Reicht der Kühlkörper?

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Moderator: T.Hoffmann

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Butthead
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Sa, 03.03.12, 13:12

Hallo!

Ich brauche einen Kühlkörper mit bestimmten Maßen auf den ich zwei Cree XM-L T6 910lm und eine 2800mA KSQ aufkleben möchte. Ich habe einen passenden bei ebay gefunden:

http://www.ebay.de/itm/Kuhlkorper-Alumi ... 829wt_1137

Reicht der Kühlkörper für diese drei Komponenten?

Vielen Dank schonmal!
tvetter
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Sa, 03.03.12, 13:26

Also für ca. 10 Watt ist die etwas "dünn". Eigentlich solltest du auf den Rth Wert achten. Der gibt die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers an. Ich würde mal sagen bei dir sollte dieser Wert so um die 5 K/W liegen.
Guck mal bei Reichelt die haben relativ viele Kühlkörper.
tvetter
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Sa, 03.03.12, 13:34

Du kanst z.B. diesen hier nehmen:
http://www.reichelt.de/LED-Kuehlkoerper ... f43050eca5
Und hier das Datenblatt:
http://www.produktinfo.conrad.com/daten ... 0_50ME.pdf
Der hätte einen Wärmewiderstand von ca. 2.25 K/W. Ist vielleicht schon etwas überdimensioniert. Aber besser etwas mehr, als zu wenig.
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Achim H
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Sa, 03.03.12, 13:57

tvetter hat geschrieben:Also für ca. 10 Watt ist die etwas "dünn". Eigentlich solltest du auf den Rth Wert achten. Der gibt die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers an. Ich würde mal sagen bei dir sollte dieser Wert so um die 5 K/W liegen.
Wieso 10 Watt?
Die XM-L erzeugt maximal bestromt (3000mA) 12 Watt Leistung. Bei 2800mA wird die Leistung nur unwesentlich keiner ausfallen. Geschätzt: 11,75 Watt. Bei 2 Leds sind das dann 23,5 Watt.

Die Led hat einen Wärmewiderstand von 2,5k/W.
Wenn der Kühlkörper 70°C heiß werden darf (heißer sollte dieser nicht werden, sonst verbrennt man sich die Finger dran), dann dürfte er (angefangen bei einer Raumtemperatur von 25°C) nur um 45°C (gleichbedeutend mit 45 Kelvin) heißer werden.

Ein geeigneter Kühlkörper dürfte einen maximalen Wärmewiderstand von 45k / 23,5W = 1,914k/W haben.
Loong

Sa, 03.03.12, 14:38

Butthead hat geschrieben:Ich brauche einen Kühlkörper mit bestimmten Maßen auf den ich zwei Cree XM-L T6 910lm und eine 2800mA KSQ aufkleben möchte.
Ich gehe davon aus, daß Du die beiden LEDs nicht nackich verarbeiten möchtest, sondern sie auf Star- bzw. 10x10 mm²-Platine einsetzen wirst. Das heißt, zum Wärmewiderstand Sperrschicht zu Gehäuse der LED von 2,5 Kelvin pro Watt addiert sich noch der der Platine dazu. Im Falle der Starplatine hat Borax hier im Forum mal insgesamt 7 K/W gemessen, bei der 10x10 mm² Platine kommen 6 K/W dazu, zusammen also 8,5 K/W.

Aus dem Datenblatt der XM-L liest man bei 2800 mA eine Vorwärtsspannung von 3,3 Volt ab. Die Leistungsaufnahme je LED ist also 9,24 Watt. Im weiteren Verlauf rechnen wir mit dieser Leistung auch als Verlustleistung, was in der Praxis aber nicht stimmt, weil die LED etwa ein Drittel davon als Lichtleistung wieder abstrahlt.

Bei dem von Dir gezeigten Kühlkörper handelt es sich um einen Fischer SK 18. Bei 60 mm Abschnittslänge dürfte er auf einen Wärmewiderstand von etwa 3 K/W kommen.

