WHITE PAPER KÜHLMÖGLICHKEITEN BEI LED PROJEKTOREN: EIN VERGLEICH VON HEATPIPES UND W ASSER

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1 WHITE PAPER KÜHLMÖGLICHKEITEN BEI LED PROJEKTOREN: EIN VERGLEICH VON HEATPIPES UND W ASSER Autor: Daniel Grbavac Version: 1.0 Datum: Hundsschleestr. 23 Seite 1 info@eyevis.de

2 Inhalt 1 Einleitung LED Grundlagen Funktionsweise Thermische Eigenschaften Kühlsysteme Kühlkörper Aufbau und Funktionsweise Heatpipes Aufbau und Funktionsweise Wasserkühlung Komponenten Funktionsweise Vergleich Vorbereitung Aufbau der Kühlsysteme Bildsignal Leuchtdioden Messungen An- und Abklingphase Variable Umgebungstemperatur Ausfall von Komponenten Zusammenfassung Quellenverzeichnis Hundsschleestr. 23 Seite 2 info@eyevis.de

3 1 Einleitung Die Glühlampe wird nach und nach durch neuere und modernere Lichttechniken ersetzt, wie zum Beispiel die LED. Sie findet heutzutage in immer mehr Bereichen Anwendung unter anderem bei Taschenlampen, Ampeln oder Autorückleuchten. Auch bei Projektoren werden LEDs immer häufiger als Lichtquelle verwendet, wodurch die Bezeichnung LED Projektor zustande kommt. Jedoch ergibt sich bei der Verwendung von LEDs das Problem, dass sie sich im Betrieb erwärmen. Um die LEDs vor einer Beschädigung durch Überhitzung zu schützen, muss folglich auf eine ausreichende Kühlung geachtet werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen Kühlmöglichkeiten, die sich zur Kühlung von LED Projektoren eignen. Dabei wird besonders auf zwei Kühlarten eingegangen: Heatpipes und Wasserkühlung. Neben deren theoretischen Erläuterung erfolgt ein praktischer Vergleich, wobei in mehreren Versuchen die Kühlfähigkeit der beiden Kühlarten ermittelt und die Ergebnisse anschließend gegenübergestellt werden. 2 LED Grundlagen Das Kürzel LED steht für Light Emitting Diode und bedeutet ins Deutsche übersetzt lichtemittierende Diode. Bei den LEDs handelt es sich um Halbleiterdioden, die elektrische Energie in elektromagnetische Strahlung umwandeln. Dies geschieht gewöhnlich in Form von sichtbarem Licht. Allerdings ist es auch mit Hilfe von speziellen LEDs möglich, Infrarot- oder UV-Strahlen zu emittieren. Diese Strahlen können jedoch nicht vom menschlichen Auge wahrgenommen werden. 2.1 Funktionsweise Eine LED ist eine Halbleiterdiode und besteht aus zwei verschiedenen Schichten: einer n- und einer p-schicht (siehe Abbildung 1). Die n-schicht enthält Elektronen und die p-schicht sogenannte Defektelektronen bzw. Löcher, die wie positive Ladungsträger wirken. Zwischen den beiden Schichten befindet sich eine Grenzschicht, die als Raumladungszone bezeichnet wird. (vgl. [LRC03, LED]) Hundsschleestr. 23 Seite 3 info@eyevis.de

4 Licht Halbleiter n-schicht p-schicht Raumladungszone Sperrschicht Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung einer Halbleiterdiode, Quelle: Eigene Darstellung nach [LRC03, LED] Wird nun eine Spannung so angelegt, dass der Pluspol mit der p-schicht und der Minuspol mit der n-schicht verbunden ist, so wirkt die LED als Leiter. Dadurch bewegen sich die Elektronen von der n- zur p-schicht und die Löcher genau umgekehrt, also von der p- zur n-schicht. Indem sich die Elektronen und Löcher im Bereich der Sperrschicht verbinden, wird Licht von der LED ausgesendet. 2.2 Thermische Eigenschaften Die Glühlampe, bei deren Inbetriebnahmen ein Glühfaden erhitzt wird, wandelt einen sehr großen Teil ihrer abgebenden Energie in Wärme um. Nur eine sehr geringe Menge an Energie wird bei ihr in Licht umgewandelt, weshalb der Wirkungsgrad einer Glühlampe bei etwa 5 Prozent liegt (vgl. [DPG10]). LEDs arbeiten im Vergleich dazu zwar effizienter, haben jedoch auch das Problem, dass sie einen Großteil der elektrischen Energie in Wärme umwandeln und dadurch heiß werden vor allem im Bereich der Sperrschicht. Um den Leuchtioden eine lange Lebensdauer zu ermöglichen und sie vor Überhitzung zu schützen, muss somit auf eine ausreichende Kühlung geachtet werden. Der Strom ist ein Faktor, der die Temperatur einer LED beeinflusst. Dieser fließt bei einer LED erst ausreichend, wenn eine sogenannte Schwellspannung erreicht ist. Eine anschließend geringfügige Spannungserhöhung hat zur Folge, dass die Stromstärke erheblich steigt, wodurch die Leuchtdiode stärker erwärmt wird und sogar beschädigt werden kann. Aus diesem Grund muss eine LED in einem Stromkreis mit einem Stromregler oder einem Vorwiderstand betrieben werden, wodurch der Strom begrenzt und die LED geschützt wird. Des Weiteren ist es wichtig, dass die bei einer Leuchtdiode entstehende Wärme gut abgeleitet wird, zum Beispiel durch die Verwendung von geeigneten Kühlkörpern. Hundsschleestr. 23 Seite 4 info@eyevis.de

