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Thema: Leds und Wärmeableitung

  1. #1
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    44 Leds und Wärmeableitung

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    Hallo

    Werden Leds nicht ausnahmslos mit niedrigsten Strömen versorgt, kann auf eine Heatsink nicht verzichtet werden.

    Leds geben im Gegensatz zu Glühlampen, den größten Teil der erzeugten Hitze auf deren Rückseite ab, also den Befestigungspunkt der Led, die per Reflow-Lötverfahren oder üblicherweise beim "Heim-Modding" per AA-Epoxy befestigt wird.
    Der Befestigungspunkt sollte aus einem gut wärmeleitfähigem Material sein, Alu oder besser Kupfer (beides üblich), und wird als Heatsink bezeichnet, von dem die Wärme an das Lampengehäuse weitergeleitet wird.
    Dort, an dessen Außenseite wird die Wärme an das umgebende Medium übertragen: Luft, Wasser, oder die Hand des Benutzers, dessen eigener Blutkreislauf (ca.38 Grad) die Lampe kühlt.

    Die Led selbst ist der "Hauptheizer" in einer Led-Lampe, neben den Zellen der Stromversorgung, einer elektronischen Regelung oder einfachen Widerständen.

    Der Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Leds sind primär von einer effektiven Wärmeableitung abhängig.

    Die Effektivität der Wärmeableitung in einer Lampe und somit die Qualität der Lampe an sich, kann durch scheinbar kleinste Fehler im Aufbau oder beim Zusammenbau fatal beeinflußt werden.

    So soll das AA-Epoxy (Wärmeleitkleber) so dünn wie möglich aufgetragen werden, um nur an (mikrospopisch) kleinen Unebenheiten der beiden Flächen einen Materialausgleich zu schaffen und eine Verbindung herzustellen.
    Auch sollte das Material und die Masse der Heatsink in einem ausgewogenen Verhältnis zur Led (den Leds bei multiplen Konfigurationen) und deren Ansteuerung bezüglich der Stromstärke stehen.

    Die Heatsink muß in der Lage sein, bei maximaler Led-Ansteuerung, die entstehende Hitze weiterzuleiten, ohne einen Hitzestau zu bilden.

    Oftmals wird behauptet, daß eine "heiße" Lampe ein Indiz für eine funktionierende Wärmeableitung sei.

    Das muß nicht zwingend der Fall sein.

    Ist z.B. die Heatsink unterdimensioniert, aber der Wärmetransport funktioniert bis zum Lampengehäuse, wird das Gehäuse warm/heiß, aber trotzdem wird die Led mit zu großer Hitze belastet, da die Heatsink selbst zu heiß wird und die "Menge Hitze" nicht "auffangen" und schnell genug weiterleiten kann - Folge: schwindender Wirkungsgrad mit reduzierter Lebensdauer.

    Der Wärmeaustauch muß in gleicher Weise funktionieren wie die Wärmeentwicklung selbst, dann kann man von einem thermisch gesunden Set-up sprechen.

    Als grobe Regel kann gelten, je mehr Masse vorhanden, desto "gesunder" der Wärmehaushalt.

    Deshalb sei dem Liebhaber kleinster Lampen mit großer Helligkeit gesagt, daß aufgrund der Baugröße diese Parameter nicht zusammenpassen und selten vom Lampenhersteller befriedigend gelöst werden, insbesondere dann, wenn Warnungen über begrenzte Laufzeiten in hellsten Modis ausgesprochen werden.

    Die Heatsink sollte auch auf keinen Fall, Hitze direkt an einen Treiber (falls vorhanden) oder die Energiequelle selbst (Akkus/Batterie) leiten, was leider auch vorkommt.

    Indirekt geschieht dies sowieso über das Lampengehäuse, was sich schwer vermeiden läßt, aber auch kein großes Problem darstellen sollte.

    Ich hoffe, dieser Post hat geholfen, ein paar Mißverständnisse aufzuklären bzw. den Sinn einer Heatsink zu veranschaulichen.



