Kühlung 7 x CREE XM-L2 U2 mit Kupfer-Rundplatine auf Sternkühlkörper rund 178mm ausreichend?

  • Hallo zusammen,


    ich möchte eine 7 x CREE XM-L2 U2 mit Kupfer-Rundplatine auf einen Sternkühlkörper rund 178mm, mit 2000mA betreiben.


    Kann da funktionieren? Finde auch keine Angaben ab welcher Temperatur es ungesund für die Leeds wird und Messen kann ich ja auch nur am KK.


    Würde mich über eine Info oder Hilfe sehr freuen.


    Gruß
    Stefan

  • Servus…


    Bei dem Kühlkörper handelt es sich um einen Fischer SK 590. Laut der Grafik besitzt der bei einer Länge von 10 mm Nehmen wir an, diese 42 Watt würden vollständig in Wärme umgesetzt (in der Realität geht rund ein Drittel als Licht wieder weg), dann erwärmt sich der Kühlkörper um 42 W x 1,3 K/W ≈ 55 Grad über Umgebungstemperatur. Dazu kommen noch 6 Watt (einzelne LED) x 2,5 K/W (interner Wärmewiderstand der LED) = 15 Grad, d. h. der Chip erwärmt sich auf 70 Grad über Umgebungstemperatur. Das kann der Chip noch ab, wäre mir persönlich aber zu warm, Cree spezifiziert die XM-L2 bei 85 °C.


    In der Realität wird es etwas weniger sein, eben weil ein Teil der zugeführten elektrischen Leistung als Licht wieder weg geht.


    Nach meiner Erfahrung gibt Fischer Elektronik allerdings den Wärmewiderstand ihrer Kühlkörper zu optimistisch an. Erkennt man beispielweise daran, daß Alutronic für baugleiche Kühlprofile höhere Wärmewiderstände angibt - leider gibt es für den SK 590 kein Pendant bei Alutronic.


    Mir jedenfalls wäre der SK 590 mit 10 mm Länge zu knapp.

  • Hallo, Stefan!


    Schon mal vorab: das wird eng, ich würde von diesem Kühlkörper eher abraten.


    Die XM-L2 U2 hat bei einem Strom von 2000 mA eine Vorwärtsspannung von ca. 3,2 V. Das ergibt je LED eine Leistung von 6,4 W und damit eine Gesamtleistung von 44,8 W für die Kupferkernplatine.
    Laut Datenblatt hat die XM-L2 U2 einen Wärmewiderstand von 2,5 K/W zwischen Chip und Lötflächen. Daraus ergibt sich schonmal eine Temperaturdifferenz von 16 K, auf die Du keinerlei Einfluss hast.
    Hinzu kommt der Wärmeübergang der Kupferkernplatine von LED zu Kühlkörper. Dieser wird zwar sehr niedrig sein, ist aber leider nicht bekannt.
    Deshalb kalkulieren wir sicherheitshalber (inklusive Wärmeleitpaste/-kleber) weitere 10 K ein.
    Die Chiptemperatur liegt also ca. 26 K über der Kühlkörpertemperatur.


    Für die Umgebungstemperatur nehmen wir einen Wert von 30 °C an; im Sommer durchaus realistisch.


    Die Chiptemperatur darf laut Datenblatt maximal 150 °C betragen. Das ist allerdings der maximal erlaubte Grenzwert!
    Nehmen wir an, wir möchten eine Chiptemperatur von maximal 120 °C erlauben (was schon ein sehr hoher Wert ist).
    Der Kühlkörper darf dann noch eine maximale Temperaturdifferenz von 120 K - 30 K - 16 K - 10 K = 64 K erzeugen.
    Daraus ergibt sich ein maximal erlaubter Wärmewiderstand von 64 K / 44,8 W = 1,4 K/W.


    Jetzt kommt natürlich der Einwand, dass nur etwa 70% der LED-Leistung in Wärme umgewandelt werden. Das ist natürlich richtig.
    Allerdings gelten die bei den meisten Kühlkörpern angegebenen Wärmewiderstände nur für eine hohe Temperaturdifferenz (ca. 100 K und mehr). Der Wärmewiderstand eines Kühlkörpers ist aber abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Umgebung. Bei sinkender Temperaturdifferenz steigt der tatsächliche Wärmewiderstand!
    Zumindest bei diversen Sternkühlkörpern von Fischer-Elektronik habe ich die Erfahrung gemacht, dass man diesen Effekt recht gut dadurch kompensieren kann, wenn man mit dem angegebenen Wärmewiderstand des Kühlkörpers und der vollen LED-Leistung rechnet.


