Replik auf
diesen Post (#33)
manchmal frag ich mich echt............ich sagte dir schon mehrfach befasse dich mit etwas richtig und ganzumpfänglich oder lass es sein, was dir gefällt irgendwo rauszitieren, schönreden oder Erbsenzählerei, mehr und mehr halbwissen dir zurechtzuschustern von sachen die du eh nicht verstehst.
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Kupfer ist ein Schwermetall, es wiegt bei gleicher größe 3-4x so viel wie Alu!!!!
LED Boards sind üblicherweise ~1,5-2mm dick bei gleichen größen selbstredend.
nehm ich nun besagtes Board aus Kupfer ist dieses ~4x so schwer wie selbiges aus Alu was ne 2x größere Wärmekapazität bedeutet!!!! und das ist nicht, wie du sagst eh belanglos, sondern sehr wichtig, da das Board gleichzeitig als der zentrale Wärmepuffer dient.
Danke dass Du einem Chemiker erklärst dass Kupfer ein Schwermetall ist, [Ironie an] hab ich in meinem Studium leider nicht oft genug gehört [Ironie aus]....
Kupfer hat nicht die 3-4 fache Dichte von Aluminium, es ein fixer Wert (der Faktor beträgt 3,3 wenn man von Reinstmaterialen ausgeht). Eine Spanne anzugeben ist einfach physikalischer Blödsinn. Du kannst diesen Faktor aber der Einfachkeit halber auf eine ganze Zahl runden.
Ich habe mir schon gedacht, dass Du die Wärmekapazität verschiedener Körper mit identischem Volumen meintest (Einheit [J/K]), geschrieben hast Du aber Wärmekapazität von Kupfer/Alu. Und die Wärmekapazität eines Stoffes ist eine Materialeigenschaft (Einheit [J/(kg K)]) und unabhängig von der Masse und dem Volumen.
Herbert, wir können Dir nicht helfen, wenn Du Dich nicht korrekt ausdrückst. Das hat nichts mit "Erbsenzählerei" zu tun, sondern damit dass man Begriffe richtig verwenden muss, wenn man eine eindeutige Aussage machen möchte. Da musst entweder Einheiten angeben oder mit Worten spezifizieren was Du meinst.
Alles was hier folgt, gilt für eine Radlampe, die von Fahrtwind umströmt wird und die nicht die Größe einer Streichholzschachtel hat. Es geht ja hier im Forum auch um Radlampen, und zwar um Radlampen während der Fahrt. Nur damit das klar ist.
Gehen wir auf die Aussage ein, die Wahl von Kupfer statt Alu als Platinenmaterial sei wichtig, weil es als zentraler Wärmepuffer dient.
1) Berechnung der Wärmekapazität der Platinenkörper
Los geht es, wir multiplizieren die Wärmekapazität (in J/(kg·K)) mit der Dichte (g/cm³, hier umgerechnet in kg/cm³) und erhalten so die Wärmekapazität pro Volumen. Diese Multiplizieren wir dann mit dem Volumen einer exemplarischen LED Platine aus Metall, wir rechnen mit einem Volumen von 4 cm³ (5 cm x 4 cm x 0,2 cm), so erhalten wir die Wärmekapazität der verschiedenen Platinenkörper (in J/K,
was Herbert meinte, aber nicht gesagt hat). Dabei zeigt sich dass Kupfer bei der volumenenbezogenen Wärmekapazität um einen Faktor 1,43 besser ist. Kein weltbewegender Unterschied.
Alu: 895*0,00269 = 2,4 J/(cm³·K) --> 2,4 J/(cm³·K) * 4 cm³ = 9,6 J/K;
Kupfer: 382*0,00892 = 3,4 J/(cm³·K) --> 3,4 J/(cm³·K)* 4 cm³ = 13,7 J/K;
2) Berechnung der Temperaturpufferfähigkeit.
Nehmen wir für unsere Berechnung an, es gäbe keinen(!) Wärmeübergangswiderstand von der LED zum Platinenmaterial (das ist ein separates Problem, dass uns hier jetzt nicht interessiert). Zudem nehmen wir an, es würde keine Wärme abgeführt (Auf die Wärmeabfuhr kommen wir noch, wir wollen ja erstmal die Wärmekapazität berücksichtigen). Wir nehmen einen zügig fahrenden Radler an, der dauerhaft sehr viel Licht (bei schlechter LED) haben möchte und gehen daher von 10 W konstanter thermischer Last aus.
