LED-Kühlkörper

Fakt

Die Verwendung von Hochleistung-LEDs kommt ohne Kühlung derselbigen nicht aus. Die Berechnung entsprechender Kühlkörper bedarf
allerdings einiger besonderer Vorüberlegungen, wenn man sich die Datenblätter anschaut.

Hintergrund

 

1. Der größtmögliche optische Output liegt bei einer Chiptemperatur (Junction Temperature) von
2. Der Gehäuse-Wärmewiderstand beläuft sich je nach Modell auf

Setzt man diese Werte in die Standardformel für Kühlkörperberechnung ein,
bekommt man zwar ein mathematisch korrektes, aber praktisch unmögliches negatives Ergebnis:

Erläuterung

• Der Wärmewiderstand eines Körpers im Allgemeinen gibt die Temperaturdifferenz an, die zwischen der
  Wärmeaufnahmefläche und gegenüberliegendender Wärmeabgabefläche entsteht, wenn 1Watt Wärmeleistung abgeleitet werden.
• Der Gehäuse-Wärmewiderstand von HP-LEDs hat technisch bedingt einen sehr viel höheren Wert gegenüber anderen Halbleiterbauelementen.
  Das bedeutet in diesem Beispiel,  zwischen LED-Gehäuse-Aussenseite und LED-Chip entsteht ein Temperaturunterschied von

• Selbst wenn die Gehäuseaussenseite bis auf die übliche Raumtemperatur von 20°C gekühlt wird, hat der LED-Chip eine
  Temperatur von mindestens 29,6°C , also 4,6°C über dem Optimalwert für den höchsten Output.

 

Möglichkeiten

1.)

Wird ein lüfterloser Standard-Kühler mit einem Wärmewiderstand von 1K/W eingesetzt, liegt die Chiptemperatur bei 30,7°C.
Ein entsprechender Kühlkörper aus Aluminium mit freier Konvektion hat eine Kühloberfläche von etwa 600cm²
und beispielsweise folgende Abmessungen:

Wärmeaufnahmefläche = 10 cm x 10 cm
Grundplatte = 1 cm stark
10 Kühlrippen – jeweils 3 cm hoch und 4 mm stark

2.)

Die zusätzliche Verwendung von elektrischen Lüftern ermöglicht zwar viel kleinere Kühlkörper, drückt aber widerum
die Effizienz, da zusätzlich Strom verbraucht wird. Ausserdem wird dadurch auch nicht eine Chip-Temperatur
von 25°C erreicht, zumindest nicht in einer pflanzen- und menschenfreundlichen Umgebung von 20°C.

3.) Mit einem Flüssigkeitskühler wäre die nötige Gehäuse-Aussentemperatur von 16,5°C kein Problem.

 

 

Der Kompromis

 

• Der Output der LEDs liegt bei Chip-Temperaturen von 40°C … 55°C immerhin noch bei 95% – 97% gegenüber dem optischen Wirkungsgrad bei
  einer Chiptemperatur von 25°C.
• Aufgrund der Halbleitereigenschaften sinkt mit zunehmender Chiptemperatur und bei konstantem Betriebsstrom
  die nötige Vorwärtsspannung, was sich erheblich in der Nettorechnung bezüglich der Stromverbrauch/Lichtleistung-Effizienz bemerkbar macht.

Für   ergeben sich dann Werte von

Das entspricht sehr viel kleineren Kühlkörpern von etwa 2,5cm x 1,5cm bis 4cm x 2,5cm.
Dies wären zum Beispiel Stift- oder Sternkühlkörper.

Wertetabelle für LED-Kühlkörper -> klick