Kühlung Spezial

    Kühlung Spezial

    Hallo zusammen,

    beim Umbau einer IP44 Terrassenleuchte (bzw. 5 solcher Leuchten) auf RGB LED ist mir leider ein Planungsfehler unterlaufen: Ich hab total die Wärmeentwicklung vergessen *facepalm*

    Folgende Fakten liegen vor:

    * Eigene Platine mit 21 Stück 5050 RGB LEDs, Durchmesser 54mm. Braucht nicht ganz 15 Watt@12V
    * "Gehäuse" ist ein "Metallbecher mit 1mm Wandstärke. Dieser Becher ist mit einer Glasscheibe mit Gummidichtung abgedeckt/verschraubt (der liegt auf dem oberen Rand im Becker auf) und sitzt in der Lampe.
    * Alles zusammen und eingebaut wird der Metallbecher nach nicht ganz 10 Minuten sehr heiß. Man kann ihn noch anfassen, aber man fängt an - wenn man alles öffnet - die "Platine zu riechen". Finger auf die LEDs geht noch, aber sehr heiß. (muss mir mal ein IR Thermometer zulegen...)

    Unter der Platine im "Becher" ist Platz für Durchmesser 40mm. In der Tiefe hat der Becher da Platz für ca. 25-30mm (eigentlich bis 35mm, aber es müssen ja noch Kabel raus gehen...)

    Kurzum:

    Ich könnte unter die Platine einen runden Kühlkörper mit 40mm Durchmesser und bis max. 30mm Höhe kleben (thermal pad, beidseitig klebend), wenn ich an der Stelle wo die Kabel auf die Platine gehen Löcher bohre, und da wo die Widerstände sitzen Vertiefungen bohre.

    Auf die schnelle habe ich keinen passenden Kühlkörper gefunden. Würde es reichen wenn ich Alu-Rundmaterial, massiv 40mm in 25mm Scheiben schneide und an den passenden Stellen Löcher/Vertiefungen bohre (siehe Foto mit Papier-Vorlage)? Reicht das als "Kühlvolumen"? Ja, ich weiß, mehr Oberfläche kühlt besser. Aber in dem Becker ist das schwer. Und weglassen kann ich den Becher wegen IP44 auch nicht ganz.

    Oder hat jemand einen besseren Kühlvorschlag der den "Becher" und die Platine nicht gleich ganz verwirft und die LEDs auf Dauer am leben lässt?
    Bilder
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    Einfach Alustangen mit Wärmeleitkleber anbringen dürfte das Effizienteste in diesem Fall sein, wenn man Aufwand und Kosten mit berücksichtigt. Die Alustangen sollten soweit es geht bis zum Boden des Leuchtengehäuses gehen, welches wohl aus Kunststoff ist? Großartige Kühlkörper bringen in dem Fall nichts, weil dann die schwächsten Glieder in der Kette das Kunststoffgehäuse und der Übergang bei den LEDs wäre. Vielleicht könntest du auch die Alustangen deutlich dicker und länger machen, sodass dies ein den Erdboden reichen und so die Wärme besser abführen. Dann bleibt jedoch das schwächste Glied in der Wärmeleitungskette der Übergang der LEDs zu den Kühlern. Ich kann hier nur die Cree XM-L RGBW empfehlen. Die ist bei weitem moderner und passender für solche Zwecke. Außerdem hat sie noch Weiß als weitere Farbe.

    Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von „John.S“ ()

    Der Metallbecher ist, wie der Name schon sagt: Aus Metall. Die Leuchte an sich ist also Polyresin (Kunststein.. irgend ein gemisch aus Harz und zerbröseltem Stein). Das ist sehr massiv und schwer, und so wie ich das sehe, weitgehend temperaturunempfindlich.

    Mit Metallstangen ankleben meinst du kleine Metallstangen an die Unterseite der Platine senkrecht stehend aufkleben?

    Die Metallstangen "länger machen, bis in den Erdboden" ist nicht möglich. Zum einen müsste ich dann aus dem Metallbecher "ausbrechen" (und das würde IP44 zunichte machen) und zum anderen ist die Lampe nicht zum "auf die Erde stellen". Die Lampe hat einen dicken Boden von ca. 3m Stärke und wird auf eine Betonplatte gedübelt.

