10W LED Array an Eisenwinkel zur Kühlung?

[Andreas84]

Hallo,

ich habe mir ein 10W-LED-Array gekauft. Nun stellt sich für mich die Frage nach dem richtigen Kühlkörper. Ich hab hier noch einige Winkeleisen 4x4cm, bei 3 mm Wandstärke rumliegen. Kann ich sowas verwenden?

Ich hab mich auch gefragt ob ich die LED durch Parafinium Liquidium vielleicht kühlen könnte...

Mit vielen lieben Grüßen
Andreas

[Achim H]

paraffinum liquidum ist zur Behandlung von Holzoberflächen geeignet. Für einen besseren Wärmeübergang von der Led zum Kühlkörper ist eine Wärmeleitpaste resp. ein Wärmeleitkleber sinnvoll.

Eisen ist kein sinnvoller Ersatz für Aluminium (guter Wärmeleiter) oder Kupfer (sehr guter Wärmeleiter). Eisen leitet die Wärme nur sehr langsam. Für Hochleisungsleds ist es aber wichtig, dass die Betriebswärme möglichst schnell abgeführt/transportiert wird und über die Oberfläche an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Nur dann ist auch sichergestellt, dass die Led lange überlebt.

[Andreas84]

Hallo Achim,

paraffinum liquidum ist zur Behandlung von Holzoberflächen geeignet. Für einen besseren Wärmeübergang von der Led zum Kühlkörper ist eine Wärmeleitpaste resp. ein Wärmeleitkleber sinnvoll.

Ich dachte als Wärmeleitmedium -> ersatz für einen massiven Kühlkörper. Ich wollte ein Alu-Quadrat damit füllen. Oder wäre Propylenglycol besser geeignet?

Eisen ist kein sinnvoller Ersatz für Aluminium (guter Wärmeleiter) oder Kupfer (sehr guter Wärmeleiter). Eisen leitet die Wärme nur sehr langsam. Für Hochleisungsleds ist es aber wichtig, dass die Betriebswärme möglichst schnell abgeführt/transportiert wird und über die Oberfläche an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Nur dann ist auch sichergestellt, dass die Led lange überlebt.

Ich hätte noch etwas vergleichbares in Edelstahl. Besser, schlechter?

Mit vielen Grüßen
Andreas

[Jackhammer]

Wie Achim schon sagte: Stahl ist allgemein schlecht, egal ob Edelstahl oder Stahl.
Wegen dem füllen: Es ist ja nicht nur wichtig, dass du Masse hast, welche die Wärme aufnehmen kann. Viel wichtiger ist, dass dein Material die Wärme schnell leitet und vorallem dass du eine große Oberfläche hast, die die Wärme abgeben kann.

Ich würde am Kühlkörper nicht sparen (Die Lebensdauer der doch nicht ganz billigen Led wir darunter leiden)....Schau dass du einen Vernünftigen Alu-Kühlkörper kaufst. Ist definitiv die einfachste Lösung.

Hoffe ich konnte helfen.

[Andreas84]

Hallo Jackhammer,

Ich würde am Kühlkörper nicht sparen (Die Lebensdauer der doch nicht ganz billigen Led wir darunter leiden)....Schau dass du einen Vernünftigen Alu-Kühlkörper kaufst. Ist definitiv die einfachste Lösung.

kannst du mir irgendeinen Tipp geben wie ich die Größe des Kühlkörpers abschätzen könnte? Müsste ein Kühlkörper für eine 800 Mhz CPU ausreichen?

Mit vielen Grüßen
Andreas

[CRI 93+ / Ra 93+]

Ohne Lüfter evtl. gerade so eben, mit Lüfter@12V ginge vermutlich sogar 50-70 Watt-LED.
Es geht ca. genausoviel wie die TDP (Thermal Design Power) der CPU für die der Kühler gemacht ist.

[Andreas84]

Hallo CRI 93+ / Ra 93+,

Ohne Lüfter evtl. gerade so eben, mit Lüfter@12V ginge vermutlich sogar 50-70 Watt-LED.
Es geht ca. genausoviel wie die TDP (Thermal Design Power) der CPU für die der Kühler gemacht ist.

Wenn ich einmal davon ausgehe das die LED eine niedrige Effizenz von 60% hat dann werden doch nur 4 Watt in Wärme umgesetzt. Müsste das nicht so gut wie jeder Kühkörper packen?

