Kühlkörper für Spannungsregler

[PeruNova]

Liebe Community,

ich habe hier einen Spannungsregler (LM323 in der TO220 Ausführung). Ausgangsspannung = 5V, theoretisch maximal belastbar mit 3A.
In meiner Schaltung regelt er 9V runter um 108 LED's mit Strom zu versorgen. Jede LED bekommt rund 20mA. Sind somit im maximal Betrieb 108*20mA = 2,16A. (Ich glaub zwar nicht dass es einen einfluss drauf hat aber die LEDs werden mit PWM geregelt.). Nicht verwunderlich wird der Spannungsregler warm. Klar bei ~8W Verlustleistung (P = (9V - 5V) * 2,16A).
Jetzt bin ich am Überlegen was für einen Kühlkörper ich dem Ding drauf schrauben kann. Gibt es denn da überhaupt einen der gut genug ist (und nicht im unleistbaren High-End bereich liegt)?
Meinen Berechnungen zu Folge müsste er unter 4K/W haben.
Rechengang:
Ausgehend von einer Aussentemperatur von 40°C und einer Chiptemperatur von 125°C. Das wären 85K Temperaturdifferenz welche erreicht werden darf. Für die Verlustleistung rechne ich mit 3A (also der vollen Auslastung des Spannungsregler) wodurch ich auf 12W komm. Das macht also 7 K/W, wovon 3 K/W der IC laut Datenblatt braucht um vom Chip zum Gehäuse zu kommen. Es bleiben 4 K/W für Kühlkörper übrig.


Kennt ihr einen guten Kühlkörper den ich hier verwenden könnte?
Was hält ihr von diesem:
http://www.reichelt.de/Leistungs-Kuehlkoerper/V-PR127-94-M3/3/index.html?;ACTION=3;LA=2;ARTICLE=35380;GROUPID=33 82;artnr=V+PR127%2F94-M3

Liebe Grüße
PeruNova

[Chypsylon]

Aktive Kühlung mittels Lüfter kommt nicht in Frage?

[Besserwessi]

4 K/W sind noch kein so unmöglich großer Kühlkörper, der Verlinkte Typ passt in etwa. Ob das dann auch mit dem Gehäuse passt muss man sehen. Die Alternative zum Kühlkörper wäre ggf. gleich ein Schaltregler.

[PeruNova]

Späte Antwort (War 3 Monate im Ausland und hab das Projekt pausieren müssen):

@Besserwessi: Wie kann ich heraus finden ob das Gehäuse passt? Und wie schaut das mit den Schaltreglern aus? Ich find da keine sinnvollen Produkte.

Danke für die Geduld und ich hoffe, dass ich spät aber doch eine Antwort bekomm. :)

[Besserwessi]

Ob der Kühlkörper in der Gehäuse passt muss man aus den Abmessungen sehen. Bei etwa 4K/W gibt es aber einige zur Wahl, ggf. auch einfach ein Alu Gehäuse, dass dann auch als Kühlkörper dient.

Ein möglicher Schaltregler wäre so etwas wie LM2596 oder ähnliches - halt ein Step down Regler für 3 A. Vermutlich wäre die einstellbare Version besser als die 5 V Version, denn für LEDs sollte man auch mit weniger als 5 V auskommen, etwa 4 V (3,5 V für eine weisse LED + 0,5 V für den Widerstand).

[oberallgeier]

... Wie kann ich heraus finden ob das Gehäuse passt? ...Ne Weile zurück stellten sich mir ähnliche Fragen. Ich hatte einen 78S05, TO-220 und eine Entwurfs-Rohversorgung von 12 .. 14 V. Bei den Testläufen mit dem Netzteil im Bereich der späteren Versorgung, öfters nicht nur kurzzeitig im 2A-Bereich, lief sich der ganz schön heiß. Also mal ein paar Fähnchen aus 0,6mm-Alu drangeschraubt - und schon läuft er unterm Grenzwert. Verbaut wurden 2 Fähnchen 10x15 mm² und 2 Stück 10x10 mm², Kosten unbedeutend, da Abfallstreifen. Aussehen tuts - na ja, schon etwas simpel - sieh selber Video im Posting, (https://www.roboternetz.de/community/threads/61379-Kopfsache-und-ein-m1284-etliche-Servos-viel-Alu?p=574467&viewfull=1#post574467) bis etwa 15sec, links unten.

