Wenn man sich die Temperaturabhängigkeiten der Meßergebnisse der LED-Scheinwerfer anguckt und in Datenblättern der LED-Hersteller (z.B. Luxeon Datasheet 45) auf die Temperaturabhängigkeiten stößt, so will man es selber mal nachvollziehen:-)
Der Versuchsaufbau ist relativ einfach: Ein etwa 27mm langer Kupferzylinder
(mm) wird mit drei 6,8mm Bohrungen versehen. Der notwendige
Verbindungskanal kurz unter der einen Stirnseite wird dichtgesetzt. Ein
20x20mm Peltier-Element (extra dafür angeschafft, Quelle:
Conrad-Electronic) dient als ,,Wärmepumpe``. Auf der anderen Seite sitzt ein
30x30x5mm Kupferblech, auf welches eine LXHL-PW09 Rank T mit 160-Grad-Lot
aufgelötet ist. Die Übergänge Kupfer-Peltier sind mit Wärmeleitpaste
verbessert. Der Andruck wird über zwei Gummibänder gewährleistet und ist
mit diesen 24 Stunden vorbelastet.
Wehe jemand sagt jetzt, man hätte auch Wasserkühlsets aus dem PC-Bereich benutzen können: Die E-Heim existierte schon, das Kupfer lag in der Grabbekiste und sowas ist fast schneller gemacht, als ich sowas bestellt habe. Zumindest schneller als eine käufliche Lösung einsatzbereit auf dem Tisch liegt.
Die Kühlung wird durch eine Aquariumpumpe und 0C kaltes Wasser
(Wasser-Eis Gemisch) unterstützt.3.98
Die LED wird bei den Messungen mit ca. 18mA (niedrigster Konstantstrom des HM7042) versorgt. Sinn ist, direkt den Einfluß der Temperatur zu messen, ohne noch groß den Wärmewiderstand Chip-Temperaturmeßstelle mit berücksichtigen zu müssen. Das wäre bei höheren Leistungen sicherlich notwendig.
Strom und Spannung werden mit Labormeßgeräten (HM8011) gemessen. Der Lichtrom interessiert nur relativ, daher ist das Luxmeter (GO 9e) einfach mit dem Abschattungstubus davorgestellt. Die Resthelligkeit bei ausgeschalteter Stromversorgung ist hinreichend gering. Die Temperatur wird in einem ca. 8mm tiefen Loch der Kupferplatte mit einem NiCr-Ni-Thermoelement gemessen.
Schwierigkeiten entstehen dadurch, daß besonders unter 0C auf der LED die
Luftfeuchtigkeit kondensiert oder bei tiefen Temperaturen sogar gefriert.
Dann muß die LED kurz abgewischt werden und der Sensor schnell (bevor erneut
nennenswerte Kondensation eintritt) wieder repositioniert
werden. Das scheint anhand der Meßergebnisse aber ausreichend gut gelungen zu sein.
Die Werte aus dem Diagramm im Luexon data sheet DS45 sind um drei Grad nach links verschoben, damit sie tangential mit der selbst aufgenommenen Meßkurve übereinstimmen. Anscheinend verwendet Luxeon 24 Grad als Bezugstemperatur.
Für eine Cree XR-E 7090 P4 ergibt sich Bild 3.63. Hier wird sowohl bei 18,2 wie auch bei 500mA gemessen. Die Temperaturen werden am Kupfering der LED und ca. einen Millimeter unterhalb der Unterseite des Keramikträgers (Solderpoint) in dem massiven Kupferzylinder3.99 gemessen.3.100
Unterhalb 10C beschlägt die LED, dadurch fällt dann die Intensität
ab.3.101Real würde der Lichtstrom bzw. die Ausbeute noch weiter steigen. Nur ist
leider keine trockene Atmosphäre verfügbar. Da die Versuche in endlicher
Zeit durchgefahren werden sollten sind leicht instationäre Meßdaten
vorhanden, vergleiche Temperaturen am Solderpoint und am Kupferring. Die
Lichtausbeute der Crees sinkt offensichtlich deutlich weniger bei
Temperaturzunahme als bei der Luxeon PW09.
Beginn eines Traumes: Vielleicht sind obige Betrachtungen und Kurven endlich
mal ernsthafter Anlaß für Hersteller von LED-Fahrradlampen dem Design
und der Konstruktion eine effektive Kühlung ins Lastenheft zu schreiben.
