Kühlkörper zu heiß

  • Hallo,


    ich habe einen Kühlkörper LT-1594, der eigentlich ein Fischer SK 578 ist. Bei 50mm Länge sollte der einen Wärmewiderstand von <1,5 K/W haben. Der Kühlkörper steht senkrecht leicht erhöht auf dem Tisch. Die
    Unterlage für diese Erhöhung ist nicht größer als der Kerndurchmesser. Ich habe da jetzt drei Cree XP-G drauf, die ich mit 1,5A (8,5V) betreibe. Die LEDs sind auf der anderen Seite des Kerns und zeigen nach oben, so
    dass die Kühlrippen senkrecht stehen. Ich stecke in die LEDs also 12,75 W rein. Bei einem angenommenen optischen Wirkungsgrad von 25% müssten 75% der Leistung in Wärme umgesetzt werden, also nicht ganz 10 W. Somit müsste der Kühlkörper etwa 15 °C wärmer sein, als die Umgebung. Ich MESSE aber einen Temperaturunterschied von 48 °C (!!!!) (Raumtemperatur 23 °C, Kühlkörpertemperatur 71 °C). Wenn ich den Kühlkörper auf einen Stab schraube, so dass der 150mm über der Tischplatte steht, ist seine Temperatur immer noch 36 °C über der Umgebungstemperatur, entsprechend also nicht 1,5 K/W, sondern 3,6 K/W.
    Weiß jemand, wie das sein kann?

  • Jo, ich muss sagen, dass ich über die Kühlleistung dieses KK auch recht enttäuscht bin.
    Ich hatte mir im Daytrade 5 Stück zugelgt um damit 5x Cree MC-E @700mA zu betreiben, doch erste Laufzeitenmessungen ergaben dass die Kühlleistung für die MC-E nicht ausreicht und ich den somit den Kühlkörper noch einen Lüfter spendieren müsste, damit ich die volle Leistung der Cree länger als 45min. abrufen kann. Mein Projekt damit einen Deckenfluter zu fertigen ist damit erst mal in Frage gestellt, denn eine aktive Kühlung ist m.E. das letzte was mir vorschwebt. Auch ist die gesamte Oberfläche des KK für die Konvektion nicht besonders groß: der KK ist in erster Linie ein massiver Aluklotz. ;(

  • Hi,


    Denkfehler: es sind die Wärmewiderstände von KK, LED, ev. Platine, Übergang ev. Leitpaste zu addieren, wobei die LEDs da parallelgeschaltet nur mit 1/n eingehen.
    Also: (1,5 k/W + 4/3 k/W + 1 k/W) x 10 W = 38 k Temperaturerhöhung.
    Kommt doch gut hin.


    Oder rückgerechnet: KK hat 2,5 k/W, in der Position auf dem Tisch, aber da KK meist in freier Konvektion gemessen werden, ist 36 k Erhöhung ein Zeichen dafür das der (geschätzte) Übergangswiderstand weniger als 1k/W beträgt, was gut ist.


    Fazit 1,5 k/W stimmt.


    gruss,
    dolbybass

  • Nee, da machst du jetzt den Denkfehler. Die genannten Wärmewiderstände musst du addieren, wenn du dich für die Junction-Temperatur interessierst. MFKE geht es aber um die KK-Temperatur - und für diesen hat er den Wärmeeintrag und den angeblichen Wärmewiderstand KK-Umgebung richtigerweise zugrunde gelegt.

  • Hi Juisoo,


    Du hast recht, die Chiptemp. ist die Summe aller Rth x Leistung plus Umgebungstemp.
    Aber die gleiche Summe ohne Umgebungstemp. ist die Temperaturerhöhung.


    Siehe: http://www.fischerelektronik.d…e/kuehlkoerper-berechnen/


    Wenn ich Deiner Argumentation folge geht der Wärmewiderstand der LED in die KK berechnung nicht ein.
    Also KK hat 1,5 k/W, 10 W setze ich um, LED im 1. Fall 4 k/W und im 2. Fall z.B. 12 k/W, Kühler wird in beiden Fällen gleich warm.


