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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 2-Watt-LED ohne Kühlung, geht das?


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von Ulrich E. (sudu)


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Hallo alle zusammen,

eine Frage habe ich:

Kann die im Bild gezeigte LED wirklich langfristig funktionieren?
Sie zieht bei 12 Volt ca. 160 mA, der Durchmesser der leuchtenden 
Schicht beträgt 17mm. Das Exemplar im Bild ist warmweiss. Weitere Daten 
dazu hat der Händler hier leider nicht. Das zweite Bild zeigt die LED 
bei 7,5 Volt, die Spannung, bei der sie schwach zu leuchten beginnt.

Das ungewöhnliche ist, dass die LED in Kunststoff gefasst ist und auch 
von unten keinerlei direkten Kontakt zu einem Kühlkörper ermöglicht. 
Dazu kommt noch, dass rückseitig ein (wärmeisolierendes) beidseitiges 
Klebepad als Befestigungshilfe angebracht ist.

Wie kann so die erzeugte Wärme überhaupt abgeführt werden, um eine 
zulässige Betriebstemperatur zu erreichen?

Beste Grüße

Ulrich

von BnE (Gast)


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Wenn du sie nach 10 Minuten noch gut anfassen kannst, und zwar in der 
gewünschten Einbausituation, ist es gut. Das sind dann nur etwas mehr 
als 40 Grad außen. Innen etwas mehr, aber 60 Grad sind normalerweise 
kein Problem.

von Horst S. (Gast)


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Ulrich E. schrieb:
> Das ungewöhnliche ist, dass die LED in Kunststoff gefasst ist und auch
> von unten keinerlei direkten Kontakt zu einem Kühlkörper ermöglicht.

Laut Deiner Aussage scheinst Du den Wärmeleitkoeffizienten des 
Kunststoffes zu kennen (mitsamt dem Klebepad natürlich).

Wie groß/klein ist der?

von ArnoR (Gast)


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Ulrich E. schrieb:
> der Durchmesser der leuchtenden Schicht beträgt 17mm.

Dann ist die Breite etwa 30mm und die Länge etwa 40mm (möglicherweise 
sitzen die Chips sogar auf einem Wärmeverteiler aus Blech). Ich meine 
das reicht für 2W und 60K Übertemperatur also etwa 30K/W. Ein 
DIP40-Gehäuse hat etwa 35K/W.

von BnE (Gast)


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Hoffentlich sind es deutlich weniger als 30k/W. Sonst haben die LEDs bei 
20 Grad Außentemperatur ja bereits 80 Grad, das ist für eine hohe 
Lebensdauer schon zu viel. Und die Außentemperatur der eingeschalteten 
Lampe ist sicher nicht nur 20 Grad.

Damit mein Vorschlag mit dem Anfass-Test funktioniert, muss der 
Widerstand schon unter 10k/W liegen.

Mir fällt leider nicht ein, wie man den Widerstand genauer bestimmen 
kann. Ich kann mir aber gut vorstellen, dass die Konstruktion schon 
deutlich besser ist als ein DIP40. Die LEDs sind, wie auf dem rechten 
Bild erahnt werden kann, ziemlich nah an der Oberfläche, während das DIP 
noch einen Hohlraum für Bonddrähte und darüber Plastik hat. Man muss 
dann aber auch wirklich direkt auf der Leuchtfläche fühlen.

P.S.
Mir fällt gerade doch ein, wie man die Innentemperatur messen kann. Das 
ist nicht ganz ernst gemeint: Man misst möglichst  genau den 
Spannungsabfall bei konstantem Strom aber vielen verschiedenen 
Temperaturen. Dazu wärmt man das Gehäuse lange genug auf, so dass das 
Silizium der LED die Temperatur wirklich erreicht hat. Dann macht man 
sehr kurze Messungen, die die LED nicht nennenswert aufwärmen. Als 
nächstes bringt man die LED in den normalen Betriebsmodus und lässt sie 
sich selbst erwärmen. Der Strom muss der selbe wie vorher sein. Man kann 
nun über den Spannungsabfall auf die Temperatur schließen.

von Falk B. (falk)


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@BnE (Gast)

>Mir fällt gerade doch ein, wie man die Innentemperatur messen kann. Das
>ist nicht ganz ernst gemeint: Man misst möglichst  genau den
>Spannungsabfall bei konstantem Strom aber vielen verschiedenen
>Temperaturen.