[Klebwax]

In meiner Schaltung regelt er 9V runter um 108 LED's mit Strom zu versorgen. ...
(Ich glaub zwar nicht dass es einen einfluss drauf hat aber die LEDs werden mit PWM geregelt.)...

Wenn der Strom für die LEDs via PWM geregelt wird (LEDs werden ja mit Strom und nicht mit Spannung betrieben), wozu dann überhaupt einen Spannungsregler. Einfach die PWM so einstellen, daß das zu 9V passt. Das spart Strom, den Spannungsregler und den Kühlkörper.

MfG Klebwax

[PsiQ]

In die Richtung wäre ich auch gegangen:
A)
Entweder einen Schaltregler, und bei diesem direkt die Ausgangsspannung (Poti mit Begrenzung) regeln ohne weiteres PWM
(Ebay: http://www.ebay.de/itm/LM2596-DC-DC-Step-Down-Schaltregler-Power-Supply-Modul-/290572036224 )

B)
Oder, wenn die Spannung davor unstabilisiert ist, anstelle von 9V => 5V regeln , die Spannung auf 9V => 7,5V erhöhen (2,5V Z-Diode in GND Pin des Reglers),
und das PWM entsprechend auf ca 66% maximal begrenzen.

C) Um den Linear-Regler zu entlasten, einen Leistungswiderstand (z.B. 17W 80 cent bei reichelt) oder ein paar Dioden vorbauen, damit ca 2,5V bei Maximallast an diesen abfallen.
=> ein 1 Ohm Vorwiderstand hätte bei 2,1 Ampére 2.1V Spannungsabfall.
(Dafür könnte man z.B. 2 Stück 9W Drahtwiderstände von reichelt verwenden,
einen in der [+], einen in der [-] Leitung. Kosten= 2x 0,55 Euro = 1,10€. => Artikel-Nr.: 9W AXIAL 0,51 )

A) und B) (B speziell ganz ohne Linearregler) sind wesentlich effizienter.
Bei der originalen 9V => 5V Schaltung sind ja schon immer 45% Verluste vorhanden,
was die effizienten LEDs nicht verdienen.

Hinweis:
Bei verfügbaren 9V ist eine Reihenschaltung von jeweils 2 LEDs + 1x Vorwiderstand effizienter als alle parallel zu betreiben.
Wenn man von einem Maximum von 3,8V für weiße LEDs ausgeht (eher 3,6V!) ergibt dies bei 9V
einen Rest von 9V - (3,8 + 3,8V) = 1,4V welcher am Widerstand mindestens abfallen müsste.
- Mit PWM über einen guten N-Mosfet ergibt sich der Vorwiderstand als größter unnötiger Energieverbraucher.
Durch Begrenzung des PWMs auf 85% ( 9V => 7,65V ) könnte man den Stromverteilwiderstand=Verluste noch deutlich reduzieren.

[White_Fox]

Wenn der Strom für die LEDs via PWM geregelt wird (LEDs werden ja mit Strom und nicht mit Spannung betrieben), wozu dann überhaupt einen Spannungsregler. Einfach die PWM so einstellen, daß das zu 9V passt. Das spart Strom, den Spannungsregler und den Kühlkörper.

MfG Klebwax
Hm...ich dachte er regelt die Helligkeit, d.h. er dimmt die LEDs per PWM. Und das ist nicht das gleiche wie den Strom zu regeln, im Gegenteil.