    Auf der Produktseite des von Dir angegebenen Kühlkörpers ist leider kein Wärmewiderstand angegeben. Bei den zugehörigen Bildern ist eine Grafik zu finden, aus der man einen Wert von etwa 1,5 K/W ableiten könnte. Allerdings hatten wir schon bei anderen Kühlkörpern, die von LED-Tech angeboten werden den Fall, das sich die Grafik auf die schwarz eloxierte Version des Kühlkörpers bezieht. Realistisch wäre daher eher ein Wert von 1,8 bis 2 K/W.


    Es könnte also gerade so eben funktionieren, allerdings bei drastisch reduzierter Lebensdauer und Effizienz. (Ganz abgesehen davon, dass man sich im Betrieb an dem Kühlkörper die Finger verbrennt.)


    Bei der von Dir angestrebten Leistung würde ich als Kühlkörper einen ModuLED9980 empfehlen:
    http://www.elpro.org/shop/shop.php?p=ModuLED9980-B
    Bei diesem Kühlkörper ist sogar ein ausführlich Datenblatt (in obigem Link auf "PDF" klicken) vorhanden, das den Wärmewiderstand in Abhängigkeit von der zugeführten Leistung angibt (Tabelle auf Seite 3 des Datenblatts).
    Hiermit kommst Du auf eine Chiptemperatur von etwa 95 °C und eine Kühlkörpertemperatur von maximal 70 °C.


    Noch zu bedenken: durch hohe Bestromung und Temperatur sinkt die Effizienz der LEDs. In dieser Konstellation kommst Du auf ca. 4200 Lumen und damit auf ca. 95 lm/W. Als Alternative zum CREE-Modul solltest Du vielleicht mal über ein Nichia COB-Modul Typ NSCWJ216A nachdenken. Das kostet nur die Hälfte bei deutlich besseren Kenndaten.


    Gruß
    Tex


    P.S.:
    Ich sehe gerade, Cossart war schneller.
    @ Cossart: Der Link von Dir verweist auf die schwarz eloxierte Version des Kühlkörpers, LED-Tech verkauft aber blankes Aluminium. Rest siehe oben.

  • Wow, danke ihr beiden :-)


    Ich würde das gerne selber nachvollziehen können, aber wenn ich ehrlich bin, verstehe ich nur Bahnhof :-(


    Vielleicht sollte ich dann doch lieber über eine Wasserkühlung nachdenken.


    Ich dachte die Cree-Teile sind das Beste.

  • Zitat

    Ich würde das gerne selber nachvollziehen können, aber wenn ich ehrlich bin, verstehe ich nur Bahnhof


    :) Dann nochmal langsam: ;)


    Zunächst zur Kühlung:
    Im Prinzip geht es hierbei einfach nur darum, die Chiptemperatur unterhalb des erlaubten Maximums zu halten. Diese Maximaltemperatur findest Du im Datenblatt der LED. Beispiel CREE-XM-L:
    http://www.led-tech.de/produkt-pdf/cree/XLampXM-L.pdf
    In der Tabelle auf Seite 2 findest Du diese als "LED Junction Temperature", hier 150°C.


    Ein dauerhaftes Überschreiten dieser Temperatur führt zur thermischen Zerstörung der LED, je nach Temperatur mehr oder weniger schnell. Eine thermische Überlastung erkennt man meist an einer teilweisen oder vollständigen bräunlichen Verfärbung der "Phosphorschicht". Gleichzeitig gilt aber auch: je höher die Chiptemperatur (korrekter: Sperrschichttemperatur) ist, desto geringer ist die Lebensdauer der LED. Deshalb sollte man immer bemüht sein, diese Temperatur so niedrig wie möglich zu halten. Ein weiterer Grund: je höher die Chiptemperatur ist, desto geringer ist die Effizienz der LED.


    Die Chiptemperatur wird durch die Reihenschaltung des mechanischen Aufbaus bestimmt:
    LED-Chip - Träger (Gehäuse, falls vorhanden: Platine, Wärmeleitpaste etc.) - Kühlkörper - Umgebung


    Die einzige Größe, auf die Du dabei wirklich Einfluss hast, ist der Kühlkörper (optimale Montage mit Wärmeleitpaste oder -kleber vorausgesetzt). Die Berechnung des Kühlkörpers ist eigentlich trotzdem ganz einfach.