Warum so bescheiden? Das ist eine professionelle Methode. So habe ich 
gerade die Temperatur von IGBTs gemessen, die in einer Spezialanwendung 
als lineare Stromquelle arbeiten. Vorher im Klimaofen bei 30-150°C die 
Kennlinie ausgemessen und dann bei Normalklima ordentlich Leistung 
umsetzen und messen. Die Steuerung macht ein Arduino Uno!!! Die Messung 
erfolgt in reichlich 1ms.

von Dirk D. (onemintyulep)


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Die LED wird schon zurechtkommen. Das entspricht grade mal 4 Duris E5 
auf 12cm²(?) und auch Kunststoff kann Wärme leiten. Geringere Temperatur 
erhöht aber deutlich die Leuchtstärke und Lebensdauer, also auf jeden 
Fall auf einer massiven Oberfläche montieren und nicht "zubauen".

von Dieter (Gast)


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Wenn Du die LED mit weniger, zB halber Leistung betreibst, waere auch 
der Wirkungsgrad besser. Und auch die Lebensdauer. 100000h liessen sich 
erreichen.  Nach dem Bild waeren 6 LED und drei in Serie in dem Chip 
verbaut.

von BnE (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Warum so bescheiden? Das ist eine professionelle Methode.

Danke! Nicht so ernst gemeint deshalb, weil die Methode vermutlich nicht 
so ganz zu Ulrichs Ambitionen passt. "Könnte meine Schrankbeleuchtung zu 
warm werden? OK, ich brauchen eine gute Konstantstromquelle, ein 
Messgerät, beides für kurze Messintervalle programmierbar und - ach ja, 
einen Klimaschrank!" ;)

von U. M. (oeletronika)


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Hallo,
> BnE schrieb:
> Hoffentlich sind es deutlich weniger als 30k/W. Sonst haben die LEDs bei
> 20 Grad Außentemperatur ja bereits 80 Grad, das ist für eine hohe
> Lebensdauer schon zu viel.
Du siehst die Sache ein klein wenig zu pessimistisch.
Die Leistungsaufnahme ist knapp 2W ( 12W x 0,16A = 1,92W)

Davon geht aber ein Teil als Licht weg. Je nach Effizienz kann man mit 
ca. 25...35% rechnen. Es bleibt also eine Wärmelast von ca. 1,3...1,4W.
Mit 30K/W käme man auf ca. 40 Grad Erwärmung.
60...65°C wäre nicht super komfortabel, aber noch ok.
Über 80°C ist da schon um einiges härter.

> Damit mein Vorschlag mit dem Anfass-Test funktioniert, muss der
> Widerstand schon unter 10k/W liegen.
Das ist echt unnötig. Da kämme man ja nur auf ca. 13 Grad Erwärmung.

> Mir fällt leider nicht ein, wie man den Widerstand
> genauer bestimmen kann.
Man kann auch eine einfache Faustregel nehmen. Pro 1W sollte man ca. 
10cm² effektive Kühlfläche haben. Ca. 20cm² wären großzügig.
Falls man die Gehäuseoberfläche (unten und oben) als halbwegs effektive 
Oberfläche annehmen kann, wäre es für die Leistung schon genug.

Aber die Variante: "Eine Weile laufen lassen, und dann mit den Fingern 
prüfen" ist in dem Fall wirklich einfach und zuverlässig genug.
Gruß Öletronika

: Bearbeitet durch User
von BnE (Gast)


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U. M. schrieb:
> Davon geht aber ein Teil als Licht weg. Je nach Effizienz kann man mit
> ca. 25...35% rechnen.

Ach, stimmt ja auch. Guter Hinweis. Leistung, die nicht in Wärme 
verschwindet, ist ja sowas von ungewohnt in der Elektronik...

von Kugelschrei-Bär (Gast)


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Ulrich E. schrieb:
> Wie kann so die erzeugte Wärme überhaupt abgeführt werden, um eine
> zulässige Betriebstemperatur zu erreichen?

