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LED Strahler erfreuen sich steigender Beliebtheit, die Gründe liegen auf der Hand:
LEDs verbrauchen wesentlich weniger Strom als z. B. ein gleich starker Halogenstrahler
LEDs sind erheblich langlebiger, die Industrie geht von bis zu 50.000 Stunden Lebensdauer aus
LEDs werden immer leistungsstärker und die Lichtfarbe kann geändert werden
LEDs werden mit steigenden Verkaufszahlen immer preiswerter
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Aber die modernen Hochleistungs-LEDs haben auch einen erheblichen Nachteil:
Um so leistungsstärker die LEDs werden, um so größer müssen die Gehäuse und Kühlkörper werden, um die entstehende Wärme abzuleiten, denn sobald die Temperatur im LED Modul dauerhaft über 65 Grad Celsius ansteigt, wird die Lebensdauer erheblich verkürzt, bis hin zum Ausfall des derzeit noch recht teuren LED Moduls.
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So hat beispielsweise ein 200 W LED Strahler aktuell eine Größe, die einem DIN A3 Blatt entspricht, bei einem Gewicht von 8–13 KG, je nach verbauter Qualität der Materialien.
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Um so leistungsstärker der LED Strahler werden soll, um so größer und schwerer und teurer wird er, was dazu führt, dass LED Strahler z. B. für den Haus- und Baubereich derzeit nicht als mobil einsetzbare Baustrahler auf Ständern, wie man das von Halogenstrahlern kennt, angeboten werden. Dafür sind die leistungsstarken LED Strahler einfach zu groß und schwer. Auch findet man kaum LED Strahler für den Hausbereich, die mehr als 200 W Leistung haben.
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Der Entwicklung lag die Aufgabe zugrunde, einen leistungsstarken LED Strahler zu entwickeln, der erheblich kleiner, leichter und damit alltagstauglicher ist als die derzeit erhältlichen LED Strahler.
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Zur Lösung dieser Aufgabe waren 3 Probleme zu klären:
- 1) Die derzeitig erhältlichen LED Strahler sind wie die herkömmlichen Halogenstrahler aufgebaut: Vorne ist eine große Glasscheibe, dahinter ist ein großer Reflektor, in dessen Mitte eine, oder zwecks Wärmeverteilung, mehrere Hochleistungs- LEDs montiert sind. Das macht den Strahler groß und schwer
- 2) Hinten am LED Strahler befinden sich Kühlrippen, um die entstehende Wärme vom empfindlichen LED Modul abzuführen.
Um so höher die Leistung des LED Moduls, um so größer und schwerer wird das Strahlergehäuse, damit mehr Kühlfläche zur Verfügung steht.
- 3) verwendet man statt der passiven Kühlung (durch Abstrahlung über große Kühlrippen) eine aktive Kühlung, z. B. durch Verwendung eines Lüfters, so besteht die Gefahr, dass der Lüfter ausfällt und sich die Temperatur bis hin zur Zerstörung des LED Moduls unkontrolliert erhöht.
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Da ein LED Modul sein Licht im Winkel von 120–160 Grad abstrahlt, ist der Reflektor aus technischen Gründen zur Lichtbündelung nicht erforderlich, das Licht des LED Moduls trifft den Reflektor nicht.
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Dieser Reflektor hat im LED Strahler eine andere Aufgabe als im bekannten Halogenstrahler. Beim Halogenstrahler wird ein Teil des Lichts aus dem runden Halogenstab nach hinten abgegeben und dann durch den Reflektor nach vorne reflektiert.
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Beim LED Strahler der bekannten Bauweise wird der Reflektor genutzt, um einen Teil der entstehenden Strahlungswärme vom LED Modul weg nach vorne auf die große Scheibe, die ebenfalls als Kühlfläche dient, zu bringen.
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Will man nun die Gesamtgröße des LED Strahlers verringern und dabei auf den großen Reflektor verzichten, muss für eine alternative Wärmeableitung des LED Modul gesorgt werden.
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Aufgabe 1 der Entwicklung bestand nun darin, die LED möglichst nahe an das Wetterschutz Glas vor dem LED Modul zu bringen, damit die LED ihren breiten Abstrahlwinkel nutzen kann und den Raum möglichst breit und gleichmäßig ausleuchtet.