Exkurs: physikalische Wirkungsgrade (Umwandlung von Strom in Strahlung im sichtbaren Bereich) von LEDs liegen bestensfalls bei 30% - 50%, der Rest verpufft in Wärme.
Wir verwenden die oben berechneten Wärmekapazitäten der modellhaften Platinenkörper und rechnen aus, wie lange die Platine braucht, um sich um 100 K zu erwärmen (als z. B. von 20 nach 120 °C). Um von Joule auf Watt zu kommen ersetzen wir J durch W·s ( J/s = W --> J = W·s). Im Anschluss multiplizieren wir dann die Wärmekapazität mit der Temperaturdifferenz und teilen abschließend durch die thermische Leistung:
Für die Aluplatine: (9,6 W·s/K) *(100 K) / (10 W) = 96 sek
Für die Kupferplatine: (13,7 W·s/K) *(100 K) / (10 W) = 137 sek
-->Fazit: Das Alu Board benötigt also (unter den obigen Annahmen) 96 Sekunden um sich um 100 K zu erwämen, das Kupferboard 137 Sekunden. Beides sind hinsichtlich der Dauer einer typischen dedizierten Nachtfahrt kleine, nicht relevante Zeitspannen.
Exkurs: Wenn man jetzt annimmt, dass die thermische Anbindung der LED an die Platine nicht ideal ist, dann dauert das Aufheizen der Platine länger, die aufgenomme Wärmeenergie für diesen Temperaturanstieg bleibt aber die gleiche. Die Temperaturdifferenz zwischen LED und Platine wird dann nur größer. Exkurs Ende Es ist also vorrangig wichtig dass die Wärme abgeleitet wird, und nicht wie gut die Wärme gespeichert (= gepuffert) werden kann. Solange die Wärmekapazität keine einstelligen Werte (in J/kg K) aufweist, ist diese für den Fall einer Radlampe völlig irrelevant. Bei einer Taschenlampe, die in der Hand zwei bis drei Minuten volle Leistung bringen soll, ist das u.U. etwas interessanter, weil der Abtransport der Wärme da schwieriger ist.
Und nun kommen wir zur Korrektheit meiner Aussage: "Das Material der Platinen ist nicht der Flaschenhals",
die Du ja bestätigt hast, auch wenn Du es noch nicht verstanden hast. Und wir kommen zum Thema warum die Wärmeleitung das entscheidende ist, und zwar die an die Umgebungsluft.
1. Übergange zwischen Materialien und Bauteilen.
Du schreibst selber:
... DTP MCPCB ... LED kern möglichst direkt an nen Kupferkern zu binden ist heutzutage das A und O.
... da die Übertragung von LED auf das Board der kritische punkt ist und durch die Übertragung von da dann aufs Gehäuse eher schleppend ist ne möglichst große Kapazität besonders von belang.
Der erste Punkt (Anbindung LED an Board) ist völlig richtig, ein lausiger Wärmeübergang von der LED zum Board macht das beste Boardmaterial sinnlos. Der Flaschenhals ist also die Übertragung der Wärme von LED zu Platine, und auch von Platine zu Kühlkörper. Bei deiner Quelle, wo Du die unten genannten Werte her hast, wird dafür Werbung gemacht, dass sie das können (Wärmeübergang LED->Platine im Expressverfahren), damit gilt dann meine obige Rechnung zur Erwärmungszeit der Platine bei den Al oder Cu Platine.
Der zweite Punkt ist falsch, der Wärmeübergang aufs Gehäuse bzw den Kühlkörper darf nicht schleppend sein. Der Wärmestrom (!), der bei Radfahrbedingunen nachts an die Umgebung abgeführt werden könnnen muss, darf nicht kleiner als der Wärmestrom(!) sein, den die LED produziert. Sonst heizt sich die LED immer weiter auf. Aber natürlich kann man die Übertragungsfläche zwischen Platine und Gehäuse sowie zu den externen Kühlflächen viel einfacher großzügig auslegen, dann dürfen die verwendeten Materialien auch eine schlechtere Wärmeleitfähgigkeit haben als die Materialien für die Wärmeanbindung von LED auf Platine. Da wären wir wieder bei der alten Leier: exakte Begriffe und Formulierungen.