Der Kühlkörper erwärmt sich also (9,24 +9,24) Watt x 3 K/W = 55 K über Umgebungstemperatur, die Abwärme der KSQ mal außer Acht gelassen. An der Sperrschicht je LED kommen noch 9,24 W x 7 K/W (Starplatine) = 65 K dazu. Macht: 30 °C (Temperatur im Sommer) + 55 K + 65 K = 150 °C. Damit hast Du die maximal zulässige Sperrschichttemperatur der LED erreicht und keine Reserven mehr. Zudem altert die LED bei dieser Temperatur sehr, sehr schnell. In der Praxis sieht es etwas besser aus, weil, wie geschrieben, die LED ja einen Teil der aufgenommen Leistung als Licht wieder abstrahlt.

Rechnen wir trotzdem zurück, welchen Wärmewiderstand der Kühlkörper braucht, um eine in meinen Augen noch gesunde Sperrschichttemperatur von 120 °C nicht zu überschreiten. Die Kühlkörpertemperatur darf also maximal 120 °C - 55 K (oben errechnet) = 65 °C erreichen. Bei einer Umgebungstemperatur von 30 °C im Sommer kann sich der Kühlkörper bei den 2 x 9,24 Watt um 35 K erwärmen. Sein Wärmewiderstand darf also 35 K / 18,48 W = 1,9 K/W nicht überschreiten.

Wenn Du auf die Maße des SK18 festgeschrieben bist, wirst Du um eine Zwangskühlung (= Lüfter) nicht herumkommen. Ich habe gerade auf die Schnelle bei Fischer gesucht und keinen Kühlkörper gefunden, der bei 60 x 65 mm² Abmaße auf 1,9 K/W oder weniger kommt.

Wie geschrieben: Unter Vernachlässigung der von der LED als Licht abgestrahlten Leistung. Kann man als stille Reserve betrachten :).
tvetter
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Sa, 03.03.12, 16:49

Also sollte die Platine soll wirklich einen Widerstand von 6k/W haben? Das kann doch fast nicht sein. Wenn ich jetzt mal (konvervativ) ausgehe dass die Wärme nur über die Fläche der Ermitters übertagen wird dann haben wir eine Grundfläche von A=5mm*5mm=25mm²
Die Dicke der Platine ist ca 1.8 mm .
Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminum ist 235 W/(k*m).
Also komme ich ein Wärmewiderstand von etwa 0.3 W/K.
Wenn ich jetzt noch annehme das der Ermitter auf die Platine geklebt ist (was wohl nicht stimmt), und der Kleber hat eine Lf von 7 W/(k*m) und eine Schichtdicke von 0.1 mm hat, dann komme ich noch auf zusätzliche 0.6 W/K.
Insgesamt würde sich dann 0.9 W/K ergeben.
Ich kann mir also nicht richtig vorstellen dass die Platine einen Widerstand von 6 W/K hat.
Loong

Sa, 03.03.12, 17:04

Hallo,

Du vergisst, daß zwischen der Kontaktfläche der LED und dem Alukern der Platine zur elektrischen Isolation noch eine dünne Schicht Dielektrikum ist. Diese Schicht trägt maßgeblich zum Wärmewiderstand der Platine bei, den Anteil, den das Alu noch mitbringt, kann man demgegenüber vernachlässigen.

Die 6 K/W habe ich aus einem Hersteller-Datenblatt, die 7 K/W für die Star-Platine hat Borax hier im Forum mal nachgemessen.
Butthead
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Fr, 09.03.12, 14:38

vielen dank für die sehr hilfreichen antworten! jetzt habe ich das mit dem wärmewiderstand auch vernünftig verstanden! die leds sollen in den frontscheinwerfer meiner crossmaschiene(keine panik! nicht für den straßenverkehr), weil diese eine echt schlappe lichtmaschiene hat. es kommt zur kühlung also noch einiges an fahrtwind dazu. dann komme ich bestimmt mit meinen 2,8 k/w aus oder? was wäre nun wenn ich 2 min stehen würde also ohne fahrtwind? wie schnell heizt sich so ein kühlkörper auf? wäre das sehr schädlich für die led?
Borax
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Fr, 09.03.12, 16:11

Hängt von der Wärmekapazität des Kühlkörpers ab. Die von reinem Alu beträgt 900J/Kg*K (oder 0.25Wh/Kg*K)
Beispiel: Ein Alu-Kühlkörper mit 100g Gewicht den Du mit 15W beheizt wird sich in einer Minute um etwa 10° erwärmen.
ustoni
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Fr, 09.03.12, 21:05

Was hat denn das Gewicht eines Kühlkörpers mit der Kühlleistung zu tun?