[PsiQ]

Ob nun der mittlere strom oder die mittlere spannung oder Helligkeit, das hängt dank URI zusammen, und ob er helligkeit, spannung oder strom regelt,
er kann damit Spannung,Strom, Helligkeit begrenzen und somit stimmt das schon:
Wenn PWM vorhanden = LinearRegler überflüssig.

[White_Fox]

Das stimmt eben nicht.

Wenn LEDs mit PWM gedimmt werden, dann fließt immer der volle Strom. Die Helligkeit wird dann dadurch bestimmt wie lang der Strom fließt oder nicht fließt. Gedimmtes LED-Licht wird zwar als stetiges Leuchten empfunden, ist aber in Wirklichkeit nur ein schnelles Blinken. Eine separate Regelung des Stromes (Linearregler) ist da immer noch von Nöten.

Und das hat nichts mit der PWM-Spannungs/Stromregelung zu tun, wie sie z.B. in Schaltnetzteilen über Kondensatoren und Spulen zur Anwendung kommt. In Schaltnetzteilen fließt dann ein stetiger Strom, der zwar einen Ripple aufweist, aber durchaus als stetig angenommen werden kann. Bei der üblichen LED-Dimmung dagegen gibt es immer (außer bei maximaler Helligkeit) Periodenanteile, in denen kein Strom fließt.
Da kann man zwar auch einen mittleren Strom ausrechnen, der ist aber nur theoretischer Natur und kommt der Praxis auch nicht irgendwie nahe.

[oberallgeier]

... Wenn LEDs mit PWM gedimmt werden, dann fließt immer der volle Strom ...GENAU - aber man MUSS dazu Deinen zweiten Satz lesen ; - ). Denn zwischen den Phasen mit vollem Strom sind die Einschalt-lücken ohne Strom. Das hatte ich bei einem Projekt mal gemessen (Ziel war es die Anstiegszeit des IR-Lichtes abzuschätzen bei sehr kurzer Einschaltdauer, duty cycle unter 2% bei 36 kHz):

......http://oberallgeier.ob.funpic.de/ohC+mC100nF.jpg

Und hier sieht man nun recht gut die volle Spannung <=> LED leuchtet, oder Spannung Null <=> LED leuchtet nicht. Ist aber - genau genommen - nur ein mittelbares Ergebnis, weil eben NICHT der Lichtstrom sondern der elektrische Strom anhand des Spannungsabfalls im Vorschaltwiderstand gemessen wurde. Aber das wäre dann eine Diskussion um des Kaisers Bart. Das vollständige Posting steht übrigens hier (klick). (https://www.roboternetz.de/community/threads/33984-Abstandsmessung-%C3%A4hnlich-wie-IR-Schnittstelle-des-asuro?p=356064&viewfull=1#post356064)

[Manf]

Wie ist das noch, wenn man eine LED mit geringerem konstanten Strom betreibt oder mit dem vollen Strom zu einem Teil der Zeit?

Bei denen die ich kenne ist die Lichtausbeute pro Leistung und die Lebensdauer bei konstantem Strom größer. Dazu müsste man dann noch eine Spule vor die LED schalten um den Strom zu glätten.

[PsiQ]

Ich bin auf der Basis von einer 9V => 5V Linear-Regelung davon ausgegangen, dass es sich hier um eine sehr einfache Steuerung handelt.

Diese würde ich mit einem PWM mit 100Hz .. 200Hz machen, 2 Dioden in Reihe und einem Vorwiderstand davor der den thermischen Drift ausgleicht. (und den maximalen Strom bei maximalem PWM ganz primitiv unkritisch begrenzt)

Worauf es eben ankommt ist, dass die LED nicht überhitzt. Ob nun gepulst oder konstant ist egal.

Da ich meine LEDs sowieso immer unterhalb des maximalen Stroms betreibe um die Alterung zu reduzieren, ist das für mich ausreichend.