Kabel, Abstrahlung und in geringem Maße auch Konvektion. Kann man 
natürlich auch zwangskühlen, dann geht noch deutlich mehr.

von J. S. (pbr85)


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BnE schrieb:
> U. M. schrieb:
>> Davon geht aber ein Teil als Licht weg. Je nach Effizienz kann man mit
>> ca. 25...35% rechnen.
>
> Ach, stimmt ja auch. Guter Hinweis. Leistung, die nicht in Wärme
> verschwindet, ist ja sowas von ungewohnt in der Elektronik...

Theoretisch könnten es auch deutlich mehr sein, da die besten weißen 
LEDs derzeit über 60% Wirkungsgrad erreichen. Praktisch wird die COB-LED 
aber wohl eher in dem Bereich liegen den UM angegeben hat.

Und was die Wärmeableitung angeht, die kann auch tatsächlich einfach nur 
schlecht sein. Die LED geht ja dann nicht abrupt kaputt, sondern 
verliert vergleichsweise schnell an Helligkeit. Bis das dann bemerkt 
wird, können aber je nach Einsatzbedingungen schon einige Jahre vergehen 
und dem Hersteller ist das dann völlig egal. Solche Sachen kommen bei 
fertigen LED-Leuchten oft vor und manchmal auch noch Schlimmeres, wie 
eine falsche Ansteuerung mit schlechter Wärmeableitung zusammen. Wenn 
die Leuchte dann 2 Jahre oder so hält, reicht das.

: Bearbeitet durch User
von ichbin (Gast)


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Das was ölektronika schreibt sehe ich auch so.
Man sollte auch bei aller Wärmeleitung des Kunststoffes bedenken, dass 
die Ableitung an die Oberfläche das Eine ist. Von der Oberfläche muss 
diese ja dann auch wieder weg.
Ein Transistorgehäuse mag eine Wärmeleitung von unter 1k/W liegt. Damit 
lassen sich 10W aber auch nur verheizen wenn ein entsprechender 
Kühlkörper dranhängt.

ichbin

von Alex G. (dragongamer)


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Wieso wollt ihr alle hier mit dem Finger messen?
@sudu
Hast du kein Multimeter mit einem Thermofühler? Sowas ist heute bei sehr 
vielen, auch billigen, dabei.
Der ist dabei extrem winzig und könnte man prima mit einem Zahnstocher, 
gegen die Oberfläche drücken bis er die Temperatur annimmt.

Dabei natürlich ein oder 2 paar Sonnenbrillen auf haben.

von Ulrich E. (sudu)


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Hallo alle zusammen,

Danke erstmal für eure Antworten zur Frage.

Dieter schrieb:
> Nach dem Bild waeren 6 LED und drei in Serie in dem Chip
> verbaut.
Denke ich eigentlich auch. Komisch ist dabei nur, dass bereits bei 7,5 
Volt ein Stromfluss einsetzt, der die weisse LED schwach leuchten lässt. 
Die Neugier ist geweckt. Ich werde eine LED opfern und zerlegen - bei 
DEM Preis ein verschmerzbarer Verlust.

Alex G. schrieb:
> Wieso wollt ihr alle hier mit dem Finger messen?
> @sudu
> Hast du kein Multimeter mit einem Thermofühler?

Ja, irgendwo muss ich für mein uraltes DMM Protek 506 noch so einen 
externen Temperaturfühler haben. Wenn ich ihn finde, Werde ich (die 
Augen geschützt mit Schweißerbrille natürlich ;-)) ) mal schauen, wie 
heiß die LED-Oberfläche bei Nennlast wird.

Sinnvoll ist sicher auch, das ganze mit Strahlungsrichtung nach oben, 
nach unten und zur Seite getrennt zu messen. Ich erwarte da erhebliche 
Unterschiede...

Beste Grüße

Ulrich

von batman (Gast)


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Ulrich E. schrieb:
> Komisch ist dabei nur, dass bereits bei 7,5
> Volt ein Stromfluss einsetzt, der die weisse LED schwach leuchten lässt.

Das ist für eine weiße LED bei 2,5V (=7,5/3) ganz normal.

von Stefan F. (stefanus)


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> Nach dem Bild waeren 6 LED und drei in Serie in dem Chip
> verbaut.

12V LED Module haben meistens 3 LED's in Reihe und davon eventuell 
mehrere Stränge parallel geschaltet.