Und die Wärmekapazität des Gehäuses/Kühlkörper ist auch nur bedingt wichtig (sie darf halt nicht winzig sein). Der viel wichtigere Punkt ist die rasche Abgabe der Wärme vom Gehäuse/Kühlkörper an den Fahrtwind. Und das ist in erster Linie ein Oberflächenproblem.
2) Um jetzt noch auf die angebliche Todeswichtigkeit von Kupfer (als Platinenmaterial) hinsichtlich der Wärmeleitfähgigkeit einzugehen:
Alle industriellen LED Kupferboards haben ~400 W/(m·K) gängige Aluboards ~200 W/(m·K)
...
Und nur einfache Kupferboards reichen auch schon lange nicht mehr das ganze hat sich vor etlichen Jahren zu DTP weiterentwickelt....
...Kupferboard mit DTP =Thermal Conductivity 385.0 W/m.K
...Aluboard mit DTP= Thermal Conductivity 210.0 W/m.K
Wir nehmen die von Dir angesprochene nahezu ideale thermische Anbindung der LEDs auf die Platine via DTP an
[DTP = Direct thermal path, fancy Worte für eine guten Wärmeübergang von LED Chip zu Platine] und rechnen daher mit diesen Werten von 385 zu 210 W/(m·K). Jetzt müssen wir noch die Einheit "m" loswerden, um das konkrete Beispiel betrachten zu können. Dazu müssen wir uns die Einheiten/Dimension der (spezifischen) Wärmleitfähigkeit anschauen. Diese ist definiert als Wärmestrom Q [W]* Materialdicke d [m]/(Materialfläche A [m²]* Temperaturdifferenz delta T [K]), die Dimension (Einheit) ist also (W·m)/(m²·K), das kann zu W/(m·K) gekürzt werden.
Wir müssen also die Wärmeleitfähigkeit durch die Platinendicke dividieren und mit der Platinenfläche multiplizieren. Die Platinendimensionen sind 0,002 m (2 mm) Dicke und 0,0020 m² Fläche (20 cm², 10000 cm² sind 1 m²):
Für LED mit DTP Anbindung an Aluboard: 210 (W·m)/(m² K) *0,002 m² (Platinenfläche) / 0,001 m (Platinendicke) --> 420 W/K
Für LED mit DTP Anbindung an Kupferboard: 385 * 0,002 / 0,001 --> 770
Man sieht also dass das Verhältnis aus Platinenfläche zu Platinendicke relevant ist.
Unter der Annahme, dass die gesamte Unterseite unserer Platine ohne(!) Wärmeübergangswiderstand an einen völlig überdimensionierten (!) Kühler angeschlossen ist, kann ich also mit der Platine aus Alu 420 W pro 1 Kelvin Temperaturdifferenz ableiten, bei Kupfer sind es 770 W pro 1 K Temperaturdifferenz (zwischen Board und Kühler).
Wir reden in unserem Beispiel von 10 W thermischer Last, das ist 1/42er der Leitfähigkeit des Aluplatinenkörpers bei 1 K Temperaturdifferenz. Bei 20 K Differenz von Platinenboard zu Kühlkörper sind 10 W dann nur noch 1/840 der Leitfähigkeit des Aluplatinenkörpers... .
Der Knackpunkt ist also (neben der Abfuhr der Wärme an die Luft) mal wieder die thermische Anbindung, hier die der Platine an den Kühlkörper (wenn die LED ideal thermisch angebunden ist). Die Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit der Platine bei verschiedenen Materialien ist hier nicht relevant. In einer Lampe ist meist
nicht die gesamte Platine an einen Kühlkörper thermisch angebunden, und schon gar nicht an einen idealen völlig überdimensionierten Kühlkörper. Bei Conrad haben die besten Wärmeleitpads und -pasten Wärmeleitfähigkeiten von ca 10 W/ m K, also ein zwanzigstel von Alu....