    Mir geht's nicht drum das ganze auf "eiskalt" zu trimmen, sondern nur soweit, dass ich 15W LED darin auf Dauer betreiben kann ohne alle 6 Monate die LEDs tauschen zu müssen.

    Gibt's denn keine Erfahrungsswerte in Form von "Packe xx cm³ pro Watt als Kühlkörper drauf und gut ist"?!
    Ja, so in etwa habe ich mir das eh vorgestellt und wollte genauer nachfragen. Auf längere Sicht bleibt wohl nichts übrig, als auf moderne HP-LEDs oder eine geringere Bestromung umzusteigen. Das Kunststoffgehäuse leitet die Wärme schlecht und der Metallbecher (welches Metall?) ist im Idealfall aus Alu und leitet die Wärme sehr gut. Trotzdem kriegen die LED in der Konstruktion ihre Wärme nicht auf den Metallbecher und dieser nicht nach außen. Das erste kann man ändern, das zweite wegen des Gehäuses nicht. Die 15W wären denke ich mal noch gut kühlbar mit XM-L, ich denke eine einzige auf 700mA würde sogar weitaus mehr Licht erzeugen als diese LEDs.

    Meine Idee wäre, Alurundstangen bei Ebay zu kaufen, die in den untersten Teil des Bechers passen. darauf dann eine moderne RGB/W-LED anbringen. Unten an der Außenseite des Bechers dann ein paar Aluprofile anschrauben oder mit Wärmeleitkleber ankleben, soweit es der Platz im Innenraum der gesamten Leuchte erlaubt. Der Becher muss dabei nicht unbedingt beschädigt werden.

    Erfahrungswerte gibt es nur sehr ungenaue. Es kommt darauf an was man haben will und auch stark vom Aufbau ab.

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    Ein Kühlkörper *in* dem Becher bringt original gar nix, das Problem ist ja, dass die Wärme vom Becher nicht weg kommt. Das kann sie natürlich nicht, wenn der Becher komplett in Plaste steckt. Der Übergang von den LEDs zum Becher scheint ja nicht schlecht zu sein, schließlich wird er ja nach 10 Min. sehr heiß.

    da bleibt dann nur noch, die Wärme vom Becher irgendwie (Dickes Alu/Kupfer, Heatpipe?) auf den Beton zu bringen. Auch wenn das nicht der beste Wärmeleiter ist, sicher besser als das Polyresin...
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    Die besagte Cree LED lässt sich sicherlich besser an einen Kühlkörper/Kühlfläche anschließen, ABER

    * Preis: rund 15EUR je Stück. Bei den benötigten 5 Stück läge ich schon bei 75EUR. Das ist Faktor 3x teurer als die bisherige (aber schlecht gekühlte) Lösung (inkl. Platinenfertigung, LEDs, ...)

    * Bei 350mA je Chip liegt laut Datenblatt die Lichtausbeute bei 227 Lumen (+- 7%). Auch nicht heller als die jetzige Lösung.

    * Ein vermeintlicher Vorteil wäre jedoch: Bei 350mA je Chip braucht das Teil nur 4,1125 Watt. Also die LED selbst. Da ich aber mit 12V CV PWM ansteuern will/muss, muss noch ein Vorwiderstand je Chip her. Die vier Vorwiderstände verbrennen weitere 12,675Watt. Zusammen bin ich dann auch wieder bei 16,7875Watt ... Ich könnte den weißen Chip auch weglassen und nicht ansteurern, aber selbst dann liege ich noch im Bereich der bisherigen Lösung. Bin also wieder genauso blöd dran wie bisher. Vermutlich sogar schlimmer, da ich 3-5W dicke Vorwiderstände einbauen muss, die auch wieder Platz und Kontakt zu Kühlmaterial brauchen.

    Wenn ich jetzt mehr Licht bräuchte als die rund 200 Lumen (was ich in der Tat aber nicht brauche, da dies nur eine Ambiente-Beleuchtung sein soll) und auf 700mA gehen würde, würde ich noch dickere Widerstände brauchen, und es gäbe noch mehr Watt zu Kühlen.