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Bringt man die LED jedoch sehr nahe an das Abdeckglass, so entsteht ein sehr kleiner Raum vor dem LED Modul mit hoher Wärmeentwicklung, diese Wärme muss vom LED Modul weggeleitet werden.
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Aufgabe 2 der Entwicklung eines kleinen LED Hochleistungsstrahlers war es, die entstehende Wärme über möglichst kleine Kühlflächen abzuleiten, damit das Gehäuse und damit die Abmessungen und das Gewicht des LED Strahlers gering bleiben.
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Aufgabe 3 der Entwicklung bestand darin, bei Verwendung eines elektrischen Lüfters die LED so abzusichern, dass bei Ausfall des Lüfters die LED nicht verbrennen kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 bis 3 erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 Vorderseite
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Den Hochleistungsstrahler von vorne, mit Grundplatte, Kühlkörper um das LED Modul in der Mitte.
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Fig. 2 Abdeckplatte
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Die Abdeckplatte für die Kühlrippen mit Aussparung für den Lüfter
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Fig. 3 Rückseite
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Die Kühlrippen auf der Rückseite der Grundplatte, mit Vertiefung für den Lüfter und dem quer verlaufenden Luftkanal für die Luftversorgung der seitlichen Kühlrippen Zur Lösung von Aufgabe 1 wird rund um das LED Modul ein Kühlkörper mit nach außen gerichteten Kühlrippen auf einer flachen Grundplatte montiert.
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Der Kühlkörper um das LED Modul ist im Durchmesser nur wenig größer als das verwendete LED Modul und lediglich wenige Zentimeter hoch. Da dieser Kühlkörper, der sowohl rund als auch viereckig oder eine andere Form haben kann, auf einer Grundplatte, vorzugsweise einer Aluminiumplatte, wasserdicht montiert wird, ergibt sich rund um das empfindliche LED Modul und nach hinten zur Grundplatte ein flaches wasserdichtes Gehäuse.
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Dieses Gehäuse muss nun noch mit einer hitzebeständigen Glasplatte abgedeckt und abgedichtet werden. Nun kann die LED, die sich dicht unter dieser Glasscheibe befindet, ihren breiten Abstrahlwinkel für eine gute Raumausleuchtung nutzen. Die im Raum unter der Glasfläche (Wetterschutzraum für die LED) entstehende Stau- und Abstrahlwärme wird durch den die LED umgebenden Kühlkörper mit Kühlrippen wirkungsvoll abgeleitet.
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Zur Lösung von Aufgabe 2 wird ein Kühlkörper verwendet, der vorne eine glatte Grundfläche aufweist, auf dem das LED Modul und der Kühlkörper für den Wetterschutzraum der LED montiert wird.
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Die auf der Grundplatte mit Wärmeleitpaste montierte LED leitet den Großteil der entstehenden Wärme direkt in die Grundplatte ab. Auf der Grundplatte, die eine Stärke von mehreren Millimeter, vorzugsweise 8–12 mm, aufweist, befinden sich auf der Rückseite Kühlrippen zur Ableitung der Wärme.
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Um die Abmessungen der Grundplatte und der damit verbundenen Kühlrippen möglichst gering zu halten, wird ein elektrischer Lüfter, wie man ihn aus der Computertechnik kennt, eingesetzt. Dieser Lüfter ist in den Abmessungen deutlich kleiner als die Grundplatte mit ihren Kühlrippen.
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Um eine hohe Kühlleistung zu erreichen, ist es jedoch nicht möglich, den Lüfter einfach auf die Kühlrippen zu schrauben. Zum einen würde dieser abstehende Lüfter die Abmessungen des LED Strahlers vergrößern, und der kühlende Luftstrom würde nur zwischen die Kühlrippen geblasen, die sich direkt unter dem Lüfter befinden. Die seitlichen, nicht vom Lüfter bedeckten Kühlrippen würden somit nicht an der aktiven Lüfterkühlung teilnehmen sondern lediglich passiv durch Abstrahlung die in sie geleitete Wärme abgeben.
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Dadurch würde die Kühlung nicht sehr effektiv verlaufen und die Abmessungen von Grundplatte und Kühlrippen müssten vergrößert werden, um die erforderliche LED Kühlung zu gewährleisten.
