Osram Oslon Black auf Stern Kühlkörper 85mm

Schaltungen, Widerstände, Spannung, Strom, ...

Moderator: T.Hoffmann

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Fr, 01.07.16, 16:56

Hallo Community,

ich habe mir neulich eine
Osram Oslon Black LED SFH4715S (Datasheet)
gekauft und überlege aktuell wo ich sie auf einen
Stern Kühlkörper, geschwungen 85mm
aufklebe.
Ich möchte mit dieser und meine IR-fähigen Webcam (sperr-filter entfernt) experimentieren.
Deshalb hatte ich auch die Überlegung eventuell später noch weitere LEDs auf dem gleichen Kühlkörper aufzubringen.

Mit Hilfe des Themas 'Grundlagen: Temperaturmanagement' sowie des Datenblattes habe ich nun eine Tabelle gebastelt (im Anhang) um zu sehen ob denn überhaupt mehr als eine LED gehen..
dabei bin ich davon ausgegangen die LEDs mit 700mA zu betreiben (bin mir allerdings unschlüssig ob das für die Effizient bei dieser Led so viel bringt..).
bei meiner Berechnung kam raus das
1LED bei bis zu 70°C Umgebungstemperatur noch Safe wäre..
und zwei LEDs bis zu 30°C Umgebungstemperatur.
habe die Wärmeleitpaste bzw. den Kleber unberücksichtigt gelassen - dafür mit dem Faktor 1,4 für den Kühlkörper gerechnet und die Gesamtleistung der LED als Grundlage genommen.
(damit sollte ich schon einen relativ hohen Sicherheitsaufschlag drin haben?!)
bin mir allerdings nicht sicher ob ich das mit den Multiplen Quellen richtig umgesetzt habe.

Ich freue mich wenn jemand lust hat sich die Tabelle mal anzuschauen und mir Tipps / Verbesserungen & Ideen zu geben :-)

sonnige grüße
stefan

(ich hätte sie auch hier reinkopiert - aber richtige tabellen unterstützt das forum irgendwie nicht - zumindest hab ich nicht gefunden wie)
hier ein preview als bild:
Kuehlkoerperberechnung_HighPowerLED.png
Tabelle als Vorschau Bild
Dateianhänge
Kuehlkoerperberechnung_HighPowerLED.zip
orig. LibreOffice5 Tabelle (in einem Zip weil *.ods nicht erlaubt ist)
(17.13 KiB) 108-mal heruntergeladen
Kuehlkoerperberechnung_HighPowerLED__export.xls
und als Excel kompatibler export
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ustoni
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Fr, 01.07.16, 20:35

Hallo, Light!

Bei der Berechnung hast Du in Zeile 32 bei Verwendung mehrerer LEDs einen entscheidenden Fehler gemacht. Die Leistung je LED ist immer die gleiche, dementsprechend ist auch die Temperaturdifferenz, die durch die Alukernplatine entsteht, bei gleicher Leistung immer die gleiche. Du darfst also nicht die Gesamtleistung zur Berechnung verwenden, sondern nur die Leistung der LED.
Beispiel: Wenn Du 3 LEDs auf den Kühlkörper montierst und diese mit je 1 A bestromst, wird in jeder LED eine Leistung von 2,9 W umgesetzt. Zusammen ergibt das dann eine Leistung von 8,6 W. Jede Alukernplatine muss aber nur die Wärmeleistung einer LED an den Kühlkörper weiterleiten. Folglich ergibt sich die Temperaturdifferenz aus der Leistung einer LED und dem Wärmewiderstand; die drei LEDs sind thermisch parallel geschaltet.

Weitere Anmerkungen: (Korrektur des obigen Fehlers und die folgenden Anmerkungen habe ich in die Tabelle eingearbeitet, die geänderte Tabelle findest Du im Anhang.)

Mir ist nicht ganz klar, wie Du auf die Werte für TS in Zeile 16 gekommen bist. Die Solderpoint-Temperature ergibt sich aus der maximal erlaubten Sperrschichttemperatur, dem Wärmewiderstand der LED und der LED-Leistung und lässt sich damit in Excel leicht berechnen.

Gleiches gilt für die Target TS in Zeile 28. Hier solltest Du eine feste Wunsch-Temperaturdifferenz annehmen und die Target TS anhand der maximalen TS berechnen. In der geänderten Tabelle habe ich 15°C angenommen.

