Ragnar Roeck]

Die .ods aus dem zip geht hier unter OO2.2.0 wunderbar :/ Hast Du Calc (das "OO-Excel") installiert?

[montagsfrei]

jetze is allet schick

[Ragnar Roeck]

Ich habe die Tabelle jetzt nochmal umgearbeitet und Notizen hinzugefügt (sieht man, wenn man mit dem Mauszeiger über der betreffenden Zelle schwebt).

Link in meinem Hauptpost oben.

Der Fehler vorher war, dass die Forensoftware Umlaute nicht mag und den Link danach abtrennt...Ich melde das mal.

[Smufi]

ich hab das doch schon x-mal vorgerechnet,
...
maximale umgebungstemperatur offen 35°C
geschlossenes gehäuse 45°C
...
da es sich um einen absoluten minimalwert handelt, wäre ein kühkkörper mit 1,75K/W
oder geringer zu empfehlen. da die für cpu´s verwendeten, mit lüfter betriebenen kühler meist
einen wert von 0,5K/W oder besser haben, ist johns aussage absolut zutreffend. wie gross der kühler ohne lüfter sein müsste, ermittelst du am besten durch vergleich beim grossen C oder einem anderen anbieter, 1,75K/W ist schon ein recht massives teil! ein 5mm dickes alublech müsste schon etwa 28cm x 28cm (nomogramm) gross sein.
...
[/img]

@luckylu1

danke für den Aufwand. Werd mich wohl mal noch ein bisschen in das Thema einlesen müssen

Aber grundsätzlich hätte ich noch ne Frage. Die Umgebungstemperaturen von Dir sind jetzt nur welche für die Beispielrechnung oder?
Die Rebel könnte ich doch auch bei höheren Temperaturen betreiben.

Und das mit der Aluplatte. Verstehe ich das richtig, dass eine Kühlplatte (nur ein massver Block) 280x280x5 mm groß sein müsste, um ohne Lüfter zu kühlen?
Danke.

Achja, die .zip-Datei ist nichtmehr verfügbar oder? Nur noch das OpenOffice File.
Komme ich noch irgendwie an das Excel-File?

[Ragnar Roeck]

Link in meinem Hauptpost oben.

[Smufi]

Dankeschön,
werds dann gleich mal ausprobieren.

[montagsfrei]

das sind die werte die bei mir rauskommen:

Kühlkörper min. 12,44 K/W
Kühlkörper max. Temp. 59,5 K/W


kann ich den nehmen (quadratische grundfläche) 22,5 mm x 22,5 mm

[Sailor]

Der Kühlkörper hat bei 25 mm Länge etwa 5 K/W.

Damit reicht er für die Kühlung der 3 LED´s gut aus, auch wenn die Wärmeabtragung durch Konvektion bei senkrechter Montage nicht optimal ist.

[Ragnar Roeck]

Die Tabelle sieht übrigens so aus:

Die Werte sind zufällig und haben nichts mit den Thread hier zu tun!