    Wenn das stimmen würde, könnte ich KK dimensionieren ohne zu wissen was für ein Bauteil da rauf kommt.
    Hier irrst Du.


    Diskussion eröffnet.


    gruss,
    dolbybass

  • Das Fischer KK-Berechnungsdokument sagt dazu:

    Zitat

    1. Die in unseren Diagrammen angegebenen Werte gelten für Kühlkörper mit schwarz eloxierter Oberfläche und
    für senkrechte Einbaulage und freier Konvektion.


    Korrekturfaktoren: für naturfarbene Oberfläche + 10 bis 15 % und für horizontale Einbaulage + 15 bis 20 %

    Das erklärt aber natürlich nicht die von dir gemessenen 150% Abweichung...


    Weiter hinten ist die Messmethode beschrieben.


    Dein Beispiel stimmt. Der KK wird im wesentlichen gleich warm werden. Der Denkfehler ist, dass nicht die Kühlkörpertemperatur wesentlich für die Dimensionierung desselben ist (jedenfalls für's Überleben des Halbleiters), sondern die Sperrschichttemperatur - und die hängt eben vom Rth Junction-KK ab. Um bei deinem Beispiel zu bleiben, hat erstere LED eine um Pi x Daumen 40K höhere Sperrschichttemperatur, als der Kühlkörper. Die zweite allerdings bereits eine um 120K höhere Sperrschichttemperatur. Da dies idR bereits die max. Spezifikation für LEDs ist, kannst du dir sicher sein, dass diese LED bald stirbt, während die erstere in der Summe 55K über Umgebungstemperatur also z.B. 40°C und damit bei 95°C unter max Spezifikation betrieben wird.


    Gruß,
    J


    [ModEdit: Doppelposts zusammengefasst ...]

  • Hi Juisoo,


    bitte denjenigen den Du meinst ansprechen, oder post-# nennen.
    Danke


    Ich hab eben den link zu Fischer ergänzt, dort ist auf Seite 2 eine Beispielrechnung, wenn Du dort alle Werte für die LEDs einsetzt kommst Du zu meinem Ergebnis, wobei ich nur im Kopf kalkuliert habe.
    Beachte das der Wärmewi. des Bauteils, hier RthG sehr wohl in die Rechnung einfließt.


    Die Korrekturfaktoren besagen, das die Einbaulage den Wert um jeweils 15...20% vergrößert (verschlechtert).


    (wir haben wohl gleichzeitig getippt, ich wollte nicht vorlaut sein.)


    gruss,
    dolbybass


    [ModEdit: Doppelposts zusammengefasst ...]

  • Ok, einen Versuch mach ich noch:


    RthG im Fischer-Dok ist der Wärmewiderstand Junction-SolderPoint also der Gehäusewärmewiderstand. Der tut aber NICHTS zur Sache, wenn es um die erreichte Temperatur des Kühlkörpers geht, ebenso der RthM also der Wärmewiderstand von Gehäuse auf den KK. In der Summe spielt der RthGM aus dem Fischer-Dok KEINERLEI Rolle für die Temperatur des KK bei fixem Wärmeeintrag. Wenn du deinem fiktiven KK mit RthK=1,5K/W eine Wärmeleistung von 10W zuführst, so wird er sich auf 15K über Umgebungstemperatur erwärmen, unabhängig davon, wo die Wärme vorher durch muss.


    Primär wichtig ist für Elektronikanwendungen aber die Sperrschichttemperatur - und da spielt es eine ganz erhebliche Rolle wo die Wärme durch muss. Vielleicht rührt das Missverständnis daher, dass man übicherweise die Sperrschichttemperatur nicht direkt messen kann und daher über den RthGM eine maximal zulässige KK-Temperatur berechnet und dann eben einen KK mit entsprechendem RthK wählt. Die KK-Temperatur lässt sich ja sehr leicht messen.