    Alles in allem: Eine wohl ziemlich verfahrene Sache. Die Wärme auf den Beton bringen... dazu müsste ich die Lampe unten öffnen und hätte ein wohl recht komplexes Konstrukt einer Art Heatpipe die auch noch irgendwie mit dem Beton verbunden werden müsste?!

    Ein Kühlkörper *in* dem Becher bringt original gar nix, das Problem ist ja, dass die Wärme vom Becher nicht weg kommt.


    Naja, so ganz beim Wort nehmen kann man den Satz nicht. Es geht schon wärme weg (sonst würde der Becher mit seiner Temperatur stetig steigen), aber augenscheinlich in zu geringem Maße. Ist nur die Frage: Wenn ich den Metallanteil erhöhe: Reicht die abgeführte Wärme aus um die LEDs am leben zu lassen... Aber so pauschal wird man das wohl nicht beantworten können.

    Entweder mir fällt ein adäquater "Becherersatz" ein den ich besser gekühlt bekomme (wobei ich dann das IP44 Thema komplett neu Lösen müsste), oder ich geh mal den Try&Error-Weg ... Ich meine: Die Platinen hab ich ja schon. 40mm Alu Rundmaterial kostet nicht die Welt und ein Versuchsaufbau ist recht schnell und günstig gemacht. Zu verlieren hab ich quasi nix. Von vorne anfangen kann ich quasi immer noch.

    Wenn jemand noch weitere Ideen hat: Ich bin offen für alles ...
    Sonst gibt es ja auch bei eBay vergleichsweise billige RGB-LEDs (Emitter). Du könntest jeweils 3 Stück in Reihe schalten und müsstest dann nicht mehr so viel Restspannung vernichten. Die LEDs auf dem Alu-Rundmaterial befestigen und dieses dann wärmeleitend mit dem Becher. Auf der Unterseite des Bechers dann noch ein einige Aluprofile. Sonst gibt es auch noch RGB-COBs, die gleich von sich aus bei 10-12V liegen, sodass du mit einer einzigen auskommen würdest. Musst bei eBay/Amazon etwas suchen, ob du was passendes und billiges findest.

    Edit: Auf die Schnelle habe ich zum Beispiel die hier gefunden: ebay.de/itm/Bunte-10W-450LM-RG…669eee:g:KzAAAOSwdzVXtRf7 Dürfte von der Qualität nicht annähernd an die Cree rankommen, aber immer noch weitaus besser als die vielen kleinen LEDs die schlecht gekühlt werden.

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    Kein Kühlkörper in den Becher. Das bringt nix.

    Ich würde unter die Platine vollflächig eine z.B. 10mm Aluscheibe kleben. Wie du schon schriebst mit Aussparungen für Kabel und Widerstände.
    Die Aluscheibe so groß wie die Platine.
    Damit liegst du auf dem Absatz des Bechers auf und hast eine thermische Verbindung von der Platine auf das Material des Bechers und damit ein Oberflächenvergrößerung.
    Da die Leuchte i.d.R. wohl Außen betrieben wird und dann wahrscheinlich auch noch eher bei Dunkelheit und in Deutschland die Außentemperaturen meist unter 20°C liegen, sollte das meiner Meinung nach als Kühlung ausreichen. Falls es nicht passt würde ich den Strom etwas verringern. Wenn es dann keine 100.000 Betriebsstunden durchhält sondern nur 35.000 was solls. Selbst das wären etwa 4 Jahre Vollbetrieb 24/7.
    Sämtliche Angaben ohne Gewähr und ohne Anspruch auf Vollständigkeit!
    Meine Schaltung auf der Platine hat schon jeweils drei in Reihe. Ich denke nicht, dass es einen sooo schlechten Wärmeübergang von LED zu Platine gibt. Klar, er könnte besser sein aber:

    Exakt die gleichen LEDs sind auf RGB LED Streifen zu finden, in exakt der gleichen Konstellation (jeweils 3 Stück zusammen) mit exakt den gleichen Widerständen.