Das ist ja wohl eine ausgesprochen abenteuerliche Interpretation!
Loong

Fr, 09.03.12, 21:11

ustoni hat geschrieben:Was hat denn das Gewicht eines Kühlkörpers mit der Kühlleistung zu tun?
Viel, wenn nicht sogar zu sagen alles, wenn Konvektion und Wärmestrahlung im Stand des Fahrzeugs wegfallen und die Wärmekapazität allein über die Erwärmung entscheidet.
Das ist ja wohl eine ausgesprochen abenteuerliche Interpretation!
Nein. Borax Antwort ist vollkommen richtig, auch wenn er meiner Meinung nach das Gewicht des kleinen SK18 überschätzt hat. Ich tippe eher auf unter 50 Gramm.

PS. Warst du wieder beim Zahnarzt?
ustoni
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Fr, 09.03.12, 21:30

Nein, war ich nicht (glücklicherweise ist das inzwischen auch nur noch zu den üblichen halbjährlichen Kontrollen nötig).

Deine Antwort wundert mich trotzdem etwas. Aus Deinen bisherigen Posts hatte ich schon Einiges an Fachwissen abgeleitet.

Jedenfalls ist die Wärmeableitung eines Kühlkörpers in erster Linie von der Größe der Oberfläche abhängig. Das Gewicht hat damit wenig wenn überhaupt etwas zu tun.
Loong

Fr, 09.03.12, 21:32

ustoni hat geschrieben:Jedenfalls ist die Wärmeableitung eines Kühlkörpers in erster Linie von der Größe der Oberfläche abhängig.
Ja, bei freier Konvektion. Aber nicht in dem von Butthead skizzierten Fall, auf den sich Borax' Antwort bezieht. Ich hätte genauso geantwortet, er ist mir mit seiner Antwort nur zuvorgekommen.
ustoni
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Fr, 09.03.12, 21:40

Zitat:
es kommt zur kühlung also noch einiges an fahrtwind dazu
Habe ich da irgendwas falsch verstanden?

Wie kann man aus Buttheads bisherigen Posts auf ein geschlossenes Gehäuse schliessen?
Loong

Fr, 09.03.12, 21:47

ustoni hat geschrieben:Habe ich da irgendwas falsch verstanden?
Ja:
Butthead hat geschrieben:was wäre nun wenn ich 2 min stehen würde also ohne fahrtwind? wie schnell heizt sich so ein kühlkörper auf?
Daß der ausgesuchte SK18 nicht zur dauerhaften Kühlung ohne Zwangsbelüftung ausreicht, soweit waren wir ja schon. Borax Rechnung ist eine Worst-Case-Annahme. Ich hätte sie ebenso getroffen.
ustoni
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Fr, 09.03.12, 21:59

Wirklich?

Borax Antwort gilt nur für eine perfekt wärmeisolierende Umgebung.

In diesem Fall wird der Kühlkörper zwar im Stand erheblich wärmer als während der Fahrt (mit Fahrtwind).

Das dürfte aber dann eher dem Vergleich passiver Kühlkörper/ Kühlkörper mit Zwangskühlung zu tun haben.
Die Masse des KK ist damit aber immer noch nebensächlich.
Loong

Fr, 09.03.12, 22:10

ustoni hat geschrieben:Die Masse des KK ist damit aber immer noch nebensächlich.
Falsch. Die Zeit bis zum Erreichen der Gleichgewichtstemperatur ist ganz erheblich vom Gewicht und damit der Wärmekapazität des Kühlkörpers abhängig. Von zwei Kühlkörpern, die unterschiedliche Massen, aber gleiche Wärmewiderstände haben und aus dem gleichen Material bestehen, wird sich der langsamer erwärmen, der die größere Masse hat.