Chiptemperaturen von über 100C müssen einfach nicht sein! Ende der
Träumerei: Solange die Lichtausbeuten der LEDs so schnell steigen scheint
bei den Herstellern kein Denkprozeß zu fruchten, siehe der 2007er bumm
IQ-Fly.3.102
Und wer es immer noch nicht glaubt im http://www.candlepowerforums.com gib es einen Beitrag vb/showthread.php?s=584ce3a13584b79d738b2711a5ee47a0&t=108102 der ähnliche Ergebnisse zeigt, wenn auch für andere Farben.
Und da Fahrradlampenhersteller es selbst 2007 anscheinend immer nocht nicht
beherrschen, LEDs nicht in Thermoskannen einzubauen Bild
3.65. Die Temperaturen sind so nah wie möglich an
der LED aufgenommen worden. Die zum Vergleich herangezogene LXHL-PW09 Rank T
ist nur mit ca. 18mA bestromt (s.S.
). Dies ist anscheinend aber, vgl.
Bild 3.63 nicht relevant.
Die Meßwerte sind mit zimmertemperaturwarmen Scheinwerfern aufgenommen, die mit 400mA 60Minuten ungekühlt betrieben werden. Dann wird für 30Minuten ein Ventilator angeschaltet, der die Scheinwerfer mit etwa von hinten 8km/h kühlt. Beim IQ-fly wurde nach diesen 90Minuten der Strom für 20Minuten auf 547mA erhöht und dann für 20 Minuten wieder auf 400mA gesenkt.
Ebenso wie bis zu 100C LED-Temperatur unnötig sind ist der dadurch
hervorgerufene Verlust an Lichtstrom einfach zu kurz seitens der Hersteller
gedacht. Es geht hier um 5-20%, die ein fahrtwindgekühlter Scheinwerfer
nach einiger Zeit dunkler ist als bei Raumtemperatur.
Die Temperaturkoeffizienten von LEDs scheinen unterschiedlich zu sein.
Üblicherweise werden -2mV/C für Halbleiter genannt. Aber Vorsicht
ist die Mutter der Porzellankiste und Herstellerangaben traue ich erstrecht
nicht, wenn die überhaubt im interessanten Bereich vorliegen. Es folgt eine
noch aufzufüllenden und verifizierende Aufführung. Die Daten dafür
stammen aus Auswertungen bisheriger Messungen und sind teilweise ,,
Abfall`` aus der Datenerhebung an Scheinwerfern. Zusätzlich zum
üblichen Temperaturkoeffizienten, der sich auf die Spannungsveränderung
bezieht, wird hier noch einer für den Lichtstrom
eingeführt.3.103
Modell | ![]() ![]() |
![]() ![]() |
Meßaufbau | ||||||
Strom [mA] | Strom [mA] | ||||||||
18 | 400 | 500 | 800 | 18 | 400 | 500 | 800 | ||
Cree | |||||||||
XR7090-WT-01 | -4,0 | -1,9 | TD070211 | ||||||
XR7090-WT-01 | -4,4 | IQfly | |||||||
XR7090-WT-01 | -2 | -2 | Peltier | ||||||
Luxeon | |||||||||
LXHL-PW09 | -4,0 | -2 | Touchdown2 | ||||||
LXHL-PW01 | -2 | Pilot Stedy | |||||||
LXHL-PW09 | -3,5 | Peltier |
Für die Messungen mit dem Peltierelement kann vereinfacht ein
Sekanten-Koeffizienten angegeben werden. Allgmein besser fittet jedoch eine
kubische Gleichung auf
oder eine Exponentialfunktion auf
.
Als Temperatur wird für die Werte in Tabelle
3.29
herangezogen. Für den Polynomfit
sollte
eigentlich 1,0 werden. Praktisch liegen jedoch nicht immer genau
für 20
C Daten vor und die Kurven sind dann leicht verschoben. Für die Parameterbestimmung werden die abfallenden Werte bei Betauung der LED bzw. Ausreißer (siehe Bilder 3.62 bis 3.64) auskommentiert.
Typ | Strom | ![]() |
![]() |
||||
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
||
[mA] | [V] | [] | ![]() |
![]() |
![]() |
||
Cree | |||||||
XR-7090-WT-01 (P4) | 18 | 1,806 | -342,3 | 1,003 | -2,236 | 0,417 | |
500 | 2,496 | -195,9 | 0,995 | -1,814 | -0,063 | ||
Luxeon | |||||||
LXHL-PW09 | 18 | 1,786 | -532,5 | 1,008 | -2,863 | -1,056 | |
LXML-PW1C-0100 | 18 | 1,791 | -345,4 | 1,011 | -3,589 | -4,511 | |
500 | 2,313 | -237,8 | 1,008 | -1,178 | -1,474 |
Diese Werte werden von LED zu LED streuen! Welche Werte am stärksten streuen könne nur Meßreihen zeigen.
Olaf Schultz, Hamburg-Harburg