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Zur Lösung werden in der Größe des Lüfters die Kühlrippen verkürzt, sodass der Lüfter fast vollständig in den Kühlrippen versenkt werden kann. Wichtig ist dabei, dass nach unten in Richtung des Luftstroms die Kühlrippen noch so hoch bleiben, dass der Luftstrom des Lüfters zwischen die Kühlrippen gedrückt werden kann.
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Da dieses Versenken des Lüfters jedoch nur die unter ihm befindlichen Kanäle zwischen den Kühlrippen mit Luft versorgen könnte, werden alle Kühlrippen quer zu den Kanälen der Kühlrippen in einer Breite von ca. 20 mm bis zur Grundplatte entfernt, um so einen Raum zu schaffen, in dem der Lüfter einen Teil seiner Luft zur Seite drücken kann.
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Dort kann die Luft mm auch zwischen die seitlichen Kühlrippen strömen, sodass die seitlichen Kühlrippen nun ebenfalls mit dem Luftstrom aus dem Lüfter versorgt werden und aktiv gekühlt werden. Auf diese Weise kann die Gesamtgröße der Grundplatte mit Kühlrippen weiter reduziert werden.
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Zur Weiteren Erhöhung der Kühlleistung können je nach Kühlbedarf die Kühlrippen mit einer Platte, die eine Aussparung für den Lüfter hat, abgedeckt werden.
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Durch diese Abdeckung wird erreicht, dass der gesamte Luftstrom des Lüfters ausschließlich durch die Kanäle zwischen allen Kühlrippen gepresst wird und nur oben und unten aus dem Kühlkörper austreten kann. Diese Zwangslüftung führt dazu, dass ein möglichst starker Luftstrom an den Kühlrippen entlang geführt wird und somit viel Wärme abtransportieren kann.
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Lösung von Aufgabe 3
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Wird ein elektrischer Lüfter zur aktiven Kühlung eingesetzt, so kann dieser Lüfter durch Defekt oder mechanische Blockade ausfallen. Dadurch würde sich die Kühlleistung erheblich verringern, in der Folge würde die Temperatur über den für die LED Module kritischen Wert von 65 Grad Celsius ansteigen.
(ein ungekühltes LED Modul erzeugt eine Temperatur von über 100 Grad, dann verbrennen die kleinen LED Komponenten und das Modul ist irreparabel defekt)
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Um dies zu vermeiden, wird in die Stromzufuhr des LED Moduls eine selbst rücksetzende, wasserdichte Temperatursicherung direkt auf der Grundplatte auf der Rückseite des LED Moduls zwischen den Kühlrippen montiert.
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Diese Temperatursicherung hat eine Schalthysterese zwischen 0 und 60 Grad, vorzugsweise zwischen 40 Grad und 60 Grad.
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Fällt der Lüfter aus, so steigt die Temperatur in der Grundplatte über 60 Grad und die Temperatursicherung schaltet den Strom für das LED Modul aus.
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In der Folge kühlt sich die Grundplatte wieder ab, bis der untere Schaltpunkt erreicht ist, dann schaltet die Temperatursicherung den Strom des LED Moduls wieder ein und der LED Strahler leuchtet wieder. Durch das ständige Ein- und Ausschalten des LED Strahlers wird der Nutzer auf das Problem mit der fehlenden Kühlung aufmerksam gemacht und kann das Problem beheben.
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Auf die beschriebene Weise ist ein LED Hochleistungsstrahler mit wesentlich geringeren Abmessungen, geringerem Gewicht (ca. 75% geringere Größe und geringeres Gewicht) und mit integrierter Temperaturabsicherung herstellbar.
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Bezugszeichenliste
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Fig. 1
- 1
- LED Modul
- 2
- Grundplatte
- 3
- Kühlkörper
- 4
- Wetterschutzraum
Fig. 2 - 5
- Tiefer abgefräste Kühlrippen
- 6
- Quer verlaufender Lüftungskanal
- 7
- Seitliche Kühlrippen
- 8
- Ende der Kühlrippenkanäle
- 9
- Temperatursicherung
Fig. 3 - 10
- Abdeckplatte
- 11
- Aussparung für Lüfter