Und darauf kommts hier an. Ganz einfach.

Oder hast du Buttheads Frage:
wie schnell heizt sich so ein kühlkörper auf?
Schon wieder vergessen?
ustoni
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Fr, 09.03.12, 22:26

Oder hast du Buttheads Frage:

wie schnell heizt sich so ein kühlkörper auf?
Schon wieder vergessen?
Nein natürlich nicht.
Die Zeit bis zum Erreichen der Gleichgewichtstemperatur ist ganz erheblich vom Gewicht und damit der Wärmekapazität des Kühlkörpers abhängig. Von zwei Kühlkörpern, die unterschiedliche Massen, aber gleiche Wärmewiderstände haben und aus dem gleichen Material bestehen, wird sich der langsamer erwärmen, der die größere Masse hat.
Das ist selbstverständlich vollkommen richtig - keine Frage.

Dadurch wird Borax Rechnung aber nicht richtiger. Obige Frage lässt sich ohne Kenntnis der Umgebungsbedingungen nunmal nicht beantworten.

Wir gleiten hier übrigens gerade in rein theoretische Diskussionen ab :)

Ich will Deine Fachkenntnisse hier auch keinesfalls in Frage stellen.

Allerdings bin ich der Meinung, dass manche Frage nicht ganz so einfach beantwortet werden sollte.

Gruß
Uwe
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Fr, 09.03.12, 23:33

Die Wärmeableitung aufgrund der vorhandenen Masse kann man sehr schön bei Bratpfannen beobachten. Solche aus einem 1,5mm Blech werden zwar schneller heiß, aber die Wärme wird aufgrund der nicht vorhandenen Masse nicht oder nur geringfügig bis zum oberen Rand der Pfanne geleitet. Nimmt zum Vergleich eine aus einem dickeren Material, wird auch der Pfannenrand heiß. Es dauert aber länger bis diese richtig heiß ist.
Masse = Gewicht.

Gleiches trifft auch auf Kühlkörper zu. Je mehr Masse (also auch Gewicht) vorhanden ist, umso besser wird die Wärme geleitet und verteilt. Der Kühlkörper heizt sich langsamer auf. Berippte Kühlkörper sind gut, wenn eine ausreichend dicke Grundplatte vorhanden ist (das dürfen gerne 6 oder 10mm sein, oder noch mehr). Leider steigt damit aber das Gewicht (im Auto ist das Gewicht eher nebensächlich). Die Oberfläche ist allerdings auch wichtig. Was nützt der massivste KK, wenn kaum Oberfläche vorhanden ist und die abgeführte Wärme nicht mit der Umgebungsluft ausgetauscht werden kann? Nämlich gar nichts.

Der Kühlkörper muss so bemessen sein, dass die montierten Leds auch ohne Fahrtwind ausreichend gekühlt werden (egal wie lange der Wagen steht *). Mit Fahrtwind wird die Kühlleistung lediglich verbessert.

* Zum Beispiel an einer Baustelle. Wenn man in einer Reihe steht und sich nur mit Schrittgeschwindigkeit vorwärts bewegt, kann es schon ein Weilchen dauern, bis man endlich wieder Gas geben darf und Fahrtwind wieder bis an den KK gelangt.
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unoptanium
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Sa, 10.03.12, 10:10

Hi.


Also meiner Meinung nach ist so ein Kühlkörper für Deine Maschine dann einfach nicht
geeignet. Kein Platz und Fahrtwind zu unzuverlässig, ist ja kein Flugzeug mit Mindestgeschwindigkeit...

Wäre es möglich, z.B. 5...8mm dickes Alu Flachmaterial mit 25...50mm Breite zu verwenden?
Vorn abwinkeln und die LEDs rauf und dann verschwindet es nach hinten.
Entweder lang genug, um als Kühler zu reichen oder schön mit einem etwas dickeren Metallteil
des Rahmens verbunden. Ein Rohrlenker kann auch schon zig Watt wegkühlen...

Wasserkühlung fällt wegen des Aufwands ja wohl aus. Heatpipes nach hinten aus dem
Scheinwerfer raus wäre noch eine Variante?


Gruß, unoptanium
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