Wer dann noch ne Glättung will kanns ja per Schaltwandler mit Speicherdrossel, Kondensator und Lastabhängiger Gegenregelung machen,
das ist aber im Vergleich zu einem Linearregler der 45% Leistung verbrät ein ganz anderes Level,
Der oben geposteten LM2596 kann "das" übrigens noch in der PCB-Variante mit Strombegrenzung.
Dann kann man Strom + Spannung einstellen, und hat somit auch eine einfache Lademöglichkeit für Akkus (Nutzen ein paar Leute in E-Bike Foren.)

In irgendeinem der "weiße LED" Datenblätter standen auch schon
Richtwerte für "konstanten Strom" oder "Strombelastarkeit mit Puls xx mS" dabei für eine optimale Lichtausbeute,
dann muss man das nicht ausprobieren wenn man an die Grenze gehen will, sondern kanns am Oszi danach (oder etwas darunter) einstellen.


Edit:
Ist ja auch egal was nun bei rauskommt und wie perfekt das wird, Vorschläge zum Verbessern hats ja nun genug ;-)

[PeruNova]

Danke für die Antworten!
Grundsätzlich arbeite ich mit den LED-Driver TLC 5940 Bausteinen, welche von einem Arduino gesteuert werden. (Hätte eigentlich ein relativ einfaches, nettes Dekorations Projekt werden sollen. Mittlerweile arbeite ich daran aber schon wesentlich länger als ich eigentlich wollte).
Habe jetzt mal die Kühlkörper nach oberallgeiers Vorbild nachgebaut. Sie scheinen zu helfen zumindest bis zu 4 TLC 5940 (=4*16 LEDs). Aber leider konnte ich keine fertigen Ergebnisse bekommen, da dann auf einmal der Spannungsregler am Arduino zu heiß wurde. Also muss ich wohl erst mal dieses Problem lösen, dann kann ich bei dem ürsprünglichen Thema weiter machen.
Ich halt euch am Laufenden!

[Klebwax]

ich habe hier einen Spannungsregler (LM323 in der TO220 Ausführung). Ausgangsspannung = 5V, theoretisch maximal belastbar mit 3A.
In meiner Schaltung regelt er 9V runter um 108 LED's mit Strom zu versorgen.


Grundsätzlich arbeite ich mit den LED-Driver TLC 5940

Und aus dem Datenblatt des TLC5940:


LED Power Supply Voltage up to 17 V

Warum überhaupt den 5V Regler? 9V ist kleiner als 17V.

MfG Klebwax

[PeruNova]

Hmm... Wieso ich davor nicht selber daran gedacht hab... Danke für diesen Hinweis!
Wenn ich dann 9V statt 5V verwende muss ich den Widerstand an Iref anpassen, richtig? Und ich hab dann auch keine erhöhte Wärmeentwicklung am TLC, oder?

[Klebwax]

Hmm... Wieso ich davor nicht selber daran gedacht hab... Danke für diesen Hinweis!
Wenn ich dann 9V statt 5V verwende muss ich den Widerstand an Iref anpassen, richtig? Und ich hab dann auch keine erhöhte Wärmeentwicklung am TLC, oder?

Ja sicher. Du baust sowieso einen Ofen mit Beleuchtung. Mal eine Schätzung: an der LED (rot) fallen ca 1,6V ab. Dann müssen, egal wie, an der restlichen Schaltung 7,4V abfallen. Da ich keinen geschaltetet Stromregler sehe, ist der Strom bei 1,6V gleich dem bei 7,4V. Ca. 80% der Leistung, die aus dem Netzteil kommt, wird schon vor der LED in Wärme umgesetzt. Eine LED erzeugt auch mehr Wärme als Licht, das Netzteil hat auch Verluste ...

Das 9V Netzteil ist die falsche Wahl. Bestimme die Mindestspannung, bei der deine LEDs zusammen mit dem TLC noch spielen und leg dein Netzteil danach aus.

MfG Klebwax