    Grüße

    _____
    Tom

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  3. #2
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    Avatar von Hiltihome
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    AW: Leds und Wärmeableitung

    Hallo Tom,

    Nach meinem Verständnis, ist das gesamte Lampen-Gehäuse der eigentliche Kühlkörper. Nur dieses kann Wärme an das umgebende Medium (Luft, Hand mit "Blutkühlung", Wasser) abgeben.

    Im Inneren der Lampe kommt es darauf an, dass der Wärmewiderstand zwischen Boden der LED, der Heatsink und dem Gehäuse möglichst gering ist.
    Um dieses Ziel zu erreichen ist es wichtig, dass alle beteiligten Materialen die Wärme möglichst gut leiten und sich so großflächig wie möglich und thermisch widerstandsarm berühren.

    Die Masse der Heatsink spielt da eigentlich keine Rolle, wenn die genannten Forderungen erfüllt werden.
    Eine große Masse verzögert lediglich die Wärme-Abgabe an das Kühl-Medium, trägt aber selbst nicht zur Wärmeabfuhr bei.

    Eine massive Heatsink kann allerdings die Zeit bis zum erreichen einer kritischen Temperatur verlängern. Sobald sich thermisch stabile Verhältnisse eingestellt haben, spielt nur noch der Wärmewiderstand eine Rolle.


    Ich denke wir sind hier der gleichen Meinung, nur habe ich es aus Deinem Beitrag nicht so eindeutig heraus gelesen.



    Heinz


    Ich habe aus diesem Thread mal einen Sticky gemacht, da er Grundlagen sehr ausführlich und anschaulich beschreibt.
    Geändert von Hiltihome (23.09.07 um 22:01 Uhr) Grund: typo
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  4. #3
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    AW: Leds und Wärmeableitung

    Zitat Zitat von Hiltihome Beitrag anzeigen
    Ich denke wir sind hier der gleichen Meinung, nur habe ich es aus Deinem Beitrag nicht so eindeutig heraus gelesen.
    Hallo Heinz

    Das denke ich auch

    Ich habe mich bemüht, es auf das Wesentliche zu beschränken, dabei aber doch etliches vergessen.

    Alleine mit diesem Thema "Wärmeableitung" könnte man einige Seiten füllen.
    Natürlich war die "möglichst große Masseregel" nur als grober Anhaltspunkt gedacht, wo auch letztlich ein Wärmetausch für eine funktionierende Ableitung am Medium stattfinden sollte.

    Anders sieht es bei Lampen aus, in denen kein Austausch zwischen den Umgebungsmedien und der eigentlichen Heatsink stattfinden bzw. nur begrenzt stattfinden kann, hervorgerufen durch nicht oder begrenzt wärmeleitende Lampenkörper (Kunststoffe).
    In solchen Fällen muß tatsächlich die Heatsink durch deren Masse in der Lage sein, die anfallende Wärme von der Led abzuleiten und ausreichend lange eine Überhitzung vermeiden.
    Hilfreich kann in solchen Fällen die Verwendung eines Temperatursensors sein, der den Strom nötigenfalls begrenzt.
    Solche Konstruktionen gehören nicht zu meinen bevorzugten, obgleich sie aber auch am Markt zu finden sind.



    Viele Grüße

    _____
    Tom

  5. #4
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    AW: Leds und Wärmeableitung

    Zitat Zitat von Long John Beitrag anzeigen
    ...Anders sieht es bei Lampen aus, in denen kein Austausch zwischen den Umgebungsmedien und der eigentlichen Heatsink stattfinden bzw. nur begrenzt stattfinden kann, hervorgerufen durch nicht oder begrenzt wärmeleitende Lampenkörper (Kunststoffe).
    In solchen Fällen muß tatsächlich die Heatsink durch deren Masse in der Lage sein, die anfallende Wärme von der Led abzuleiten und ausreichend lange eine Überhitzung vermeiden.
    Hilfreich kann in solchen Fällen die Verwendung eines Temperatursensors sein, der den Strom nötigenfalls begrenzt.
    ...