    Kurzum: Die Platine entspricht ca. 1m RGB LED Streifen. Nur eben auf einer Kreisfläche mit 54mm Durchmesser statt auf dem Band mit 100cm x 8mm.
    Die Platine selbst ist schon auf "möglichst viel Kupfer" ausgelegt um möglichst viel Wärme aufnehmen zu können.
    Ich bin mir sicher, dass sie die Wärme der LEDs recht gut annimmt und weiter gibt. Zumindest nicht schlechter als bei den LED Streifen. Und die lassen sich ja gut "kühlen".

    Ich bin mir auch sicher, dass ich mit einem 40mm runden Aluzylinder die Wärme gut von der Platine an das Alu rüber bekomme (siehe Foto mit Papiervorlage und den Ausschnitten für die Widerstände/Kabel). Wärmeleitpad vorausgesetzt.

    Die Frage ist nur: Reicht das Alu-Volumen und die Oberfläche aus um die LEDs am leben zu lassen und wie verhält sich das mit der "schlechten Luftzirkulation in der Lampe".

    Ich habe bei mir (weiße) LED Streifen zum beleuchten der Zimmer verbaut. Hier hab ich 7,2W/Meter. Diese kleben auf einem L-Profil mit 15x15x2mm.

    Um die gleiche Watt-Leistung wie die RGB-Platine hier zu haben, muss ich davon 2m nehmen (7,2W * 2 = ca. 15 Watt, passend zur LED Platine).

    Das Alu-Volumen liegt dann bei 2m diesen Profils bei 60cm³.
    Die Oberfläche die auf diesen 2m an die Luft kommt liegt bei der von mir eingesetzten Befestigungsvariante bei 660cm².

    Das Profil wird weder heiß noch warm. Erwärmung quasi nicht feststellbar. Ergo: 60cm³ und 660cm² Alu scheinen super ausreichend für rund 15W LEDs zu sein.

    Das Rechenbeispiel bezogen auf den angedachten Alu-Zylinder-Kühlkörper:

    Volumen (Vertiefungen und Bohrungen mal außer acht gelassen): 40mm rund, 25mm hoch --> 31,4cm³ Also ca. die Hälfte vom L-Profil
    Fläche: 31,4cm² Mantelfläche + 12.56cm² Kreisfläche = 43,96 --> 15x weniger als das L-Profil

    Vielleicht reicht das nicht für "Erwärmung nicht feststellbar" wie bei den LED Streifen, aber vielleicht reicht das für "die LED überlebt". --> Ausprobieren.

    Mit etwas "Bechermodifikation" könnte ich den Alu-Zylinder länger ausfallen lassen und "an die Umgebungsluft" in der Lampe bringen (Becher knapp unter der Auflagefläche für die Platine absägen, Luft-Kontakt zur Platine entsprechend "vermeiden/isolieren" um IP44 zu erhalten). Und wenn ich in den Zylinder unten noch ein paar Schlitze säge, hab ich mehr Oberfläche (aber weniger Materialvolumen).

    Ich denke ich werde das einfach mal ausprobieren.

    Andere LEDs produzieren (wie man hier schon gesehen hat) nicht weniger Abwärme (inkl. Vorwiderstände) bei gleicher Lichtleistung. Der einzige Vorteil ist der vermeintlich bessere Kühlanschluss. Aber LED Streifen lassen sich ja auch kühlen ohne dass man sich ein Bein ausreißen muss oder die LEDs ständig heiß sind.

    Mal schauen....

    Kanwas schrieb:

    Kein Kühlkörper in den Becher. Das bringt nix.
    Einverstanden.

    Ich würde unter die Platine vollflächig eine z.B. 10mm Aluscheibe kleben. Wie du schon schriebst mit Aussparungen für Kabel und Widerstände.
    Die Aluscheibe so groß wie die Platine.


    Meinst du das reicht bei knapp 15W aus?

    In der tat wäre es für die Lampe besser, die Platine würde rund 10mm höher sitzen. Von daher würde dieser Ansatz gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen.


    Damit liegst du auf dem Absatz des Bechers auf und hast eine thermische Verbindung von der Platine auf das Material des Bechers und damit ein Oberflächenvergrößerung.


    Weiß nicht wie sauber/satt die Auflage dann ist. Aber es wäre ein Anfang. Mit einem Wärmekleber fest verkleben ... Dann würde ich da nie wieder sauber rankommen/die Platine ausbauen können... ?!