Mit vielen Grüßen
Andreas

[Jackhammer]

Das ist das Problem. Leds sind noch weit von 60% Wirkungsgrad entfernt, das ist ein Märchen. Die physikalische Lichtausbeute, die maximal möglich ist, liegt bei weißen Leds bei ca. 350l/W(man müsste für 100% Wirkungsgrad eigentlich 680l/W ansetzten um 1W Lichtleistung aus 1W Energie zu erhalten, was aber bei weißen Leds nicht möglich ist). Wenn wir davon ausgehen, dass dein COB-Modul maximal 80l/w hat (falls warmweis) entspricht das einem Wirkungsgrad von 22 % ( oder 10%).

Sprich weit entfernt von 60%....

[Andreas84]

Hallo Jackhammer,

Das ist das Problem. Leds sind noch weit von 60% Wirkungsgrad entfernt, das ist ein Märchen. Die physikalische Lichtausbeute, die maximal möglich ist, liegt bei weißen Leds bei ca. 350l/W(man müsste für 100% Wirkungsgrad eigentlich 680l/W ansetzten um 1W Lichtleistung aus 1W Energie zu erhalten, was aber bei weißen Leds nicht möglich ist). Wenn wir davon ausgehen, dass dein COB-Modul maximal 80l/w hat (falls warmweis) entspricht das einem Wirkungsgrad von 22 % ( oder 10%).

Das hört sich sehr ernüchternd an. Meine LED hat 60lm/W. Alles was dann noch für LEDs spricht ist Ihre hohe Lebensdauer.

Sind dir eigendlich LEDs bekannt die an die 350lm/W heranreichen? Das höchste was ich einmal hörte waren 160 lm/W.

Mit vielen Grüßen
Andreas

[Jackhammer]

Es gibt noch keine Led die an die 350l/w heranreicht. Trotzdem bis du mit den Leds noch deutlich effizienter als mit Halogen oder Glühlampe. Selbst ESL kommen da nicht ran, allenfalls die Röhren. Von der Effizienz gibt es auch besser Leuchtmittel, wie z.b. Natriumdampflampen, mit aber einer sehr gewöhnungsbedürftigen Leuchtfarbe.
Hier mal ein paar Lichtausbeuten aufgelistet:

Glühlampe 5...16 l/w
Halogenlampe 15...25l/w
ESL 35...70l/w
Led bis 200l/w(kaltweis)
Natriumniederdrucklampe 100....200 l/w

Für Leds sprechen wie du sagtest: Lebensdauer
und eben vorallem Unempfindlichkeit gegen Schaltungen und sofortiges erreichen der vollen Helligkeit.

[CRI 93+ / Ra 93+]

Das ist das Problem. Leds sind noch weit von 60% Wirkungsgrad entfernt, das ist ein Märchen. Die physikalische Lichtausbeute, die maximal möglich ist, liegt bei weißen Leds bei ca. 350l/W(man müsste für 100% Wirkungsgrad eigentlich 680l/W ansetzten um 1W Lichtleistung aus 1W Energie zu erhalten, was aber bei weißen Leds nicht möglich ist). Wenn wir davon ausgehen, dass dein COB-Modul maximal 80l/w hat (falls warmweis) entspricht das einem Wirkungsgrad von 22 % ( oder 10%).

Sprich weit entfernt von 60%....

Wieso mal 350 lm/W und dann wieder 680 lm/W und wieso hängt das davon ab, ob LED oder nicht? Eine 100W-Glühlampe hat ca. 5-6% Effizienz bei 1350 lm und 13,5 lm/W --- 80 lm/W sind 6x soviel, also entsprechend ca. 30-36% Wirkungsgrad!

Der Rechnung nach hätte man bei 160 lm/W bereits bei 60% Wirkungsgrad und es gibt LEDs, die da heranreichen, z.B. die Cree XM-L oder Nichia Superlfux Rajin --- bei aber nur bei massiver Unterbestromung. z.B. 130 lm/W bei 350 mA für die XM-L.

Wobei ich weniger messtechnische warmweiße Lumen subjektiv als genauso hell empfinde, wie etwas mehr kaltweiße Lumen (identische LED-Serie mit verschiedenen Farbtemperaturen). Aber mehr Lumen verkauft sichwohl besser, daher gibt's die XM-L auch vorerst nur kaltweiß, warmweiß wird aber noch in diesem Jahr folgen.