    Wärmequelle ist der LED-Chip, in Deinem Fall bei einer Einzel-LED mit einer Leistung von 6,4 W. Diese Wärmeleistung muss an die Lötfläche der LED weitergeleitet werden. Hier greift der erste Wärmewiderstand, nämlich der zwischen Chip und Lötfläche. Ebenfalls in der Tabelle auf Seite 2 des Datenblatts findest Du diesen unter "Thermal Resistance, junction to solder point", in diesem Fall 2,5°C/W. Damit kann man die Temperaturdifferenz zwischen Chip und Lötfläche bei einer gegebenen Leistung berechnen:
    6,4 W x 2,5 °C/W = 16°C. Diese Temperaturdifferenz ist also immer vorhanden und kann nicht beeinflusst werden, muss aber berücksichtigt werden.


    Anstelle der Masseinheit °C verwendet man bei der Angabe von Temperaturdifferenzen normalerweise eher die Einheit K (Kelvin). Mit °C wird normalerweise eine absolute Temperatur angegeben. Die Chiptemperatur liegt also hier 16 K über der Temperatur der Lötstelle.


    Der nächste Wärmewiderstand entsteht durch die Montage der LED auf dem Kühlkörper. In Deinem Fall befindet sich zwischen dem eigentlichen Kontaktpunkt und der LED noch eine Kupferkernplatine. Kupfer ist zwar ein hervorragender Wärmeleiter, allerdings ist die Lötverbindung zwischen wärmeableitendem Lötanschluss und der Kupferkernplatine relativ dick (0,035 mm ???). Hinzu kommen noch Wärmeleitpaste bzw. Wärmeleitkleber (bei optimaler Anwendung ca. 0,1 K/W, kann aber auch mehr sein).
    Ich habe hier einfach als "Worst Case" zusätzliche 10 K angenommen, wahrscheinlich wird dieser Wert deutlich niedriger liegen. Beim Entwurf der Leuchte geht es ja darum, auf der absolut sicheren Seite zu sein.


    Summe der Temperaturdifferenzen also bisher: 26 K.


    Ebenfalls keinen Einfluss hat man auf die Umgebungstemperatur. Hier sollte man realistische 30°C annehmen. Die Chiptemperatur wird folglich maximal 56 K über der Kühlkörpertemperatur liegen. Messen lässt sich natürlich das nicht (man hat ja keinen Zugriff auf den LED-Chip). Es handelt sich hierbei also wirklich nur um "Worst Case Berechnungen". Genau damit ist man aber auf der sicheren Seite.


    Der Rest ist einfach:
    Man muss jetzt nur noch festlegen, welche Chiptemperatur als akzeptabel erscheint. Die Differenz aus akzeptabler Chiptemperatur und der bisher berechneten Temperaturdifferenz ergibt die maximal erlaubte Temperaturdifferenz des Kühlkörpers, woraus sich dann (siehe oben) der Wärmewiderstand des Kühlkörpers ergibt.


    Ich persönlich strebe bei meinen Entwürfen normalerweise eine Kühlkörpertemperatur von maximal 60°C an; das lässt sich noch einige Sekunden aushalten. Gegebenenfalls verwende ich auch lieber mehrere Quellen bei weniger Strom. Zum Einen lässt sich die Leistung dadurch natürlich besser verteilen, zum Anderen steigt die Effizienz immens.



    Zu den Herstellern:


    Meine (sehr) subjektive Meinung:
    CREE ist definitiv führend in der Produktion von Power-LEDs.
    Nichia hat hier eher die Nase bei Mid-Power-LEDs vorn (Effizienz und Qualität des Lichts).


    Mit der Einführung der Nichia-LED-Module vor ca. 10 Monaten hat Nichia Effizienz und Lichtqualität auf eine neue Stufe gehoben. Das Modul NSCWJ216A besteht z.B. aus 216 Mid-Power-LEDs in einem Kreis von 19 mm Durchmesser.


    Schau Dir mal die Spektralkurven der CREE- und Nichia-Module an. :D


    Gruß
    Tex

  • Hallo Tex,


    danke für die ausführliche Erklärung, jetzt dämmert es langsam ;-)


    Verwirrt haben mich immer diese K-Werte ;-)


    Und was hältst Du von einer Wasserkühlung? Wenn ich für meine beiden Module je einen CPU-Wasserkühler nehme und darauf die LED befestige sollte ich doch auf der sicheren Seite sein.


    Die Nichia gefallen mir, aber wenn ich dem Datenblatt glauben darf, sind mir die 5000k zu warm, ich hoffe das ich jetzt nicht wieder einen Denkfehler habe.

  • Wenn ich für meine beiden Module je einen CPU-Wasserkühler nehme und darauf die LED befestige sollte ich doch auf der sicheren Seite sein.


