ich bastle gerade an einer Platine, die als Hintergrundbeleuchtung für einen 3D-gedruckten Litophane-Bilderrahmen dient.
Das PCB hat dabei A5-Größe (210x148 mm hochkant) und ist mit 204 weißen LEDs in einem 12x12mm Mesh bestückt, die einzeln parallel mit 5V versorgt werden und mittels Attiny45 und einem Mosfet PWM-dimmbar sind. Bei einem kontinuierlichen maximalen Strom von 20mA pro LED ergibt sich bei Vf_max = 3,4V ein Wärmeverlust von 0,068W pro LED, also 13,9W auf dem ganzen Board, hinzu kommen noch 6,5W Verlust über den Widerständen, womit wir also bei gut 20,5W wären (im worst Case).
Da der Bilderrahmen relativ dünn sein sollte und das verwendete PLA nicht wärmer als 70-80°C werden darf, da es sich sonst zu verformen beginnt, steh ich jetzt vor dem großen Problem der Wärmeabfuhr. Einen Lüfter möchte ich wenn möglich vermeiden, da in diesem Fall bauartbedingt nur ein Radiallüfter infrage käme und es allgemein von Vorteil wäre wenn das Bild geräuschlos "arbeitet".
Wie sieht es mit natürlicher Konvektion aus, auf der unteren und oberen Seitenfläche also Luftschlitze für eine Luftzirkulation bereitzustellen? Kann man damit einen großen Effekt erzielen?
(Das PCB ist zusätzlich ganzflächig mit einem Power- bzw Groundlayer vershen, um die Temperatur gleichmäßig abzuführen. Mittig ist ein NTC platziert, der bei Überhitzung die LEDs runterdimmt, um im Fall des Falles Schäden zu vermeiden)
Gibt es sonst irgendwelche Alternativen oder bessere Vorschläge, die den Leistungsbedarf senken bzw Wärmeabgabe verbessern können?
Gibt es sonst irgendwelche Alternativen oder bessere Vorschläge, die den
Leistungsbedarf senken bzw Wärmeabgabe verbessern können
Die Verlustleistung ist eigentlich nicht das Problem, wie man an hintergrundbeleuchteten TFT Bildschirmen sieht, da reicht für gleissend helle Wiedergabe (ohne TFT davor, dass nur so 20% durchlässt) sogar edge lit.
Aber die gleichmässige Lichtverteilung ist eine Kunst, und das wird auch mit so vielen LED nichts, sondern nur mit Diffusoren.
Zerlege mal ein TFT (und klau daraus die Diffusoren) und du merkst, dass deren Folien und Plastikteile auch nicht schmelzen, bei weitem nicht, und dass die mit viel weniger LEDs auskommen.
Man könnte deine LED auf eine Aluleiterplatte bringen, deren Anfertigung kostet halt mehr.
Die Wärmeentwicklung von 20W auf A5 Größe stellt sollte also kein Problem darstellen?
Als Diffusor verwende ich entweder eine 3D-gedruckte weiße Folie oder weißes Butterpapier, und wenn ich mit der Lichtleistung auskomme, könnte ich ja ein paar LEDs rausnehmen.
und wenn ich mit der Lichtleistung auskomme, könnte ich ja ein paar LEDs
rausnehmen.
Nein, lass sie drin, das verbessert die Lichtverteilung. Du könntest aber die 80 Ohm Widerstände vorm Zug schon mal durch 470 Ohm Widerstände ersetzen da die LEDs eine enorme Lichtstärke von 1000 bis 1300 mcd haben. Das verringert die Verlustleistung schon mal auf ein Sechstel (3,3 Watt).
Auf deinem Board sind die LEDs über je einen Thermalpad mit der gefluteten Masse verbunden, aber der Widerstand endet im Nichts. Da fehlen die Durchkontaktierungen zu der 5V Leiterbahn!
Bei einem kontinuierlichen maximalen Strom von 20mA pro LED ergibt sich
bei Vf_max = 3,4V ein Wärmeverlust von 0,068W pro LED, also 13,9W auf
dem ganzen Board, hinzu kommen noch 6,5W Verlust über den Widerständen,
womit wir also bei gut 20,5W wären (im worst Case).
Du verwechselt Stromverbrauch mit Abwärme.
Ein beachtlicher Teil des Verbrauches der LEDs entsteht dadurch, dass sie leuchten.
Da der Bilderrahmen relativ dünn sein sollte und das verwendete PLA
nicht wärmer als 70-80°C werden darf, da es sich sonst zu verformen
beginnt, steh ich jetzt vor dem großen Problem der Wärmeabfuhr.
Vielleicht ist das ein Tippfehler von dir, ich möchte das vorsichtshalber trotzdem korrigieren.
Die minimale Verformungstemperatur, die du hier angibst, bezieht sich auf PETG.