5 Die Arbeits-/Betriebstemperatur ist ein weiterer und wichtiger Aspekt, welcher die Lebensdauer von Leuchtdioden beeinflusst. Im Allgemeinen gilt: je kühler die LED, desto effizienter ist sie. Höhere Temperaturen führen dagegen zu einer Verringerung der Lichtausbeute und verkürzen die Lebensdauer. Denn durch zahlreiche Versuche am Lighting Research Center des Rensselaer Polytechnic Institute wurde gezeigt, dass die Lebensdauer der Leuchtdioden mit zunehmender Temperatur exponentiell sinkt. Eine Temperaturerhöhung von zehn Grad kann unter anderem dazu führen, dass die Lebensdauer einer Leuchtdiode halbiert wird. (vgl. [Narendran, Gu05], [Narendran, Gu et al., 07]) Die Ausführungen machen deutlich, dass die Kühlung von Leuchtdioden nicht vernachlässigt werden darf, um deren optimale Lichtausbeute sowie deren lange Lebensdauer zu ermöglichen. 3 Kühlsysteme Aufgrund der guten Lichtausbeute werden LEDs immer häufiger als Lichtquellen bei Projektoren eingesetzt. Um sie dabei vor Überhitzung zu schützen, gibt es verschiedene Kühlmöglichkeiten. Eine Alternative stellen gewöhnliche Kühlkörper dar und eine andere sogenannte Heatpipes; aber auch der Einsatz von Kühlflüssigkeiten, wie zum Beispiel Wasser, ist möglich. Im folgenden Kapitel wird erläutert, wie die genannten Kühlarten funktionieren. 3.1 Kühlkörper Ein Kühlkörper sorgt für eine verbesserte Wärmeableitung an einem wärmeerzeugenden Bauteil, indem er dessen Oberfläche vergrößert. Dadurch wird das Bauteil vor einem Ausfall oder einer Beschädigung durch Überhitzung geschützt Aufbau und Funktionsweise Gewöhnliche Kühlkörper bestehen aus einem gut wärmeleitenden Material (Kupfer oder Aluminium) und befinden sich auf einem wärmeerzeugenden Bauteil, von welchem sie dessen Verlustwärme bzw. einen Teil davon aufnehmen und an die Umgebung abgegeben. Neben dem gut wärmleitenden Material sollte der Kühlkörper eine möglichst große Oberfläche besitzen. Außerdem sollten sie so montiert sein, dass die Luft optimal zu- und abströmen kann. Diese Art von Kühlung wird als passive Kühlung bezeichnet. Durch die Verwendung eines Lüfters kann zusätzliche Luft entlang des Kühlkörpers geführt werden, sodass eine höhere Kühlleistung erreicht wird. In diesem Fall spricht man von aktiver Kühlung. Hundsschleestr. 23 Seite 5 info@eyevis.de