[Jackhammer]

680L/W ist die Lichtausbeute, die ein Leuchmittel erbringen muss, um 1W Energie in 1W Licht umzusetzen. Dies ist bei Leds aus physikalischen Gründen nicht möglich (die 350L/W beziehen sich also auf LEDs, die 680L/W auf alle Leuchtmittel)!
Außerdem ist je nach Zusammensetzung der Led eben auch manchmal nur ein geringerer Wert möglich.
Nach deiner Rechnung (60% mit 160L/W) wäre bei Leds mit ca. 260 Lumen der Wirkungsgrad 100% und man müsste nicht mehr kühlen, das entspricht aber keinesfalls der Realität.
Bzw. dürften sich LEDs mit 160L/W bei 350mA nur noch minimal erwärmen. Ist aber auch nicht der Fall. Man braucht hier noch genauso einen Kühlkörper wie bei einer LED mit 80L/W.

[Jackhammer]

Hier noch ein Link:
http://www.led-info.de/grundlagen/leuch ... sgrad.html

[CRI 93+ / Ra 93+]

680L/W ist die Lichtausbeute, die ein Leuchmittel erbringen muss, um 1W Energie in 1W Licht umzusetzen. Dies ist bei Leds aus physikalischen Gründen nicht möglich (die 350L/W beziehen sich also auf LEDs, die 680L/W auf alle Leuchtmittel)!
Außerdem ist je nach Zusammensetzung der Led eben auch manchmal nur ein geringerer Wert möglich.
Nach deiner Rechnung (60% mit 160L/W) wäre bei Leds mit ca. 260 Lumen der Wirkungsgrad 100% und man müsste nicht mehr kühlen, das entspricht aber keinesfalls der Realität.
Bzw. dürften sich LEDs mit 160L/W bei 350mA nur noch minimal erwärmen. Ist aber auch nicht der Fall. Man braucht hier noch genauso einen Kühlkörper wie bei einer LED mit 80L/W.

Moment! Man kann doch nicht das theoretische Maximum einer bestimmten Lichtquelle (hier LEDs) als 100% Wirkungsgrad ansetzen! Man muss doch IMMER von dem ausgehen, was 1 Watt optische Leistung erzeugen würde, demnach also die 680 Lumen pro Watt.

Natürlich ist meine Rechnung dann falsch, weil ich dachte, dass 350 lm/W bereits 100% Wirkungsgrad wären.

Also liegen die besten LEDs dann doch eher bei knapp 30% Wirkungsgrad --- dann allerdings liegt eine Glühlampe wohl doch schon eher bei 10% als bei 5%, denn andang der hatte ich das ja hochgerechnet.... (Wobei ich von einer 100W-Glühlampe einfach mal so ausgegangen bin, für welche Glühlampenleistung die 5% Wirkungsgtrad gelten stand bei Wiki leider nicht dran, ist zugegeben keine wissenschaftliche Vorgehensweise...)

[CRI 93+ / Ra 93+]

BTW: wo hast Du eigentlich Deine 680 lm/W her? Lt. Wikipedia ist das theoretische Maximum bei 6600 Kelvin, um elektrische Energie in optische Strahlungsleistung umzuwandeln bei 350 lm/W.

Dann wiederum sind LEDs bereits doch schon bei 60% Wirkungsgrad angekommen! Leider kann ich natürlich auch nicht belegen, dass diese Info aus Wikipedia korrekt ist, aber woher hast Du denn die 680 lm/W? Der Link, den Du gepostet hast enthält diese Info jedenfalls nicht, macht keinen vertrauenerweckenden Eindruck und verlinkt auf z.T. korrekte, aber größtenteils doch eher noch viel wenig kompetente und auch gnadenlos veraltete Infos.

Ich fände allerdings das theoretische Wirkungsgradmaximum für weißes Licht mit 2700 oder 3000K sehr viel interessanter als das für 6600K.

Hier konnte ich die 680 lm/W wiederfinden --- aber für eine grüne LED und auch als angeblich tatsächlich erreichten Wert. Wobei mir der Artikel keinen sehr qualifizierten Eindruck macht, da absorbiert das Phosphor angeblich das blaue Licht und gelbes bleibt übrig... vermutlich vom Praktikanten verfasst.