    Hallo Tom,

    Es gibt Einsatz-Zwecke, da ist eine Lampe mit Kunststoff-Gehäuse erwünscht, oder sogar vorgeschrieben. (Explosions gefährdete Umgebung...)
    In diesem Fall muss die Heatsink so massiv wie möglich sein, damit die Wärme aufgenommen wird; sobald das Temperatur Limit erreicht ist, sollte die Elektronik einschreiten und den Strom reduzieren.

    Solche Lampen gibt es und ganz allgemein sollten alle Hersteller, die Hot-LED-Lampen produzieren, das einbauen.



    Heinz
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  6. #5
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    AW: Leds und Wärmeableitung

    Zitat Zitat von Hiltihome Beitrag anzeigen
    Hallo Tom,


    Die Masse der Heatsink spielt da eigentlich keine Rolle, wenn die genannten Forderungen erfüllt werden.
    Eine große Masse verzögert lediglich die Wärme-Abgabe an das Kühl-Medium, trägt aber selbst nicht zur Wärmeabfuhr bei.
    Ich denke er spielt eher darauf an, dass der Kühlkörper eine Mindestgröße haben sollte, um die notwendige Kontaktfläche zur Wärmeübertragung bereitstellen zu können (hauptsächlich auf Seiten des Lampengehäuses). Nicht das am Ende an dieser Stelle ein Nadelöhr entsteht. Ausserdem kann es auch für den Nutzer unangenehm werden, wenn die Wärme nur sehr punktell auf das Gehäuse übertragen wird

  7. #6
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    AW: Leds und Wärmeableitung

    Zitat Zitat von Trabireiter Beitrag anzeigen
    Ich denke er spielt eher darauf an, dass der Kühlkörper eine Mindestgröße haben sollte, um die notwendige Kontaktfläche zur Wärmeübertragung bereitstellen zu können (hauptsächlich auf Seiten des Lampengehäuses). Nicht das am Ende an dieser Stelle ein Nadelöhr entsteht.
    Genau Trabireiter

    Da kommt eins zum anderen.

    Heinz schreibt, daß die Masse der Heatsink eigentlich keine Rolle spielt, wenn die Forderungen erfüllt werden.

    Die Masse der Heatsink ist aber ein maßgeblicher Faktor, damit die Forderungen erfüllt werden können (möglichst schnell die Hitze von der Led abzuleiten).

    Im Idealfall entsteht an keiner Stelle im System ein Hitzestau, d.h. über den Kontakt der Led an der Heatsink wird die Wärme an die Heatsink weitergeleitet, von dieser dann über deren Kontaktpunkte (entweder plane Flächen oder Gewindegänge mit Hilfe von Wärmeleitpaste) an das Lampengehäuse und von dort an dessen Außenseite und dem Umgebungsmedium.

    Verläuft dieser Hitzetransfer aber an irgendeiner Stelle nicht optimal, ist eine möglichst große Masse des Transport-/Speichermediums immer von Vorteil.
    Sei es die Heatsink oder das Lampengehäuse an sich.

    Z.B. funktioniert der Wärmetransfer einer Lampe X unter Versuchsbedingungen optimal.
    Wird diese Lampe aber bei außergewöhnlich warmen Umgebungstemperaturen eingesetzt, kann der verlangsamte Hitzetransfer vom Lampengehäuse zum Umgebungsmedium (Luft/Hand) ein Ansteigen der Temperaturen in der Lampe bewirken.
    Eine große Masse des Lampenkörpers hilft in diesem Beispiel, die Hitze von der Led fernzuhalten, bis eine gewisse Sättigung erreicht ist, selbst wenn der Transfer an das Umgebungsmedium nicht in gleicher Geschwindigkeit stattfindet wie die Wärmeentwicklung durch die Led.