PLA verformt sich schon ab 50°C, gerne schon ab 45°C.
Der Einwand ist richtig, aber wir wissen leider weder die Spezifikation der LEDs, noch, ob er sie tatsächlich durchgängig bestromt/bestromen muss.
Ich sehe das Problem auch, aber andersherum. Weniger die eigentliche (genaue) Abwärme, als dass PLA für sowas sehr ungeeignet ist, weil es deutlich wärmeempfindlicher ist als der TE gesagt hat.
[...] womit wir also bei gut 20,5W wären (im worst Case).
Da der Bilderrahmen relativ dünn sein sollte und das verwendete PLA
nicht wärmer als 70-80°C werden darf [...]
Die Dimensionierung von Kühlkörpern/Kühlblechen ist ganz gut in "Power Semiconductor Applications, Philips Semiconductors", und dort in "CHAPTER 7, Thermal Management" erklärt. Die relevanten Seiten liegen im Anhang.
Die Dimensionierung geht ganz einfach über das Nomogramm "Fig. 6 Heatsink nomogram" auf S. 570.
In NomogramC.png habe ich das exemplarisch -- ich habe der Einfachheit halber die Werte aus dem Ursprungspost (50K/20W -> 2.5K/W) verwendet -- durchexerziert. Der TO sollte mit den "richtigen" Werten" seinen (einseitig genutzten?) Kühlkörper neu dimensionieren - so er Lust dazu hat ...
Wenn ich die Betriebsspannung auf 9V anhebe und damit jeweils 2 LEDs seriell anschließe halbiert sich der Strom, wodurch sich die Wärmeentwicklung auch verringern müsste oder versteh ich das falsch? Leistung bleibt ja immer noch dieselbe...
Wenn ich die Betriebsspannung auf 9V anhebe und damit jeweils 2 LEDs
seriell anschließe halbiert sich der Strom, wodurch sich die
Wärmeentwicklung auch verringern müsste oder versteh ich das falsch?
Leistung bleibt ja immer noch dieselbe...
kleines Rechenexempel:
0,02A x 204 x 3,4V = 13,872W reine LED Verlustleistung
0,02Ax 204 x 5V = 20,4W P gesamt bei 5V
0,02A x 102 x 6,8V = 18.87W - reine LED Verlustleistung - ist Jacke wie Hose
0,02A x 102 x 9V = 18,36W P gesmt bei 9V
2 Hebel hast du:
die Widerstände abgesetzt montieren, das die woanders heizen, entlastet nur marginal.
3,4V Uf kommen mir sehr hoch angesetzt vor. Miss das mal bitte nach. Gute weiße LEDs haben Flusspannungen von 2,7-2,8V rum.
Endweder hast du dort Schund mit Eisendraht und Chips mit räudigem Wirkungsgrad, oder du gehst von falschen Voraussetzungen aus. Eine LED mit 150-200 Lumen pro Watt bringt dir in doppelter Hinsicht Gewinn:
ein höherer Wirkungsgrad bedeutet, du brauchst nur weniger Wärme abführen, was bedeutet, das du sogar mit dem Strom runtergehen kannst, fü gleiche Helligkeit, was noch weniger Wärme bedeutet
Tja, jeder LED einen einzelnen Widerstand zu geben und das alles an 5V zu schalten bedeutet prinzipbedingt ~40% der Leistung direkt als Wärme zu verbraten. Nicht sehr schlau, offen gesagt.
Ich würde eher per Schaltwandler die Spannung auf ~20V hochsetzen und jeweils 6 in Reihe schalten, die restlichen 2V per Widerstand verbraten. Der Verlust in den Widerständen würde dann nur noch etwa 10% entsprechen, bei 3V Flussspannung der LEDs.
Tja, jeder LED einen einzelnen Widerstand zu geben und das alles an 5V zu schalten bedeutet prinzipbedingt ~40% der Leistung direkt als Wärme zu verbraten. Nicht sehr schlau, offen gesagt.
Ich würde eher per Schaltwandler die Spannung auf ~38V (XL6009) hochsetzen und jeweils 12 in Reihe schalten, die restlichen 2V per Widerstand verbraten. Der Verlust in den Widerständen würde dann nur noch etwa 5% entsprechen, bei 3V Flussspannung der LED und insgesamt 17 Strängen.
Schon mal überlegt auf ein Layout mit nur einem Toplayer zu wechseln und dann die Leiterplatte aus Alumnium fertigen zu lassen? Die Leiterplatte lässt sich dann auf einem Kühlkörper oder dicke Aluplatte montieren...
Statt einer großen Leiterplatten wären auch X Streifen mit Y Leds möglich... diese dann beliebig anordnen...
