Kühlung Chip on Board 4W

[sventyfourfive]

Hallo,

ich hätte eine Frage zum Thema Kühlung bei den Citizen Chip on Board LEDs .

Ich bau gerade eine Schreibtischlampe, der Kopf soll aus Alu gefräst werden und hat eine stärke von 3mm. Der Prototyp auf dem Foto is aus Kunststoff, weshalb er mir keinen Aufschluss über die Wärmeentwicklung gibt.

Die Frage ist: Wie kann ich die Dimensionen eines notwendigen Kühlkörpers errechnen, bzw. langt eine einfach 3mm dicke "Aluplatte" oder brauch ich Lammellen auf der Oberseite? Und ich weiss die Frage ist vermutlich bescheuert , aber ich hab trotz langer Recherche und blick in mein altes Physikbuch nicht verstanden ob der Kühlung eher eine noch dickere oder noch dünnere Platte zugute kommen würde.

Ich bedanke mich schonmal sehr für eure Hilfe! Echt super hier im Forum, hab bereits viel aus anderen Einträgen lernen können!

Ich hoffe die Fotos sind nicht allzu verwirrend und unscharf. Zu sehen ist darauf auch eine 2mm Alu Abdeckblende.

Vielen Dank und beste Grüsse!

Foto am 02-09-2012 um 19.50.jpg (94.68 KiB) 7639 mal betrachtet

Foto am 02-09-2012 um 19.51 #2.jpg (71.8 KiB) 7639 mal betrachtet

[t_schulz]

Hallo,

die Wärmeabgabe an die Umgebung durch Strahlung und Konvektion hängt in erster Linie von der Oberfläche (Größe und Beschaffenheit) des "Kühlkörpers" ab.

Die Wärmeleitung im Inneren des KK hängt vom Querschnitt ab.

Es ist also sinnvoll den Queschnitt nicht zu klein zu machen, damit die Wärme in alle Bereiche des KK geleitet werden kann.

Der Wärmewiderstand für Konvektion liegt bei ca. 1/(alpha*A) wobei alpha bei unbewegter Luft ca. 5W/(m^2*K) ist.
Der Wärmewiderstand für Strahlung liegt bei ca. dT/(A*eps*sig*d(T^4)) .
Epsilon ist der Emissionsgrad, sigma die Stefan-Boltzmann-Konstante.

Gruß
Thomas

[Borax]

langt eine einfach 3mm dicke "Aluplatte" oder brauch ich Lammellen auf der Oberseite?

Für 4W reicht eine 3mm dicke "Aluplatte" bei ausreichender Größe (ca. 10x10cm) und senkrechter Montage aus. Ich kann den Fotos aber nicht entnehmen, wie groß das wirklich ist.
Zur Abschätzung der nötigen Kühlfläche kann man die Grafik von hier verwenden:
viewtopic.php?p=137622#p137622
Gilt aber so nur für quadratische Bleche!

[sventyfourfive]

Wow. Das ging flott! Sehr vielen Dank! Das hilft mir ja bereits sehr weiter...zumindest weiss ich nun dass mein Kühlkörper nicht ausreicht und ich mir was überlegen muss. Das Foto täuscht scheinbar...der Kopf ist in etwa 5 auf 9 cm gross.

Bin mir nicht im klaren wie ich die Formel anwende, allerdings les ich raus dass die Oberfläche des Kühlkörpers auf der "Luftseite" einen entscheidenden unterschied macht. Die könnte ich ja mit Einfräsungen ("Lamellen") leicht verdoppeln, oder?

Oder ist vielleicht die Idee mit einer einzigen Chip on Board LED bereits nicht Sinnvoll? Platz, wie man auf dem Foto sieht hätte ich ja noch zur Verfügung! 200lm wären halt schick.

Danke nochmals für die Hilfe!