    Dieses Thema ist sehr komplex und umso mehr verwundert es mich, daß manche Hersteller es arg vernachlässigen.
    Angefangen bei der Verwendung von "Klebepads" zum Befestigen der Leds bis hin zum vollständigen Verzicht auf eine Heatsink.

    Grüße

    ____
    Tom

  8. #7
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    AW: Grundlagen zu weißen LEDs und deren Ansteuerung

    Fragen und Antworten zu Kühlung von LEDs aus diesem Post abgetrennt und hierher verschoben. Hiltihome

    [...
    Noch eine Frage zur Kühlung: da LEDs nicht zu warm werden dürfen, sollten sie mittels Heatsink gekühlt werden. Wie dimensioniere ich den Träger für die LEDs? Gibt es Faustformeln dafür? Muß es ein richtiger gerippter Kühlkörper sein, oder reicht ein planes Stück Alu (oder L-, U-, Vierkant-Profil)? Immerhin sollen die LEDs im Zweifelsfall stundenlang bei Nennleistung leuchten ohne Schaden zu nehmen.


    Für Antworten wäre ich sehr dankbar. Sie müssen nicht unbedingt aus ausführlichen Postings bestehen. Wenn jemand gute Links hat, unter denen meine Fragen beantwortet werden, nehme ich diese auch dankend an ;-)
    Geändert von Hiltihome (17.02.08 um 22:03 Uhr) Grund: Teilthema in einen passenden Thread verschoben

  9. #8
    Registrierter Teilnehmer MF-Mitglied
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    Avatar von schrenz
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    AW: Grundlagen zu weißen LEDs und deren Ansteuerung

    Zitat Zitat von Northman Beitrag anzeigen
    [...]Noch eine Frage zur Kühlung: da LEDs nicht zu warm werden dürfen, sollten sie mittels Heatsink gekühlt werden. Wie dimensioniere ich den Träger für die LEDs? Gibt es Faustformeln dafür? Muß es ein richtiger gerippter Kühlkörper sein, oder reicht ein planes Stück Alu (oder L-, U-, Vierkant-Profil)? Immerhin sollen die LEDs im Zweifelsfall stundenlang bei Nennleistung leuchten ohne Schaden zu nehmen.
    [...]
    Mir sind zwar keine Faustformeln bekannt, allerdings funktioniert die Kühlung über die Masse des Heatsinks besser als über die Oberfläche (Rippen), Ausnahme sind Taucherlampen im Wasser.
    Also den Heatsink so groß wie möglich gestalten, falls technisch umsetzbar, solltest du auch drüber nachdenken, Kupfer statt Alu zu verwenden.

    Grüße
    Jens
    Denken - Drücken - Sprechen

  10. #9
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    AW: Grundlagen zu weißen LEDs und deren Ansteuerung

    Also ein bisschen muss ich Schrenz schon widersprechen - aber im Prinzip passt das schon, was er als Mensch mit praktischer Lampenerfahrung schreibt.

    IN der Lampe drin machts wirklich die Masse und Konduktivität des Kühlkörpers - ein guter Brocken Kupfer ist eben ziemlich das Beste, um größere Energiemengen vom zu kühlenden Objekt wegzubewegen UND auch kurzzeitige Leistungsschwankungen schnell und sicher ohne größere Temperaturschwankungen am Kühlobjekt auszugleichen. Das ist aber nur die halbe Miete, denn gerade im Dauerbetrieb muss der Heatsink die aufgenommene Energie auch wieder los werden - zumindest wenn man eine Lampe für Dauerlast konzipiert. Und hier kommen dann die Konzepte zum Tragen, welche neben der Wärmespeicher- und Aufnahmekapazität des Sinks auch auf die gute Wärmeübertragung an den Body und letztendlich von diesem an die Umwelt (Luft) Rücksicht nehmen, wo eben zusätzlich auch schon mal Kühlrippen aussen am Head sinnvoll sein können. Das Eine ohne das Andere wird immer suboptimal sein.