[Jackhammer]

Ich habe nochmal im Internet geforscht. Das Thema wurde im Forum der Konkurrenz schon mehrfach Diskutiert (stell keinen Link ein, aber einfach nach Lichtausbeute in Google suchen). Hier kam ebenfalls heraus, dass die maximal theoretische Lichtausbeute bei monokromatischem Licht mit 555nm bei 683L/W liegt. Da aber keiner eine Lichtquelle mit Monokromatischem(und auch noch Wellenlänge 555nm) Licht hat, wir man diese Lichtausbeute nie erreichen.
Deshalb die von dir in Wiki genannten 350L/W. Das ist der Wert, der mit einer Led (6600k) erreichbar ist.
Die 5% Wirkunggrad der Glühobstampe beziehen sich allerdings wieder nicht auf 350L/W sondern auf 205L/W, da dieser Wert bei dem Lichtspektrum der Gkühlampe das theroretische Maximum ist (großteils Abstrahlung in Infrarot, deshalb nur 5%).

Grundsätzlich hast du also Recht. Deshalb ist aber eine Aussage über eine Effizienz in % ohne zu Grunde legen des erreichbaren Maximums an Lichtausbeute nicht möglich. Wenn wir nämlich die 350L/W zu Grunde legen, kommt ein Glühobst nie und nimmer auf 5%.

Nun eben die Frage: Effizienz in Prozent auf 205L/W fast am besten, da direkter Vergleich zum alten Leuchtmittel möglich.

Ist also nur Definitionssache.

Um aber zum Thema zurück zu kommen: 60% ist heute (nicht im Labor und Unterstromung) selbst bei Kaltweiße Licht meist noch nicht möglich. Wobei die neuen Crees nah rankommen.

Schönen Abend und Gruß Thomas

[CRI 93+ / Ra 93+]

Da scheint auch noch reinzuspielen, wie Lumen überhaupt gemessen werden... Wenn monochromatisches Licht theoretisch 680 lm/W und weißes theoretisch nur 350 lm/W erreichen kann, ist es z.B. auch gar kein Wunder, dass man bei Natriumdampflampen trotz "gefühlter Finsternis" hohe Wirkungsgrade erzielt.

Muss man also wenn man Lumen misst zunächst Wissen, in welchem Wellenlängen-Bereich man messen will? Das kann eher nicht sein, sonst hätten die blauen LEDs trotz hoher optischer Strahlungsleistung nicht so geringe Lumen-Angaben.

Und bedeutet das, was Du geschrieben hast, dass man das nicht-sichtbare IR-Licht der Glühlampe mit als abgegebenes Licht ansieht und damit eine höhere Effizenz angibt, als wenn man nur den sichtbaren Bereich berücksichtigen würde?

Ich wäre doch davon ausgegangen, dass man für weiße Lichtquellen *IMMER* von dem Ausgeht, was nötig ist, um eben das gesamte sichtbare Spektrum von knapp nach IR bis knapp vor UV zu erhalten. Eben weißes Licht.

Und da sind es dann wohl doch eher die 350 lm/W und wenn Du jetzt schreibt, die Cree XM-L (160 lm/W @ 350 mA) (und auch die Nichia Rajin @ 5 mA) sind da verdammt nah dran, dann zeigt das doch auch, dass 350 lm/W eher richtig sind.

Man kann das ganze doch auch anders angehen: ich weiß nicht genau wie, aber man kann sicher die abgegebene Wärmemenge einer LED irgendwie erfassen (das Licht muss entweichen können, damit es nicht mir heizt) und dann kann man aus Strom und Spannung die reingesteckte Leistung errechnen und weiß danach, dass alles, was nicht mehr als Wärme aus der LED kommt Licht geworden sein muss.

Bestimmt ließe sich ein geeigneter Messaufbau konstruieren.

[stoske]

Andersrum ist vielleicht einfacher: Mit einer Ulbrichtkugel könnte man den Gesamtlichtstrom
messen. Die Differenz zur eingebrachten Energie stellt dann den Verlust z.B. durch Wärme dar.

[Andreas84]

Hallo Jackhammer,

Trotzdem bis du mit den Leds noch deutlich effizienter als mit Halogen oder Glühlampe. Selbst ESL kommen da nicht ran, allenfalls die Röhren. Von der Effizienz gibt es auch besser Leuchtmittel, wie z.b. Natriumdampflampen, mit aber einer sehr gewöhnungsbedürftigen Leuchtfarbe.

was ist eigendlich wenn ich die LED mit weniger Strom betreibe als angegeben? Steigt die lm ausbeute je Watt?