Falle von Alu muss man daher nur die Übergangsfläche von Platine zu Kühler um den Faktor 770/420 (1,83) größer machen als bei Kupfer, um die gleiche thermische Ableitung zu gewährleisten. Wenn dies aufgrund von Größenrestriktionen im Gehäuse einer Lampe - für die ausgelegte Leistung - mit einer Aluplatine nicht gelingt - weil man nicht genug Kontaktfläche zwischen Platine und Gehäuse bereitstellen kann - dann muss man zu Kupfer greifen, aber nur dann.
Bei den modifizierten Cyos (2,5 W thermische Last), sowie dem Luxos und dem Eigenbau (beide bis zu bis zu ~7,5W thermischer Last) ist es bei den geringen Abwärmen egal ob man eine Alu- oder Kupferplatine hat, die Limitierung ist (gerade beim Cyo) durch den kleinen Kühler und die Abgabe der Wärme vom Kühler an die Luft gegeben (das Gehäuse ist aus Kunststoff und hat oben eine Alu?Platte als Kühler). Beim Luxos kenn ich das Material nicht, und beim Eigenbau ist über das Gehäuse auch für 10W ausreichend Oberfläche gegeben, die trotzdem eher der Flaschenhals ist als das Alu der Platine.
Beim Wärmeübergang von Kühler zu Luft ist die sehr niedrige Wärmekapazität der Luft dann tatsächlich das limitierende Problem, daher ist die Größe der exponierte Oberfläche und die vorbeiströmende Luftmenge und die Lufttemperatur das entscheidende. Warum ist bei der Luft jetzt die Wärmekapazität entscheidend? Diese ist (wie bei allen Gasen) niedrig und daher erwärmt sich die Luft sehr schnell. Der Wärmeübergang wird aber umso schlechter je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen heißer Lampe und Kühlluft wird. Bei (Super)computern wird deswegen teilweise mit Wasserkühlung gearbeitet, weil Wasser eine um Welten höhere Wärmekapazität hat und damit pro Volumen und Temperaturanstieg deutlich mehr Wärme aufnehmen und abführen kann)
Deswegen ist es zB auch bei der Outbound Lightning (egal ob Hangover oder Focal Serie) völlig egal, dass Magnesium "schlechtere" Eigenschaften als Alu hat, das Gehäuse bekommt mit Magnesium feinere und größere Finnen und damit eine höhere Oberfläche zur Wärmeabgabe an die Luft, ohne dass das Ding zu schwer wird.
Bei einer Lupine Piko mit 20 W wäre ein Aluboard eher ein Problem, aber auch da ist vor allem auch die winzige Lampenoberfläche ein Problem um die Wärme an die Umgebung abzuführen.
q.e.d: das Platinenmaterial bei den angesprochenen Lampen und Lampenmods ist bei den dort gegebenen Leistungen und dem Einsatzzweck (Radfahren mit Luftströmung um die Lampe) nicht der limitierende Faktor.
Und hier gehen ich noch auf deine Unhöflichkeiten und Pöbeleien ein
Es wä
hre schön wenn du dich irgendwann auch mal mit etwas befassen würdest.
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es ist durchaus ermüdent vor allem mit jemanden zu texten der technisch irgendwie völlig im dunkeln tap[p]t aber immer meint genau da mitreden zu können und es eh nur vermutungen und spekulationen im besten fall sind........
Es wäre ein Traum, hättest Du die Ansprüche, die Du an andere stellst, auch an Dich selber. Und ja, es ist ermüdend, dass Du immer wieder Dinge schreibst, die nicht stimmen. Zudem ist es ermüdend, dass Du es nicht schaffst, die jeweiligen Randbedingungen beim (vorgesehenen) Betrieb der diskutierten Leuchten zu berücksichtigen, sondern oftmals falsche Randbedinungen annimmst oder unzulässig verallgemeinerst. Und insbesondere deine beleidigende, herablassende Art ist ermüdend , dir fehlt entweder die gute Kinderstube oder Du musst hier was kompensieren.
Gründe für Edits: Korrektur von Tipp- und Rechtsschreibfehlern
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