In den Zeilen 32 und 38 hast Du für die Berechnung von ∆T die komplette LED-Leistung verwendet. Das ist nicht nötig, hier kannst Du die tatsächliche Wärmeleistung verwenden. Da Du in Deiner Tabelle ja bereits den elektrischen Wirkungsgrad berechnet hast, kannst Du damit auch die tatsächliche Wärmeleistung berechnen.

Schlussendlich habe ich noch eine Zeile eingefügt (Zeile 42), in der die jeweilige Sperrschichttemperatur bei einer Umgebungstemperatur von 35°C berechnet wird.

Gruß
ustoni
Dateianhänge
Kuehlkoerperberechnung_HighPowerLED__export_2.xls
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Achim H
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Fr, 01.07.16, 20:40

Zuerst einmal ist zur Led kein Rank (CB, DA, DB) angegeben. Die Strahlungsstärke laut Datenblatt ist demnach irgendwas zwischen 320mW/sr und 800mW/sr. Da der Raumwinkel (Steradiant = sr) mit 0,01° angegeben ist, ist die Strahlungsleistung annähernd gleich der Strahlungsstärke:
320mW/sr = 320mW
800mW/sr = 800mW.

Der Kühlkörper sollte niemals heißer als 70°C werden.
Faustformel: wenn Du dir daran die Finger verbrennst, ist es der Led ebenfalls zu heiß.
Die Rechnung bis zur Chiptemperatur kannst Du dir damit sparen. Da ist immer genügend Luft, damit die Led lange leben (überleben) wird.

Der geschwungene Kühlkörper mit Ø85mm hat einen Wärmewiderstand von 3,5K/W, wenn dieser frei in der Luft hängt. Wird eine Seite an eine Wand oder Decke montiert verschlechtert sich seine Kühlleistung. Ich nehme mal an, dass dafür Dein Korrekturfaktor von 1,4 herhalten soll.

Unter Berücksichtigung einer Raumtemperatur von 25°C dürftest Du auf den Kühlkörper max. X Watt montieren (unter der Annahme von 100% Verlustleistung):
Delta T = 70°C - 25°C = 45°C --> gleichbedeutend 45K
3,5K/W x 1,4 = 4,9K/W
45K / 4,9K/W = 9,18W.
ustoni
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Sa, 02.07.16, 11:25

Da der Raumwinkel (Steradiant = sr) mit 0,01° angegeben ist, ist die Strahlungsleistung annähernd gleich der Strahlungsstärke:
320mW/sr = 320mW
800mW/sr = 800mW.
´Tschuldigung, aber das ist blanker Unsinn.

Der typische Strahlungfluss (Leistung) der LED wird im Datenblatt explizit angegeben:
SFH Strahlungsfluss.jpg
SFH Strahlungsfluss.jpg (21.64 KiB) 3598 mal betrachtet
Das entspricht einer typischen Strahlstärke von 500 mW/sr.

Selbstverständlich gibt es auch bei dieser LED unterschiedliche Binnings:
SFH Strahlstärke.jpg
SFH Strahlstärke.jpg (42.36 KiB) 3598 mal betrachtet
Erwischt man eine LED mit einer Strahlstärke von 400 mW/sr, hat man eben nur einen Strahlungsfluss von 856 mW, bei 750 mW/sr dementsprechend 1605 mW.

Der Steradiant (sr) ist die Maßeinheit für einen Raumwinkel Ω. Er ist definiert als der Winkel, der auf einer Kugel mit 1 m Radius eine Fläche von 1 m² auf der Kugeloberfläche umschließt.
Ein (dreidimensionaler) Raumwinkel Ω wird immer in sr angegeben, niemals in Grad (°).

Zwischen dem dreidimensionalen Raumwinkel Ω und dem zweidimensionalen Öffnungswinkel α besteht der Zusammenhang
sr Winkel.jpg
sr Winkel.jpg (15.84 KiB) 3598 mal betrachtet
Ein Raumwinkel Ω von 1 sr entspricht folglich einem Öffnungswinkel α von 66,1°.