    Aber nochmal: wie warm der KK wird hängt nur vom Wärmeeintrag, seinem RthK und der Umgebungstemperatur ab (und natürlich von der Einbaulage, Konvektion, etc). Ob die 10W LED aus deinem Beispiel nun 4 oder 12K/W RthGM hat - der KK erwärmt sich auf 15K über Umgebungstemperatur; die Sperrschicht der ersten LED aber nur um 40K über KK-Temperatur während die zweite mit 120K über KK-Temperatur vermutlich nicht lange lebt. Du siehst also der RthGM bestimmt die MAXIMAL ZULÄSSIGE KK-Temperatur, aber nicht die tatsächliche.


    EDIT: falschen Wert im ersten Absatz korrigiert 10K->15K

  • Also mir ging es wirklich um die Temperaturdifferenz Kühlkörper-Umgebung. Die Kühlkörpertemperatur wurde in unmittelbarer Nähe des Wärmeeintrags gemessen, aber eben schon auf dem Kühlkörper. So sollte es keine Rolle spielen, WIE die Wärme da rein kommt.

  • Genau. Und leider fraß die Forensoftware gestern meine Edits.
    Aus dem Verlinkten Dokument geht hervor, dass sich durch die Alu-Oberfläche statt schwarzer Oberfläche eine Abweichung von ca 10-15% nach oben ergeben würde, aber halt niemals die von dir gemessenen 150%.
    Die Messmethode ist weiter unten beschrieben.

  • Hi juisoo,


    Du irrst immer noch,
    sofern Du den Kühler einzeln betrachtest ergeben 10 Watt in 1,5 k/W eine Temperhöhung von 15 Kelvin (nicht 10k, ist wohl nur ein Tippfehler9.


    Aber das Ganze ist eine Einheit, der KK und alles dazwischen ist eine Vergrößerung des LED-Chips, verringert damit den Wärmewiderstand der LED.
    Dürfte man das Ganze getrennt betrachten, bräuchte man keinerlei Kühlung, da die LED 4 k/W hat bei 10W gerade mal 40 k wärmer werden würde.


    4 k/W gelten aber für 25 Grad Chiptemperatur (ideale Kühlung), die Datenblätter sind da etwas lückenhaft.


    Hier ein Datenblatt eines beliebigen Leistungstransistors BDV64.pdf,
    Seite 1 steht Ptot 125W bei 25 Grad Chiptemperatur, aber nur 3,5W bei 25 Grad Umgebungsluft,
    Seite 2 dazu die Wärmewiderstände Rthjc 1 k/W entspricht den 4 k/W der LED, Rthja der LED hab ich im Datenblatt nicht gefunden.


    Nun überdenke bitte nochmal die Beispielkalkulation von Fischer, bzw. siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Kühlkörper,


    Post 4 ist richtig.


    gruss,
    dolbybass

  • Ok, doch noch einmal, dann wird's mir zu doof zumal das alles ziemlich OT wird.

    Dürfte man das Ganze getrennt betrachten, bräuchte man keinerlei Kühlung, da die LED 4 k/W hat bei 10W gerade mal 40 k wärmer werden würde.

    NEIN, weil dieser Rth NUR der RthG ist und der bezieht sich NICHT auf die Umgebung(sluft), sondern auf den Solderpoint. Dann kommen da noch Solderpoint-MCPCB und MCPCB-KK hinzu (addiert). Erst der RthK für den Kühlkörper wird gegen Umgebung referenziert.


    Ein Wärmewiderstand besteht immer zwischen 2 Punkten und ist kein absolutes Maß. Die 4K/W bestehen zwischen Junction und Solderpoint. Bis auf den Alukern der Trägerplatine kommen mitunter noch 8-10K/W hinzu (siehe entspr. Thread im blauen Forum), für MCPCB-KK stehen Richtwerte im heißgeliebten Fischer-Dok. Schließlich kommt der Wärmewiderstand KK-Umgebung. Der Wärmewiderstand Junction-Umgebung ist eine Reihenschaltung all dieser, daher werden sie addiert für den RthJ-Amb (Junction-Ambient). Für die Sperrschichttemperatur ist also der Teil Junction-KK entscheidend. Dem Kühlkörper ist es aber sch...egal wer oder was ihm die Wärme auf welche Art auch immer zuführt.