6 3.2 Heatpipes Heatpipes (zu Deutsch: Wärmerohre) sind spezielle Rohre, welche Wärme sehr effizient transportieren können. Dazu nehmen sie eine an einem Ort anfallende Temperatur möglichst schnell auf und leiten diese an einen anderen Ort weiter, an dem eine Abkühlung ermöglicht wird. So kann beispielsweise mit Hilfe einer Heatpipe die Verlustleistung eines Computerprozessors oder auch einer LED effektiv abgeführt werden und das sogar unter kleinen Raumbedingungen Aufbau und Funktionsweise Eine Heatpipe besteht aus einem hochleitenden Material (zumeist aus Kupfer) und einer Flüssigkeit, welche sich im Inneren des Rohres befindet. Der Innenaufbau einer Heatpipe kann variieren, da er vom Hersteller und vor allem vom Anwendungsgebiet der Heatpipe abhängig ist. So kann beispielsweise eine in senkrechter Position arbeitende Heatpipe, bei welcher die kondensierende Kühlflüssigkeit mittels Schwerkraft transportiert wird, einen anderen Innenaufbau haben als eine Heatpipe, welche in waagrechter Position betrieben wird. (vgl. [Best10]) Abbildung 2: Innenaufbau einer Heatpipe, Quelle: [Conrad] Zur Erklärung der Funktionsweise einer Heatpipe dient die Abbildung 3. Die Heatpipe hat an einem Ende Kontakt zu einer Wärmequelle, beispielsweise einer Leuchtdiode. Dadurch kann die Heatpipe die von der Wärmequelle entstehende Energie aufnehmen. Es findet also ein Wärmeintrag statt. Dieser hat zur Folge, dass sich die Kühlflüssigkeit, die auch als Arbeitsmittel bezeichnet wird, erwärmt und schließlich durch den in der Heatpipe herrschenden Unterdruck verdampft. Der entstandene Dampf bewegt sich nun mit der enthaltenen Wärmeenergie von der Wärmequelle zum anderen Ende der Heatpipe, das als Wärmesenke bezeichnet wird. Hier ist Hundsschleestr. 23 Seite 6 info@eyevis.de

7 die Heatpipe gewöhnlich mit einem Kühlkörper verbunden. So kann der Dampf seine Wärmeenergie an diesen abgeben und kondensieren. Das Kondensat fließt daraufhin zurück zur Wärmequelle, wo es sich wieder erwärmt und der ganze Vorgang von Neuem gestartet wird. Der Rückfluss des Kondensats wird bei waagrecht betriebenen Heatpipes durch die Kapillarwirkungen der inneren Struktur ermöglicht. Kühlkörper Kondensation Wärmequelle Verdampfung Wärmesenke LED Abbildung 3: Funktionsprinzip einer Heatpipe Durch ihre Arbeitsweise stellen Heatpipes eine gute Möglichkeit der Wärmeabführung dar und finden aus diesem Grund in vielen Bereichen Anwendung. 3.3 Wasserkühlung Unter Wasserkühlung, die auch als Flüssigkeitskühlung bezeichnet wird, versteht man ein Kühlsystem, bei welchem die Wärmeenergie der wärmeerzeugenden Komponenten mittels Wasser abgeführt wird. Dies kann entweder durch stehendes Wasser oder durch einen Wasserkreislauf erfolgen. Eine Wasserkühlung wird unter anderem bei Automotoren oder bei Computern verwendet Komponenten Bei den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen (siehe Kapitel 4) wurde ein Wasserkühlsystem verwendet, welches dem einer PC-Wasserkühlung entspricht. Im Folgenden werden die entsprechenden Komponenten und die grundlegende Funktionsweise eines solchen wassergekühlten Systems beschrieben. ) Pumpe: Ein wichtiges Bauteil einer Wasserkühlung ist die Pumpe. Sie ist für den Durchfluss des Wassers zuständig, befördert also das Wasser durch die einzelnen Bestandteile des Kühlsystems. ) Kühlkörper (Wärmeaufnahmefläche): Hundsschleestr. 23 Seite 7 info@eyevis.de

8 Kühlkörper bestehen aus einem hochleitenden Material, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer. Die Kühlkörper eines wassergekühlten Systems werden auf das zu kühlende Element, wie zum Beispiel eine CPU oder eine Leuchtdiode montiert, sodass sie die dort entstehende Wärme in den Wasserkreislauf abführen. Der Unterschied zu einem herkömmlichen Kühlkörper, welcher seine Wärmeenergie an die Luft abgibt, ist das Abgeben der Wärmeenergie an das Wasser. Dafür haben diese Kühlkörper entsprechende Schlauchanschlüsse, damit das Wasser durch die sie hindurchfließen kann. ) Radiator (Wärmeabgabefläche): Radiatoren sind Wärmeüberträger und bestehen meistens aus vielen dünnen Lamellen oder Kupferrohren, durch welche das Wasser fließt. Sie sind für die Kühlung des im System vorhandenen Wassers zuständig. Aktive Radiatoren besitzen zusätzliche Lüfter, durch welche eine effektivere Kühlung des durchfließenden Wassers ermöglicht wird als dies bei passiven Radiatoren der Fall ist, die ohne Lüfter arbeiten. ) Ausgleichsbehälter (AGB): In einem Ausgleichsbehälter wird das Wasser des Kühlsystems gesammelt. Er dient zum Befüllen und Entlüften des Wasserkreislaufs und bietet der Kühlflüssigkeit bei erwärmungsbedingter Ausdehnung genügend Platz. Um die einzelnen Komponenten eines Wasserkühlsystems miteinander zu verbinden sind außerdem noch Schläuche und verschiedene Anschlüsse nötig Funktionsweise Die Pumpe befördert das Wasser durch die einzelnen Komponenten im Kühlkreislauf. Dabei nimmt das Wasser die Wärme der zu kühlenden Elemente am Kühlkörper auf und transportiert sie anschließend zum Radiator. Hier wird das Wasser letztendlich gekühlt, indem die zuvor aufgenommene Wärmeenergie bzw. ein Teil davon an die Umgebungsluft abgegeben wird. Hundsschleestr. 23 Seite 8 info@eyevis.de