Wo Du einen Winkel von 0,01° abgelesen hast, ist mir schleierhaft. Ich vermute, Du hast die Anmerkung unter der Binning-Tabelle falsch interpretiert.
Anm.: gemessen bei einem Raumwinkel Ω von 0,01 sr
Das heißt aber nur, dass die Strahlstärke in einem Raumwinkel von 0,01 sr ermittelt wurde. Der Wert in der Tabelle bezieht sich dann aber auf 1 sr (z.B. 320 mW/sr).
Ein Raumwinkel Ω von 0,01 sr entspricht übrigens einem Öffnungswinkel α von 6,5°. :wink:

Der Öffnungswinkel wie üblich bezogen auf eine Intensität von 50% in den Grenzbereichen ist im Datenblatt übrigens auch angegeben
SFH Winkel.jpg
SFH Winkel.jpg (20.87 KiB) 3598 mal betrachtet
und beträgt 90°.
Ein Öffnungswinkel von 90° entspricht wiederum einem Raumwinkel von 1,81 sr.

Die Intensität bezogen auf den Winkel kann dem Diagramm im Datenblatt entnommen werden:
SFH Radiation.jpg
SFH Radiation.jpg (59.53 KiB) 3598 mal betrachtet
Zwischen Strahlungsfluss und Strahlstärke besteht der gleiche Zusammenhang wie zwischen Lichtstrom und Lichtstärke, nur wurde keine Korrektur mit der V-Lambda-Kurve vorgenommen (würde ja bei 850 nm auch keinen Sinn machen).
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Achim H
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Zwischen dem dreidimensionalen Raumwinkel Ω und dem zweidimensionalen Öffnungswinkel α besteht der Zusammenhang
Bild

Ein Raumwinkel Ω von 1 sr entspricht folglich einem Öffnungswinkel α von 66,1°.
Ein Raumwinkel Ω von 0,01 sr entspricht übrigens einem Öffnungswinkel α von 6,5°.
Ich bekomme da was anderes raus.

Öffnungswinkel (im Bild die rechte Formel):
für 0,01sr: =2*ARCCOS(1-(0,01/(2*PI()))) --> 0,112852888°.
für 1sr: =2*ARCCOS(1-(1/(2*PI()))) --> 1,143907522°.

Rückrechnung zum Raumwinkel (im Bild die linke Formel) passt ebenfalls:
für 0,112852888°: =2*PI()*(1-COS(0,112852888/2)) --> 0,01sr.
für 1,143907522°: =2*PI()*(1-COS(1,143907522/2)) --> 1sr.
Wo Du einen Winkel von 0,01° abgelesen hast, ist mir schleierhaft. Ich vermute, Du hast die Anmerkung unter der Binning-Tabelle falsch interpretiert.
Genau das ist passiert.
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Sa, 02.07.16, 14:03

Nimm mal einen ganz normalen Taschenrechner! :D

In Excel funktionieren die Formeln so nicht. In die Formeln muss der Winkel in Grad eingegeben werden, Excel verwendet bei Winkelfunktionen aber die Einheit rad (Radiant) mit 2 π rad = 360°.
Excel lässt sich meines Wissens auch nicht auf Grad umstellen.
Du müsstest also jeweils von Radient in Grad bzw. Grad in Radient umwandeln, also z.B.

=GRAD(2*ARCCOS(1-(0,01/(2*PI()))))
=GRAD(2*ARCCOS(1-(1/(2*PI()))))

Einfacher ist aber ein Taschenrechner. :wink:
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Achim H
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Sa, 02.07.16, 19:01

Für OpenOfficeCalc
=================

Grad in Rad umrechnen:
=RAD(GRAD)
Beispiel:
90° = 1,570796327rad

Rad in Grad umrechnen:
=DEG(RAD)
Beispiel:
1,570796327rad = 90,00000001°

---

Öffnungswinkel in Raumwinkel umrechnen:
=2*PI()*(1-COS(RAD(Öffnungswinkel)/2))
Beispiel:
90° = 1,840302369sr --> Ergebnis bei ustoni = 1,81sr

Raumwinkel In Öffnungswinkel umrechnen:
=2*ARCCOS(1-(DEG(Öffnungswinkel in rad)/(2*PI())))
Beispiel:
1,840302369sr = 11,1438488331°--> falsches Ergebnis

Hier hätte wieder 90° heraus kommen müssen.
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Sa, 02.07.16, 19:28

Bei Excel wäre es:

=GRAD(2*ARCCOS(1-(1,840302369/(2*PI()))))

Versuch mal:

=DEG(2*ARCCOS(1-(Öffnungswinkel in sr)/(2*PI())))

Das Rechenergebnis der eigentlichen Gleichung (also ohne GRAD bzw. DEG) ist ja in rad und muss nach Grad umgewandelt werden.
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So, 03.07.16, 05:00

Versuch mal:

=DEG(2*ARCCOS(1-(Öffnungswinkel in sr)/(2*PI())))

:D funktionuckelt :D


Mir ist die Umrechnung 'mW in mW/sr' noch nicht ganz klar.
Bitte verbessern, wenn ich was falsch gerechnet habe.