    Da die Leuchte i.d.R. wohl Außen betrieben wird und dann wahrscheinlich auch noch eher bei Dunkelheit und in Deutschland die Außentemperaturen meist unter 20°C liegen, sollte das meiner Meinung nach als Kühlung ausreichen. Falls es nicht passt würde ich den Strom etwas verringern. Wenn es dann keine 100.000 Betriebsstunden durchhält sondern nur 35.000 was solls. Selbst das wären etwa 4 Jahre Vollbetrieb 24/7.


    Ja, die Lampe ist im Außenbetrieb und steht in einer Natursteinmauer-Niesche. Volle Sonneneinstrahlung wäre hier eh nicht gegeben.
    Woraus besteht denn die Platine? Normal aus Epoxidharz + Glasfasern, wie es typisch für Leitenplatten ist? Nun, die leiten die Wärme miserabel, sodass man da von einer guten Wärmeableitung der LEDs nicht einmal annähernd reden kann. Auch nicht mit der Kupferschicht oben drauf. Gegenüber Alu hast du da locker einen Faktor von 500-1000 drin, wenn man von 0,2W/mK vs ~200W/mK ausgeht.

    Außerdem haben LED-Streifen wie du richtig berechnet hast eine bei weitem größere Oberfläche und hier kommt es in erster Linie darauf an. Weiterhin fließt da pro Fläche der LED-Streifen auch weniger Wärme, sodass Delta-T bei selbem Wärmestrom auch deutlich geringer ausfällt. Zusätzlich hast du da eine freie Anströmung, sodass der Wärmeübergangskoeffizient Alpha bei weitem größer ist als in der Lampe. Wärmeleitpads sind auch alles andere als gut. Das alles summiert sich zu einem schlechten Wärmemanagement.
    Woraus besteht denn die Platine? Normal aus Epoxidharz + Glasfasern, wie es typisch für Leitenplatten ist?


    Und Kupfer.

    Wie gesagt ist die Platine so designed, dass es möglichst viel Kupferflächen gibt. Und der Top-Layer ist mit dem Bottom-Layer auch noch durch übermäßig viele VIAs verbunden, was die Wärme besser von der einen auf der andere Seite leiten lässt. Diverse ICs, vor allem im SMD Bereich, setzen darauf, ihre Wärme über die Platine los zu werden. Und genau so wurde auch diese Platine entworfen.

    Selbstredend ist der Wärmeübergang nicht so gut wie wenn die LED mit ihrer metallenen Kühlfläche direkt mit einem Kühlkörper verbunden wäre. Aber die Platine ist bestmöglich darauf ausgelegt die Wärme zu transportieren. Mehr geht nicht.

    Außerdem haben LED-Streifen wie du richtig berechnet hast eine bei weitem größere Oberfläche und hier kommt es in erster Linie darauf an.


    Ca. Faktor 4 wenn man es genauer nimmt.
    Die "Dichte" der LEDs auf meiner Platine ist Flächenmäßig höher, ja.

    Und selbstredend ist das Wärmemanagement nicht besonders gut, aber es muss auch nicht so gut sein dass keine spürbare Erwärmung vorhanden ist. Es reicht wenn die LEDs einfach lange leben (idealerweise mich überleben).
    Muss wohl am Rande geistiger Umnachtung schlicht 12V Versorgungsspannung * 0,06A pro LED * 21LEDs gerechnet haben. Nur so komme ich auf 15,12W ... *facepalm*

    In der Tat ist das absoluter Blödsinn.

    Der rote Chip läuft mit 2V und 20mA
    Der grüne Chip läuft mit 3,1V und 20mA
    Der blaue Chip läuft mit 3,1V und 20mA

    Das macht zusammen 0,164W pro LED.
    Bei 21 LEDs macht das 3,444Watt.

    Es sind je drei RGB LEDs in Reihe geschaltet. Bei den Vorwiderständen habe ich 300 Ohm für rot, und für die anderen beiden Farben 130 Ohm genommen um für ausreichend Spannungsabfall zu sorgen. Somit ergibt sich pro 3er RGB LED Block ein Verlust von 0,224Watt.
    Da ich 21 LEDs hab, macht das 7 solcher 3er Blöcke, womit sich der Verlust über die Widerstände auf 1,568Watt aufsummiert.