    Dem TE geht es um den KÜHLKÖRPER nicht um die LED. Du argumentierst im vorangehenden Post wieder mit dem Bauteil - das ist hier schlicht nicht von Belang


    So und jetzt over and out,


    @MFKE, sorry für soviel OT

  • Hi juisoo,


    mir ist auch schei.. egal was Du für richtig hälst.
    Ohne kenntnis der Grundlagen kannst Du alles herleiten.


    Falls es Dich wirklich interessiert kann ich Dir per email (weil hier wegen Größe nicht hochladbar), Hintergrundmaterial zusenden.
    Warum bin ich so überzeugt, hab als 14 jähriger angefangen Audoverstärker zu bauen, jetzt 40 Jahre später mach ich das gelegentlich immer noch, mit eigener Firma seit 1978. KK Berechnung ist eine der Grundlagen für Entwicklung von Leistungsendstufen, und das kann ich mitleiweile im Kopf, seit Jahrzehnten.


    Ich wollte dies eigentlich nicht preisgeben, klingt so überheblich und besserwisserisch, aber Deine Ignoranz treibt mich dazu.


    gruss,
    dolbybass

  • Ich wollte dies eigentlich nicht preisgeben, klingt so überheblich und besserwisserisch, ...


    Das klingt nicht nur so... Juisoo hat nämlich recht: Es geht dem Threadstarter ausscheließlich um den Wärmewiderstand des betreffenden Kühlkörpers, nicht um eventuell vorgeschaltete Wärmewiderstände, die für die Temperaturerhöhung des Kühlkörpers selbst vollkommen ohne Belang sind.

  • Naja, für das Problem, bzw. Fragestellung von Mirfaelltkeinerein ist die Rechnung eben doch komplett.
    Ihm ist es egal ob die LED zu heiß wird oder nicht. Ihm geht es einfach nur darum, dass sich der Kühlkörper bei 10W Wärmeintrag (meinetwegen z.B. auch von einem einfachen Widerstand) um 36°C erwärmt, was er bei einem angegebenen Rth von 1,4 nicht dürfte!

  • Überdenke bitte nochmal die Beispielkalkulation von Fischer, bzw. siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Kühlkörper,...


    Das habe ich gemacht und sehe Juisoos und mein Ergebnis bestätigt: Für die Erwärmung des Kühlkörpers (und um die geht es dem Threadstarter) selbst sind ausschließlich sein Wärmewiderstand und die Wärmeleistung der Quelle verantwortlich. Eventuell zwischen Quelle und Kühlkörper geschaltete Wärmewiderstände haben auf die Erwärmung des Kühlkörpers keinerlei Einfluß.

  • Ich muss mich auch auf die Seite von Cossart stellen. Die Umgebungstemperatur beträgt 20°C dann kommt der Widerstand des Kühlkörpers und dies führt zur Erwärmung des KK bei 10W um 15°C.
    Also müsste der KK 35°C haben. Ich denke eher das das Problem in der Messung in der Nähe der Platine liegt. Der Kühlkörper erwärmt sich ja nicht komplett gleichmäßig.


    Zitat

    Die Kühlkörpertemperatur wurde in unmittelbarer Nähe des Wärmeeintrags gemessen


    Edit: Dein Herd ist neben der Herdplatte auch wärmer als 10cm entfernt obwohl es das gleiche material ist.


    EDIT²: Hier noch was interressantes

  • Das ist sicher richtig, dass der Kühlkörper nicht gleichmäßig heiß wird. Der dicke Kern leitet die Wärme aber schon sehr gut und auch auf der den LEDs abgewandten Unterseite wird es so hieß, dass man sich die Finger verbrennt...