    Ich halte Wasserkühlung für die Leistung etwas übertrieben, sofern ein großer Kühlkörper (leise, kein Stromverbrauch, kann nicht ausfallen) nicht stört.
    Gibt auch noch die Möglichkeit einen Lüfter auf den Kühlkörper zu legen oder einen CPU-Kühler zu verwenden, muss nicht gleich Wasserkühlung sein.

  • Hallo, Stefan!


    Beschreib doch mal, was Du eigentlich genau vor hast.
    Ohne genauere Erklärungen stimme ich eher NoNameStriker zu.
    Sind Dir die vorgeschlagenen Kühlkörper zu groß?


    Es geht übrigens auch aktiv, also mit Lüfter (Gruppe Kühlkörper):


    http://www.elpro.org/shop/shop.php?p=TA001-11002


    http://www.elpro.org/shop/shop.php?p=TA001-11002Wasserkühlung finde ich auch etwas extrem. :)


    Gruß
    Tex


    P.S.:
    5000 K bedeutet neutralweiss, hat also mit warmweiss nicht das geringste zu tun.
    Info: Vor- und Nachmittagssonne entspricht 5500 K, 6000 K und mehr entsprechen bereits einem leichten Blaustich.

  • Hallo Tex,


    gerne beschreibe ich das, wollte nur nicht zu extrem nerven mit meiner Unwissenheit ;-)


    Baue gerade die zweite Version meiner Aquariumbeleuchtung, erst hatte ich mit diesem Tageslichtsimulator einige Strips im Einsatz, hat mir aber zu gleichmäßig ausgeleuchtet und nicht wirklich gefallen.
    Da ich den Simulator weiter nutzen wollte, habe ich als nächstes diese Module eingesetzt, um das benötigte Licht zu erhalten, habe ich vier dieser Module miteinander verschraubt, Licht ist okay aber mir immer noch nicht genug fokussiert und vor allem waren die 5000k im Aquarium noch immer zu warm vom Ton.


    Deshalb bin ich dann auf die wilde Idee mit den Cree-Modulen gekommen, die ca 6000K haben den richtigen Ton und die Stärke ist genau richtig, sollte mir der Fokus dann noch nicht genügen, gibt es dafür ja auch Optiken, um noch weiter zu fokussieren.
    Um das besser beurteilen zu können, habe ich ein Cree-Modul, einen Konstantstromquelle mit 2000mA und den angesprochenen Sternkühler mit 174mm gekauft.
    Wichtig dabei ist, mein Becken soll oben offen bleiben und weiter gut zugänglich, es wachsen oben auch noch Mangroven aus dem Becken, die dann auch mit einzelnen LEDs, natürlich schwächer ihr eigenes Licht bekommen sollen, damit das flexibel bleibt hängen die LEDs an solchen Gelenkarmen somit kann ich den Lichteinfall frei gestallten und die Pflanzen-LEDs können mit wachsen. Als Controller soll abschließend der BlueTWILED 2.x zum Einsatz kommen.
    Insgesamt kommen acht Gelenkarme von oben, zwei sollen mit 7x Cree XM sein, rechte und linke Beckenseite und das Licht soll schräg einfallen, nicht von oben, deshalb auch die Gelenkarme, dazu zwei RGB-LEDs rechts und links und vier Warmweiße LEDs, die nur die Pflanzen über dem Becken beleuchten sollen.


    Mein Prototype, den ich zu besseren Beurteilung bestellt und zusammen gebaut habe, schaut dann so aus, entspricht leider nicht ganz der Wirklichkeit, weil so einen großen Kontrastumfang bekommt man nicht auf Video, aber eine grobe Vorstellung hat man.


    So nun habe ich alles beschrieben was ich vorhabe :-)


    Beste grüße
    Stefan

  • Hallo, Stefan!


    Wenn Du die CREE-Module bereits da hast, dann setz sie auch ein. Ich sehe allerdings keinen Grund, die ModuLED9980 nicht einzusetzen. Nach oben sollte doch Platz genug sein.


    Die von Dir angesprochenen Kühlkörper erscheinen mir immer noch ziemlich unterdimensioniert, war wohl eher ein Fehlkauf.


    Gruß
    Tex

  • Hi Tex,


    habe ja nur ein Modul da, weil Live schaut es immer anders aus, als auf dem Datenblatt, wenn ich jetzt auf andere Module switchen müsste, wäre das kein Beinbruch, mich stören nur die 5000K an den Nichia.


    Gut dann nehme ich die ModuLED9980, ja die passen auch, hatte vorhin bei deiner Erklärung nur den Eindruck, dass die auch schon grenzwertig wären, aber wenn die wirklich gut und ausreichen sind, dann nehme ich die natürlich.


    Danke noch einmal für die Geduld und lieben Gruß
    Stefan