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Case Study: Auswahl des geeigneten LED-Kühlkörpers

Schukat erklärt die Kühlkörperberechnung


Die neueste Generation an LEDs und COBs (Chip-on-Board) ermöglicht eine hohe Lichtausbeute. Bei einer Umrüstung auf LED lässt sich jedoch nicht einfach das Leuchtmittel ersetzen – hier ist ein thermisches Management notwendig.
 




Das Problem


Rund 70% der elektrischen Energie von LEDs wird nicht in Lichtleistung, sondern in Wärme umgewandelt. Um die lange Lebensdauer der LEDs bestmöglich gewährleisten zu können, ist neben der Auswahl der geeigneten Stromversorgung eine ausreichende Dimensionierung der Kühlung erforderlich. Die korrekte Kühlkörperberechnung stellt jedoch oftmals eine Herausforderung dar. Vielen Entwicklern fällt es schwer, ein passendes Modell aus dem breiten Angebot auf dem Markt auszuwählen. Hinzu kommt, dass sich Kühlelemente nicht nur im Material, sondern auch im Design unterscheiden.

Wie lässt sich der Wärmewiderstand berechnen?

Für jede Anwendung eignet sich ein anderer Kühlkörper, seine Berechnung basiert auf physikalischen Grundlagen. Die grundlegenden Angaben sind aus den Datenblättern der LEDs zu entnehmen, für die ein Cooler gesucht wird.

• Für das Wärmeverhalten benötigen wir zunächst die Nennleistung, die sich aus der Multiplikation des Nennstroms mit der Vorwärtsspannung errechnet. Auch den üblichen Wärmeverlust gibt der Hersteller an, dieser liegt bei einer LED um die 70%, es bleiben also ca. 30% an Effizienz. Aus der Multiplikation der Nennleistung mit 0,7 folgt der Wärmeverlust.

Pe (Nennleistung) = lf (Nennstrom) x Vf (Vorwärtsspannung) Watt
Eff (Effizienz) = 30% -> d. h. 70% Wärmeverlust
Pd (Wärmeverlust) = Pe x 0,7 Watt

Temperaturbedingungen: dT bezeichnet die Temperaturdifferenz aus der Temperatur für das Gehäuse (Tc) und der angenommenen Umgebungstemperatur der Anwendung (Ta). Sie errechnet sich aus folgender Gleichung:

dT = Tc – Ta = x°C



• Für den Wärmewiderstand (Rth) dividieren wir den Wert der Temperaturdifferenz durch den Wärmeverlust (Pd):

Rth (Wärmewiderstand) = dT / Pd = x°C/W

• Von diesem vorläufigen Wärmewiderstand müssen wir schließlich noch den Wärmewiderstand des Interfacematerials zwischen LED und Kühlkörper abziehen. Er liegt erfahrungsgemäß zwischen 0,1°C und 0,2°C.

Rth LED-Cooler = x°C/W – 0,2°C/W

Fazit: Der notwendige Wärmewiderstand des Kühlkörpers darf maximal diesen Wert oder weniger betragen. Nun beginnt die Suche nach einem passenden Modell.

Kühlkörper per Mausklick:
Tipp: Wer sich die Suche nach dem geeigneten Kühlkörper vereinfachen möchte, findet Unterstützung beim Hersteller MechaTronix: In der linken Spalte auf der MechaTronix Site können Anwender die gewünschte Endprodukt-Applikation auswählen und werden zu einem Produktfinder weitergeleitet.
Der Anwender gibt dann unter ''LED Brand'' die LED-Marke seiner Wahl und den errechneten Wärmewiderstand ein, ggf. auch weitere vorhandene Eigenschaften, z. B. der zur Verfügung stehende Durchmesser oder die mögliche Höhe. Schon können Sie die passenden Kühlkörper vergleichen.

Schukat electronic bietet im Rahmen des Lightingprogramms COB LEDs, Kühlkörper und Stromversorgungen mit passendem Zubehör an. Damit unterstützen wir alle Anwender, die sich ihre Komponenten für eine Beleuchtungslösung mit COBs selbst zusammenstellen möchten. Unsere langjährige Zusammenarbeit mit renommierten Herstellern macht das möglich.




 
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