    Zusammen mit den LEDs ergeben sich also 5,012Watt. Leider hab ich keine Daten zum Wirkungsgrad der LEDs, aber ich denke das kann hier vernachlässigt werden.

    Und bei den "nur noch 5W" die ich da pro Lampe im Metallbecher hab, dürfte eine 10mm Dicke Alu-Scheibe mit rund 55mm Durchmesser schon immens helfen. Und wenn die dann noch einen guten Kontakt zum Metallbecher hat: Prima. Müsste gehen.

    Danke für den dezenten Hinweis @Ledsfetz ... Schon ist die Welt etwas klarer.
    Dachte schon ich bin Heute zu blöd zum rechnen.
    Aber Deine stimmt mit meiner überein.

    Das mit der Aluscheibe könnte gehen, wenn nicht bleibt dir nur die Möglichkeit die Spannung zu reduzieren.
    Ich habe hier eine Platine mit 12 x 3 5050 LEDs in RGB.
    Bei ws werden die ca 65 Grad warm, wobei die Platine frei liegt.
    Was bei Dir ja nicht der Fall sein wird.
    Zur Wärmereduktion hab ich da noch ne Idee, die ich dann ggf. in Software umsetzen kann:

    Ursprünglich hatte die Lampe 88 Lumen und war warmweiß. Ich wollte aber RGB haben es sollte ein klein wenig heller sein als die 88 Lumen wenn ich auf "weiß" stelle.

    Ich könnte jetzt in der SW die Last quasi je nach Farbeinstellung aufsummieren und dann, wenn es "zu viel ist" einfach gemeinsam über alle Farb-Kanäle runter reduzieren.

    Damit würden Einzelfarben ihre volle Helligkeit ausspielen können, und je weiter die Mischung in "helles weiß" geht, wird der Strom über die PWM Ansteuerung über alle Kanäle reduziert. Vllt. von ca. 200 Lumen wenn ich alle drei Farben jeweils mit 20mA befeuere runter auf vllt. 150 Lumen mit "etwas weniger als 20mA pro Farbe.

    Mal schauen, erstmal kommt die Alu-Scheibe zum Einsatz, dann mess ich mit dem gestern bestellten IR Thermometer nochmal.
    Wie du die Wärme der Widerstände elegant umgehen kannst, ist mit einer getakteten KSQ. Ich habe dafür eine universelle Platine fertignen lassen.
    Biete PCBs für getaktete KSQ - dimmbar
    Das Datenblatt zum verbauten Chip habe ich von dort aus verlinkt. Falls du das Layout anpassen willst, kann ich dir auch die Eagle Files zu meiner PCB schicken. Kurze PM reicht.
    Das ist keine Raketentechnik, die Stromquellen funktionieren wunderbar. Ich habe schon die verschiednesten Induktivitäten verbaut.
    Die Wärme da wegzukriegen wird im nachhinein schwierig, wenn Design vor Funktion geht. Viel Alu im Inneren bringt nur bedingt was. Ein großer KK hat zwar ein großes Wärmevolumen, aber letztendlich muß die Wärme auch irgendwohin vom KK weg. Ich habe z.B. eine Deckenlampe im Bad mit 40W (20x Starplatinen a 3W konservativ bestromt) auf einem ca. 1,5 kg schweren KK mit ca. 20mm Stärke. Bis der kritisch heiß wird, dauert es 2h - selbst wenn man ein Bad nimmt, ist die Lampe nie länger als 1h an. Nur deshalb kann ich passiv kühlen.
    Bei einer Außenbeleuchtung wird das allerdings nicht praktikabel sein, vermute ich. Außer du arbeitest mit Bewegungsmeldern :D
    Für die Jüngeren: Led Zeppelin ist KEIN beleuchtetes Luftschiff! :D

    tuxedo schrieb:

    Mal schauen, erstmal kommt die Alu-Scheibe zum Einsatz, dann mess ich mit dem gestern bestellten IR Thermometer nochmal.


    Das wird nix bringen, außer du färbst die Aluscheibe am Messpunkt schwarz. Sonst misst das IR-Thermometer irgendne Strahlung, zeigt aber idR nicht die Temperatur des Alus an.