Tja, jeder LED einen einzelnen Widerstand zu geben und das alles an 5V
zu schalten bedeutet prinzipbedingt ~40% der Leistung direkt als Wärme
zu verbraten. Nicht sehr schlau, offen gesagt.
Ein guter Hinweis! Grundsätzlich hat jede LED ihren Verlust, die Umgebung haben wir dabei übersehen.
Ich würde eher per Schaltwandler die Spannung auf ~20V hochsetzen und
jeweils 6 in Reihe schalten, die restlichen 2V per Widerstand verbraten.
Um Verluste zu sparen, soll der Widerstand möglichst klein sein. Das kollidiert aber mit dem Ziel, Toleranzen abzufangen und den Strom stabil zu halten.
Stelle mal eine Rechenreihe auf, wie sich Abweichungen der Versorgung und der Flußspannung der LEDs auf den Strom auswirken und das mit unterschiedlichen Vorwiderständen. Du wirst sehen, dass es wackeliger wird, je kleiner der Vorwiderstand ist.
Das ist eines der Dinge, für die ich mir etwas in der Tabellenkalkulation gebaut habe.
Um Verluste zu sparen, soll der Widerstand möglichst klein sein. Das
kollidiert aber mit dem Ziel, Toleranzen abzufangen und den Strom stabil
zu halten.
Stelle mal eine Rechenreihe auf, wie sich Abweichungen der Versorgung
und der Flußspannung der LEDs auf den Strom auswirken und das mit
unterschiedlichen Vorwiderständen. Du wirst sehen, dass es wackeliger
wird, je kleiner der Vorwiderstand ist.
Das ist eines der Dinge, für die ich mir etwas in der
Tabellenkalkulation gebaut habe.
Schon mehr als oft genug gemacht und das ist nur nötig, also das unnötige Verbraten von viel Leistung im Vorwiderstand, wenn man unselektierte LEDs hat und dazu noch hohe Anforderungen an die Gleichmäßigkeit. Und natürlich auch die LEDs nicht hart an der Belastungsgrenze betreibt.
Ich fahre seit über 15 Jahren wunderbar damit, 5% bis maximal 10% der Leistung im Vorwiderstand zu verschwenden. Für alles andere sind die Schwankungen in der Versorgungs- u. Flussspannung zu klein. Außerdem muss man dazu noch wissen, dass das Auge die Helligkeit nicht linear wahrnimmt, heißt, dass man beispielsweise 10% Differenz in der Helligkeit kaum wahrnehmen kann. Und das wohlgemerkt bei zwei Lichtquellen, die aufgelöst werden können und nicht so nah sind, dass sie ineinander verschwimmen, wie hier.
Statt einer großen Leiterplatten wären auch X Streifen mit Y Leds
möglich... diese dann beliebig anordnen...
Sowas würde den Preis und die Komplexität in Sachen löten usw wohl drastisch reduzieren. Ich hab dabei an solch einen Streifen gedacht: https://www.leds24.com/12v-cob-led-streifen-neutralweiss-alle-1-cm-teilbar-8mm-breit
Wenn ich davon 10x 210mm lange Streifen nebeneinander auf eine Aluplatte klebe, die alle parallel mit 12V versorge, käme ich so auf 10 x 1,9W = 19W Gesamtleistung und einen Strom von ~1,6A.
Weiß jemand ob da in solchen COB-Streifen bereits Vorwiderstände implementiert sind? Es scheint ja, dass pro Segment (da pro 1cm teilbar) 4 LEDs in Reihe miteinander verbunden sein müssen.
Kannst du den Bilderrahmen nicht so als 3D-Modell erstellen, dass fast die gesamte Platinen-Fläche hinten frei bleibt, zur Wärmeabfuhr, und nur an den Rändern gehalten wird? Dürfte eig. ein Leichtes sein.
Ist ja offensichtlich Alu und wird gut funktionieren und die Wärmeübertragung auf das PLA-Gehäuse wird nur am Rand auf einer sehr kleinen Fläche erfolgen. Das wird kaum reichen, es instabil werden zu lassen.
Eine EL-Folie ist nicht hell genug?
Die hätte den Vorteil, das Licht absolut gleichmäßig zu verteilen und vermutlich ohne größeren Kühlungsaufwand auszukommen.
Aber seis drum: ich meinte, dass du geraume Zeit keine Details mehr erkennen kannst, wenn du in einen halbwegs aktuellen 10W LED-Strahler reingeschaut hast.
Weiß jemand ob da in solchen COB-Streifen bereits Vorwiderstände
implementiert sind? Es scheint ja, dass pro Segment (da pro 1cm teilbar)
4 LEDs in Reihe miteinander verbunden sein müssen.
Weiße LED haben "von Haus aus" die flachste Uf-Kennlinie unter den LEDs und damit quasi einen "eingebauten Vorwiderstand":
LED-Board.PNG
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