Wärmeabfuhr von LEDs: Temperatur-Zeitkonstante abhängig vom Strom?

[Third E. (third-eye)]

Hallo,

folgender Fall: Eine passiv gekühlte, auf einer doppelseitigen 
Leiterplatte sitzende, LED wird mit 100% Nennstrom betrieben. Es dauert 
z.B. 10 Minuten, bis sich die Temperatur des LED-Chips praktisch nicht 
mehr ändert, weil sich zwischen Wärmezu- und abfuhr ein Gleichgewicht 
eingestellt hat (nennt sich Beharrungstemperatur).

Was ist, wenn ich die LED nur mit z.B. 10% des Nennstroms betreibe bei 
ungeändertem physischen Aufbau und gleichen Umgebungsbedingungen?
Die Temperatur, die sich einstellt, ist natürlich eine andere. Aber wie 
sieht das zeitliche Verhalten aus?
Dauert es ungefähr genauso lange, bis sich die Beharrungstemperatur 
einstellt?

Wenn die Wärmeabfuhr ein PT1-Verhalten hätte, würde ich sagen, ja.
Analog dazu ist die mit einer Sprungantwort ermittelte Zeitkonstante 
eines RC-Glieds schließlich auch gleich, egal auf welche Spannung der 
Sprung stattfand.
Allerdings weiß ich nicht, ob die LED auf der Leiterplatte in etwa ein 
PT1-Verhalten hat.

Leider habe ich auf diesem Gebiet nicht viel Erfahrung.
Ich könnte natürlich jetzt einfach einen Versuch machen, aber ich würde 
gerne die Hintergründe wissen.
Kann mir jemand von Euch weiterhelfen?

Danke.
Third-Eye

[Fabian F. (fabian_f55)]

Nachdem Wärmeübertragungsmodelle analog zu elektrischen Modellen gebaut 
werden(Kapazität=Spezifische Wärmekapazität, 
Leitfähigkeit=Wärmeleitfähigkeit) Sollte es sich auch wie ein 
Kondensator-Ladeorgang verhalten. So weit die Theorie.
Problem ist dann die Wärmeabfuhr, die sich je nach Temperatur ändern 
kann. Wenn größere Konvektionsströmungen einsetzen ist das 
Temperaturverhalten nicht mehr linear. Mit klassischer Mathematik lassen 
sich eigentlich nur grobe Näherungen machen.
Für reale Projekte nutzt man FE-Simulation und Dummy-aufbauten.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Third Eye schrieb:
> Allerdings weiß ich nicht, ob die LED auf der Leiterplatte in etwa ein
> PT1-Verhalten hat.

In erster Näherung ja.

Je größer allerdings die Temperaturdifferenz zur Umgebung ist, desto 
effizienter ist die Kühlung (u.a. weil der Energieverlust durch 
Strahlung mit der 4. Potenz der absoluten Temperatur steigt). Der 
Wärmewiderstand ist also gar nicht wirklich konstant.


XL

[blubb (Gast)]

Noch dazu ändert sich auch die Effizienz mit dem Strom. Bei 10% vom 
Maximalstrom kann es durchaus sein, dass die LED doppelt so Effizient 
arbeitet wie bei Maximalstrom.

[Jens G. (jensig)]

>Noch dazu ändert sich auch die Effizienz mit dem Strom. Bei 10% vom
>Maximalstrom kann es durchaus sein, dass die LED doppelt so Effizient
>arbeitet wie bei Maximalstrom.

Das sollte bei dieser Frage eher egal sein. Das beeinflußt nur die zu 
erreichende Maximaltemperatur, nicht aber, wie schnell diese erreicht 
wird (also die Zeitkonstante).

[DNS (Gast)]

Axel hat Recht. Die Wärmeabgabe durch Konvektion ist auch nicht linear 
zur Temperaturdifferenz. Allerdings wüsste ich jetzt auch nicht wo das 
relevant sein könnte, Hauptsache bei Maximalleistung hält sich die 
Temperatur in Grenzen.

[Mike (Gast)]

DNS schrieb:
> Die Wärmeabgabe durch Konvektion ist auch nicht linear
> zur Temperaturdifferenz.

Damit ist ein Teil des Wärmewiderstandes in der Wärmetransportkette 
nicht konstant und damit die ganze Kette nicht mehr linear, also auch 
nicht als PT1 beschreibbar.

[Third E. (third-eye)]

DNS schrieb:
> Allerdings wüsste ich jetzt auch nicht wo das
> relevant sein könnte, Hauptsache bei Maximalleistung hält sich die
> Temperatur in Grenzen.

Es ist deshalb bei mir relevant, weil die Intensität der LED gemessen 
wird. Wenn die LED auf Beharrungstemperatur ist, ändert sich auch die 
Lichtintensität nicht mehr.