> Komisch ist dabei nur, dass bereits bei 7,5
> Volt ein Stromfluss einsetzt

So gesehen passt die gemessene Spannung dann.

von Falk B. (falk)


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@Ulrich E. (sudu)

>Die Neugier ist geweckt. Ich werde eine LED opfern und zerlegen - bei
>DEM Preis ein verschmerzbarer Verlust.

Warum? Miß es doch (semi)professionell. Siehe Anhang.

Mit der Schaltung kann man mit S1 zwischen voller Leistung und 1mA 
Prüfstrom umschalten. Mit 1mA Prüfstrom legt man das Ding in eine 
Styroporbox und heizt mit einem 22Ohm/10W Widerstand die Temperatur 
hoch. Wenn die für ein paar Minuten stabil steht, mißt man z.B. bei 30, 
60 und 90°C die Flußspannung der LED.

Wenn man die Kennlinie ausgemessen hat, betreibt man die LED mit 
Nennstrom für vielleicht 5-10min, dann sollte sie thermisch 
eingeschwungen sein (S1 schließen). Dann schaltet man schnell S1 aus und 
mißt die Spannung der LED. Über die vorher ermittelte Kennlinie kann man 
nun die Temperatur bestimmen, siehe Exceltabelle. Die Messung sollte 
möglichst schnell in 1-2s erfolgen, damit die LED nicht zu sehr 
auskühlt. Trick. Man nutze die Minimummessung der meisten modernen DMMs, 
denn die niedrigste Flußspannung entspricht der höchsten Temperatur. Wer 
das genauer und schneller machen will, ersetzt S1 durch einen MOSFET und 
den Spannungsmesser durch einen Differenzverstärker. Das Ganze wird dann 
per uC gesteuert und gemessen und kann seine Daten per UART ausspucken. 
Been there, done that.

Die LED hier im Thread hat ja schon einen Vorwiderstand eingebaut, da 
braucht man R3 nicht. Der ist nur dazu da, den Nennstrom der LED1 
einzustellen, wenn man kein Labornetzteil mit Strombegrenzung hat (G1) 
und eine einzelne LED messen will. Also entweder 12V Konstantspannung + 
R3 oder Labornetzteil mit einstellbarer Strombegrenzung ohne R3.

Viel Erfolg mit der Meßmethode.

von Ulrich E. (sudu)


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> Das ist für eine weiße LED bei 2,5V (=7,5/3) ganz normal.

Wenn das so ist, dann würden ja grundsätzlich, egal wie effizient die 
verbauten LED selbst sind, bei allen 12-Volt-LED-Leisten allein an den 
seriellen Vorwiderständen bereits 4,5/12 = 37,5% der eingespeisten 
Leistung verbraten. Nicht gerade wenig finde ich. Da könnte man ja fast 
besser 4 LED in Serie schalten...

Falk B. schrieb:
> Viel Erfolg mit der Meßmethode.

Danke, werde ich sobald wie möglich tun.

Beste Grüße

Ulrich

von Teo D. (teoderix)


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Ulrich E. schrieb:
> Da könnte man ja fast
> besser 4 LED in Serie schalten...

UF steigt doch mit IF!
~100µA -> ~2,5V, ~IF max -> ~3,4V.



PS: Nein, auch wenn's so aussieht, das betreiben einer LED an einer 
Spannung ist wegen der Temperaturkennlinie der LED nicht zu empfehlen!

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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@Ulrich E. (sudu)

>> Das ist für eine weiße LED bei 2,5V (=7,5/3) ganz normal.

>Wenn das so ist, dann würden ja grundsätzlich, egal wie effizient die
>verbauten LED selbst sind, bei allen 12-Volt-LED-Leisten allein an den
>seriellen Vorwiderständen bereits 4,5/12 = 37,5% der eingespeisten
>Leistung verbraten. Nicht gerade wenig finde ich.

Ist auch so.

>Da könnte man ja fast
>besser 4 LED in Serie schalten...

Aber nur, wenn man dann eine Konstantstromquelle spendiert, welche 
auch mit wenig Restspannung arbeitet. Denn 4x3,2V=12,8V. Da braucht man 
schon die klassischen 13,8V, damit das funktioniert.

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