Die Strahlunsgleistung der Oslon ist mit 1070mW angegeben.
90° entsprechen 1,84sr (gerundet).
Folglich müsste die Strahlungsstärke 1070mW/1,84sr betragen = ca. 581,5mW/sr.

Wie kommst Du auf 500mW/sr?
ustoni
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So, 03.07.16, 08:08

Die Strahlstärke kannst Du nicht so einfach berechnen, da kein linearer Zusammenhang zwischen Leistung und Winkel besteht.
Den Wert von 500 mW/sr habe ich dem Datenblatt auf Seite 2 (erste Tabelle) entnommen. Ich gehe einfach mal davon aus, dass es sich dabei genauso wie die Angabe 1070 mW in der 2. Tabelle um den typischen Wert handelt.

Dem Diagramm der Abstrahlcharakteristik auf Seite 6 des Datenblatts kannst Du die Strahlungsintensität in Abhängigkeit vom Winkel entnehmen. Um die Zusammenhänge klarer darzustellen, habe ich die entsprechenden Flächen mal farbig hinterlegt:
Radiation.jpg
Die grüne Fläche entspricht der Leistung innerhalb eines sr (1 sr = 66,1° = ±33,05°), also 500 mW.
Die Summe der grünen und der blauen Fläche entspricht der Leistung, die innerhalb des Öffnungswinkels von 90° (= ±45°) abgestrahlt wird.
Die Summe der grünen, der blauen und der roten Fläche entspricht dann der Leistung von 1070 mW.
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So, 03.07.16, 13:31

Wie hast Du das berechnet?
Erwischt man eine LED mit einer Strahlstärke von 400 mW/sr, hat man eben nur einen Strahlungsfluss von 856 mW, bei 750 mW/sr dementsprechend 1605 mW.

Was hier auffällt: die Strahlungsleistung ist stets um den Faktor 2,14 größer als die Strahlungsstärke:
856mW / 400mW/sr = 2,14
1605mW / 750mW/sr = 2,14

und die 1070mW passen ebenfalls rein:
1070mW / 500mW/sr = 2,14

Aus meiner Logik heraus müssten es 2,14sr sein.
mW / mW = nichts. Übrig bleibt: sr

Vielen Dank auch für Deine Geduld.
ustoni
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So, 03.07.16, 14:25

Was hier auffällt: die Strahlungsleistung ist stets um den Faktor 2,14 größer als die Strahlungsstärke
:lol: Der war gut!

Das Einzige, was Du jetzt nachgewiesen hast, ist, dass ich die 1070 mW zu den 500 mW/sr ins Verhältnis gesetzt habe, um auf die anderen beiden Leistungen zu kommen, also ein simpler Dreisatz:

1070 mW / 500 mW/sr = x mW / 400 mW/sr → x mW = (1070 mW • 400 mW/sr) / 500 mW/sr = 856 mW

Logischerweise muss sich dabei immer das gleiche Verhältnis ergeben. Meine Überlegung dabei war ganz einfach, dass sich die Binnings nur im Strahlungsfluss unterscheiden, die optischen Eigenschaften aufgrund des Herstellungsprozesses aber immer gleich sind. Wenn bei einem Strahlungsfluss von 1070 mW 46,7% der Strahlung innerhalb eines sr abgegeben werden, sollte das bei 800 mW oder 1800 mW genauso sein. Letztendlich könnte auch dies allerdings nur messtechnisch nachgewiesen werden.

In der Praxis ist es auch völlig egal, ob die LED eine Leistung von 800 mW, 1070 mW oder 1800 mW abgibt. Durch die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im freien (dreidimensionalen) Raum wirken sich die scheinbar großen Unterschiede nur minimal aus. In der HF-Technik werden aus dem gleichen Grund Leistungen häufig auf eine Toleranz von ±3 dB überprüft, das entspricht einem Bereich von -50% bis +100%. Selbst eine sehr genaue Toleranz von ±1 dB entspricht noch einem Toleranzbereich von -20,5% bis +25,9%.

Übrigens:
Die kleinen Unterschiede in unseren Rechenergebnissen weiter oben rühren daher, dass ich beim Eintippen in den Taschenrechner statt 2 x (Shift) π einfach 6,28 eingetippt habe. Damit sind Deine Ergebnisse natürlich die genaueren.
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