    Was Berechnungsformeln angeht, ist das so ne Sache: Für manche Bauteile und deren Wärmeübergänge bekommt man noch Aussagen in der Einheit K/W, so dass man Berechnungen anstellen kann - bei vielen Sachen, speziell dem letzten Wärmeübergang zur Luft handelt es sich aber um Daten, welche man empirisch, also durch Messung bestimmen muss. Deshalb sind diese Formeln auch dünn gesät.

    -ZiLi-

  11. #10
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    Avatar von schrenz
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    AW: Grundlagen zu weißen LEDs und deren Ansteuerung

    Im Prinzip (frei nach Radio Eriwan) hast du ja ebenfalls recht, allerdings funktioniert in der Taschenlampenpraxis die Kühlung optimalerweise nicht nur über die Umgebungsluft, sondern über die Hand des Benutzer (quasi eine Umlaufkühlung via Blutkreislauf ).
    In der Praxis hat sich dadurch einfache Masse immer als hilfreicher erwiesen als ausgekügelte Rippenkonstrukte.
    Edit:
    Aufgrund eines fruchtbaren Briefwechsels mit ZiLi ergänze ich aber nochmal ein paar Sachen:
    Er hat im Grund genommen insofern recht, dass die gesamte Lampe bezüglich ihrer Wärmeableitung so gut durchkonstruiert sein muss, dass sie ohne diese Wärmeableitung zum Benutzer auskommt, da es immer wieder Nutzungsweisen gibt, in denen die Umgebungsluft der einzige Weg ist, die Wärme abzuleiten (Tailstand, Handschuhe, Lampe irgendwo am Gepäck festgezurrt), dass dies bei vielen nicht der Fall ist, steht wohl auf einem anderen Blatt...

    @Northman
    Mir geistert seit einiger Zeit eine Idee durch den Kopf, für die ich noch wissen muß, ob sie so, wie ich mir das denke, überhaupt sinnvoll ist.
    Hört sich allerdings an, als würde es sich nicht unbedingt um eine Taschenlampenprojekt handeln (was in bestimmten Grenzen hier im Forum noch tolleriert wird, siehe Long Johns WoMo-Beleuchtung), ohne mehr zu wissen, fällt es schwer, dazu genauere Tips zur Kühlung zu geben, da sich nunmal die Anforderungen z.B. für eine Tauchlampe oder eine Wohnzimmerbeleuchtung grundlegend unterscheiden.

    Grüße
    Jens
    Geändert von schrenz (17.02.08 um 15:35 Uhr) Grund: Inhaltliche Ergänzung
    Denken - Drücken - Sprechen

  12. #11
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    AW: Grundlagen zu weißen LEDs und deren Ansteuerung

    Zitat Zitat von schrenz Beitrag anzeigen
    Im Prinzip (frei nach Radio Eriwan) hast du ja ebenfalls recht, allerdings funktioniert in der Taschenlampenpraxis die Kühlung optimalerweise nicht nur über die Umgebungsluft, sondern über die Hand des Benutzer (quasi eine Umlaufkühlung via Blutkreislauf :hmpf:).
    In der Praxis hat sich dadurch einfache Masse immer als hilfreicher erwiesen als ausgekügelte Rippenkonstrukte.
    Aber auch die größte Masse ist irgendwann warm, wenn der Wärmetransfer an das umgebende Medium nicht funktioniert, weil die Oberfläche zu klein ist.