Mit vielen Grüßen
Andreas

[strenter]

was ist eigendlich wenn ich die LED mit weniger Strom betreibe als angegeben? Steigt die lm ausbeute je Watt?

Ja. Siehe technische Daten im Shop.
Die benötigten LEDs und die benötigte Grundfläche steigt allerdings auch - von eventuell mehr KSQ bzw. Widerständen mal ganz zu schweigen wenn mal die gleiche Leuchtkraft erreichen will. Dafür kann man etwas laxer mit dem Kühlkörper planen.

[Andreas84]

Hallo Strenter,

Ja. Siehe technische Daten im Shop.
Die benötigten LEDs und die benötigte Grundfläche steigt allerdings auch - von eventuell mehr KSQ bzw. Widerständen mal ganz zu schweigen wenn mal die gleiche Leuchtkraft erreichen will. Dafür kann man etwas laxer mit dem Kühlkörper planen.

Ich dachte dabei an eine KSQ mit zwei Leuchtdioden des gleichen Typs parallel geschalten. Primär: um die lm ausbeute je Watt zu steigern und damit weniger Abwärme zu bekommen. Also ist es möglich mit 2 10-Watt-LED Arrays an einer KSQ mehr lm je Watt zu bekommen als mit einer?

Mit vielen Grüßen
Andreas

[Achim H]

Ich dachte dabei an eine KSQ mit zwei Leuchtdioden des gleichen Typs parallel geschalten.

2 parallel geschaltete Leds an nur 1 KSQ ist immer einen ganz blöde Idee. Fällt 1 Led aus, erhält die andere den vollen Strom. Insbesondere wenn die Leds schon kurz vor dem Maximum betrieben werden, kann dann die übrig gebliebene Led überbestromt werden. Besser die Leds immer in Reihe verschalten. Die erforderliche Spannung an der KSQ ist dann zwar höher, aber wenn 1 Led stirbt, dann erhält die andere nicht mehr Strom, sondern geht ebenfalls mit aus (Stromkreis an der defekten Led unterbrochen).

2 Leds in Reihe erzeugen mit dem halben Strom mehr Licht als 1 Led mit dem doppelten Strom.

[strenter]

2 parallel geschaltete Leds an nur 1 KSQ ist immer einen ganz blöde Idee. Fällt 1 Led aus, erhält die andere den vollen Strom. Insbesondere wenn die Leds schon kurz vor dem Maximum betrieben werden, kann dann die übrig gebliebene Led überbestromt werden.

Mal ganz davon abgesehen dass sich die Ströme wegen leichter Toleranzen zwischen den LEDs sich nie 1:1 aufteilen. Vor allem auch bei nicht gleichmäßiger Kühlung (eine LED ist z.B. weiter oben montiert und Wärme steigt bekanntlich nach oben). Dann wird die wärmere LED niederohmiger, bekommt mehr Strom weil die Flußspannung sinkt, wird wärmer...
Ich denke Du kannst das alleine fortführen.

Merkspruch:
LEDs in Reihe an KSQ ist Klasse.
LEDs parallel an KSQ das lasse.

[Andreas84]

Hallo,

wollte die LEDs nebeneinander platzieren. An einer KSQ die nur für ein 10-Watt Array gedacht ist. Damit jedes der beiden LED-Arrays nur mit 50% läuft.

Eure Erklärungen hören sich aber sehr plausibel an. Ich denke darüber muss ich wohl nochmal nachgrübeln.

Mit vielen lieben Grüßen
Andreas

[CRI 93+ / Ra 93+]

Wenn Du die beiden Array handvermisst, jeweils einzeln an der KSQ, bei identischer Temperatur und die Vorwärtsspannungen nur sehr wenig abweichen, dann könnte man es parallel dranhängen. Um z.B. durch Temperaturunterschiede dennoch geringfügig variierende Vorwärtsspannungen zu kompensieren kann man auch z.B. noch 0,47 Ohm jedem Array einzeln in Reihe schalten (der sinnvollste Widerstandswert kommt auf den Strom an, den die Arrays vertragen)

Wenn die KSQ ohnehin nur soviel Strom liefert, wie eins der Arrays alleine schon vertragen würde, dann kann dem ja nichts passieren, es leuchtet ggf. nur heller oder wenn das andere fehlt eben ganz alleine (und dann eben sehr viel heller).

Die Idee auf diese Weise den Wirkungsgrad zu verbessern ist schon gar nicht so falsch, man muss aber penibel auf die Details achten!