[Borax]

die Idee mit einer einzigen Chip on Board LED

Doch. Das ist schon ok. Wichtig ist insbesondere der gute thermische Kontakt der LED zum Kühlkörper - egal ob das jetzt ein Blech, ein 'echter' Kühlkörper oder ein geeignetes Gehäuse ist. Der Wärmewiderstand der Citizen COB ist mit 6.4K/W nicht gerade berauschend (IMHO zu hoch), das Nichia Smart-Array: http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Chip ... weiss.html wäre mit 2.4K/W da schon wesentlich besser. Hat allerdings nur einen CRI von 85. Wobei das für eine Schreibtischlampe normalerweise auch reichen müsste. Außer es geht um eine Schreibtischlampe zur Beleuchten von Fotos.
Nur mal als Beispielrechnung:
Nehmen wir an, Dein Kühlkörper (Blech, 'echter' Kühlkörper oder nur Gehäuse) hätte einen Wärmewiderstand von 10K/W (das entspricht einem geschwärzten 3mm Alu-Blech mit ca. 70cm² bei waagrechter Montage - das könnte bei Deinem Gehäuse mit Rundung, Arm... gerade so etwa hinkommen). Die LED (egal welche) wird mit 4W betrieben. Ohne Wärmeübergangswiderstände würde sich also der Kühlkörper im Betrieb um 40°C über die Umgebungstemperatur erwärmen. Bei einer Umgebungstemperatur von 30°C wären das 70°, das ist IMHO noch ok, weil man sich da gerade noch nicht die Finger dran verbrennt (ist zwar schon unangenehm heiß, aber tut noch nicht weh - außer man lässt die Finger längere Zeit drauf - dann ist man aber selber schuld).
Als ersten Wärmeübergangswiderstand rechnen wir mit 1K/W denjenigen, den Du rein bringst weil die LED mit Wärmeleitpaste oder Kleber befestigt werden muss. Macht 4°C mehr an der LED. Beim Citizen COB kommen dann weitere 25°C dazu (6.4K/W * 4W) das ergibt dann insgesamt recht genau 100°C Junction Temperatur an der LED. Wäre also auch noch ok. Beim Nichia Smart-Array mit nur 2.4K/W sind es dagegen weniger als 90°C, was die Lebensdauer vmtl. um ca. 50% erhöht.

[sventyfourfive]

OK, super. Vielen Dank. Das Beispiel hat mir sehr geholfen und ich denk ich habs nun verstanden. Werd jetzt noch mal alles berechnen und hoff später verbrennt sich keiner die finger daran!

Danke!

[Achim H]

das Nichia Smart-Array: http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Chip ... weiss.html wäre mit 2.4K/W da schon wesentlich besser.

So ganz kommt das aber nicht.

Die auf dem Array verbauten Leds sind die NSSL157AT-H3. Laut Datenblatt hat diese Led alleine schon einen Wärmewiderstand von typ. 22°C/W bis max. 30°C/W. Der Wärmwiderstand wird nicht dadurch besser, dass eine Aluplatine drunter montiert wird, sondern er wird erst einmal noch etwas schlechter. Möglicherweise beziehen sich die 2,4k/W nur auf diese Aluplatine.

Wenn das Array mit 350mA bestromt wird, erzeugt jede Led 0,2625W (3V x 0,0875A).
22 bis 30°C/W x 0,2625W = 5,8 bis 7,9°C.

Beim Nichia Smart-Array mit ...[Wert gelöscht]... sind es dagegen weniger als 90°C, was die Lebensdauer vmtl. um ca. 50% erhöht.

Sehr wahrscheinlich sind es sogar unter 85°C.

[Borax]

Da hast Du wahrscheinlich recht. Aber was ich nicht selbst gemessen habe, übernehme ich erst mal 'einfach so' vom Datenblatt.
War ja auch nur als Beispielrechnung gedacht. Ob die Werte stimmen, kann man (ohne sie selbst nachzumessen) sowieso nie sicher sagen...

[Achim H]

Ich mache gleich mal eine Mail an Caro fertig. Die soll das an die betreffende Abteilung weiterleiten. Da ist irgendwo ein Fehler drin.
Mail ist unterwegs.

Gehört nicht zum Thema:
Anfang der nächsten Woche bekomme ich endlich meine Platinen für beide Freq-Zähler.