    Zitat Zitat von schrenz Beitrag anzeigen
    @Northman
    Hört sich allerdings an, als würde es sich nicht unbedingt um eine Taschenlampenprojekt handeln (was in bestimmten Grenzen hier im Forum noch tolleriert wird, siehe Long Johns WoMo-Beleuchtung), ohne mehr zu wissen, fällt es schwer, dazu genauere Tips zur Kühlung zu geben, da sich nunmal die Anforderungen z.B. für eine Tauchlampe oder eine Wohnzimmerbeleuchtung grundlegend unterscheiden.
    Da es nicht um eine Taschenlampe geht, habe ich mir die Fragen vorher verkniffen und wollte mich auf die Suche nach einem passenderem Forum machen. Mit diesem Grundlagenthread eröffnete sich mir allerdings doch die Möglichkeit hier meine Fragen los zu werden, da sie IMHO thematisch dazu gehören :-)

    Bei meinem Projekt* habe ich kein Platzproblem, da die drei LEDs nicht unbeding innerhalb eines 50mm Durchmessers platziert werden müssen. Das mit dem Aluprofil war schon ernst gemeint. Angenommen ich nehme 20cm U-Profil mit einer Kantenlänge von 15mm und verteile die drei LEDs darauf. Würde das ausreichen? Wie kann ich das testen? Immerhin geht es nur um ca. 9W die abgeführt werden müssen.

    * so lange das noch nicht auf Machbarkeit getestet wurde, will ich noch nicht mehr darüber verraten. Will mich schließlich nicht blamieren ;-)


    Bevor aber das Thema Kühlung dran kommt, muß die Frage der Ansteuerung geklärt werden.


    Gruß, Carsten

  13. #12
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    AW: Grundlagen zu weißen LEDs und deren Ansteuerung

    Schau halt mal in Elektronikkatalogen nach, welche fertigen Alukühlkörper vergleichbarer Masse und Oberfläche welchen Wärmewiderstand haben. Zusammen mit den Emitter- bzw. Star-Datenblättern und den dortigen Angaben zu Wärmewiderständen und erlaubten Temperaturen hast Du eine Grundlage zur vorherigen zumindest größenordnungsmäßigen Abschätzung an der Hand, bis zu welcher Außentemperatur die Kühlung des von Dir gewählten Profils ausreicht, z.B. 10 Watt Wärmeleistung an die Umwelt loszuwerden.

    Da aber Lampenthemen hier im Messerforum nur als "Gadgets und Gear" mitlaufen und sich das MF somit bewusst auf real existierende Taschenlampen beschränkt, wäre es jetzt vielleicht doch langsam angebracht, sich (auf DIESES Thema bezogen) einem Fachforum zuzuwenden. Off-list-Mailanfragen an die üblichen Verdächtigen gerichtet wird Dir aber kaum einer übel nehmen; schlimmstenfalls bekommste einfach keine Antwort. Diese Leute sind aber meist auch in eben jenen Fachforen unterwegs...

    -ZiLi-
    Geändert von ZiLi (17.02.08 um 19:39 Uhr) Grund: Hinweis zum Forenzweck ergänzt

  14. #13
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    AW: Leds und Wärmeableitung

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    Hallo,

    Die Fragen von Northman beziehen sich eindeutig nicht mehr auf Taschenlampen und sind hier nur dann nicht O.T., wenn sie allgemeinen Charakter haben.

    Fragen zur Dimensionierung von Kühlkörpern für Deckenleuchten und für sonstige allgemeine Beleuchtungszwecke passen nicht ins Messerforum.
    Zwar wird Gadget und Gear besprochen und somit auch Taschenlampen, aber eine Ausweitung zu einem Forum für LED Beleuchtung geht auf keinen Fall.


    Einen Tip gebe ich dennoch:

    Die runden Kühlkörper mit Kupferkern für Pentium 4 CPUs eigenen sich sehr gut um passiv eine gute Kühlung zu erreichen.
    Speziell die älteren Ausführungen, bei denen der Ventilator einen dreipoligen Stecker hat, sind bei PC Besitzern sehr unbeliebt, weil laut.
    Diese Kühler sind online oft für einen Euro zubekommen.
    Der Ventilator wird natürlich entfernt, obwohl man auch über einen Betrieb mit gedrosseltem Ventilator nachdenken kann.


    Heinz


    Bitte jetzt das Thema nicht ausweiten; siehe oben, sonst bekommen wir noch Ärger mit dem Chef des Forums....
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