9 AGB Pumpe Lüfter Lüfter Radiator Kühlkörper LED Abbildung 4: Vereinfachte Darstellung einer Wasserkühlung 4 Vergleich Bei LED Projektoren können alle in Kapitel 3 angeführten Kühlarten zur Kühlung von Leuchtdioden verwendet werden. Da die vorhandenen Projektoren jedoch mit Hochleistungs- LEDs betrieben werden, welche hohe Temperaturen erreichen können, ist es nicht möglich, gewöhnliche, passive Kühlkörper zur Kühlung dieser Leuchtdioden zu verwenden. Ihre Kühlleistung ist dafür zu gering. Gewöhnliche, passive Kühlkörper werden unter anderem bei sogenannten Pocket Projektoren eingesetzt. Zur Kühlung der vorhandenen Hochleistungs-LEDs kommen aus den oben genannten Gründen somit die Kühlung mittels Heatpipes oder die Flüssigkeitskühlung in Frage. Um die Kühleffektivität dieser beiden Kühlarten beim LED Projektor aufzuzeigen und zu vergleichen, wurden verschiedene Versuche durchgeführt. Die dabei eingesetzten Projektoren waren außer der Kühlung vollkommen identisch: die Leuchtdioden wurden bei einem Projektor durch Heatpipes und beim anderen mit Hilfe von Wasser gekühlt. Hundsschleestr. 23 Seite 9 info@eyevis.de

10 4.1 Vorbereitung Aufbau der Kühlsysteme Abbildung 5 zeigt exemplarisch den Aufbau des Kühlsystems mit den Heatpipes. Die dabei verwendeten Heatpipes bestehen aus Kupfer und die Kühlkörper, welche die Wärme an die Umgebung abgeben, aus Aluminium. Kühlkörper Lüfter Abbildung 5: Aufbau der Heatpipe-Kühlung, Quelle [] Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, transportieren mehrere Heatpipes die Wärme von den drei Leuchtdioden zu den entsprechenden Kühlkörpern, welche von zwei Lüftern gekühlt werden. Das Wasserkühlsystem des LED Projektors wurde mit allen in Abschnitt beschriebenen Komponenten aufgebaut. Diese Komponenten wurden über Schläuche miteinander verbunden. Der Aufbau des Wasserkühlsystems entsprach größtenteils dem aus Abbildung 4. Der Unterschied liegt darin, dass nicht nur eine LED, sondern drei Leuchtdioden parallel gekühlt wurden. Die dabei verwendeten Kühlkörper bestehen aus Kupfer und der Radiator des Wasserkühlsystems sorgte anhand von zwei Lüftern für die Kühlung des Wassers Bildsignal Zur Durchführung der Messungen wurden die LED Projektoren über ein DVI Kabel mit einem Media Player verbunden, welcher HD Videos abspielt. Die Ausgabe des Media Players wurde auf die native Auflösung der Projektoren eingestellt. Sie beträgt 1920x1080 Pixel bei einer Frequenz von 60 Hertz Leuchtdioden Bei den verwendeten Leuchtdioden (Rot, Grün und Blau) handelte es sich um Hochleistungs- LEDs der Firma Luminus des Typs PhlatLight PT120. Wie aus Kapitel 2 bekannt, produzieren Leuchtdioden im Betrieb Wärme. Diese Wärme führt zu einer höheren LED Temperatur, die bei Hundsschleestr. 23 Seite 10 info@eyevis.de

11 den PhlatLight PT120 an einem Sensor bzw. dem sogenannten Thermistor als T ref ausgelesen werden kann (siehe Abbildung 6). Kupfer T j Sperrschicht (Junction) T Ref Thermistor Abbildung 6: Seitliche Ansicht eines LED Chipsatzes, Quelle: Eigene Darstellung nach [Luminus10] Wie weiter oben bereits erwähnt, sind die PT 120 Hochleistungs-LEDs. Sie können eine Lebensdauer von über Stunden erreichen, wenn folgende Temperaturen an der Sperrschicht T j, die im englischen als Junction bezeichnet wird, nicht überschritten werden: (vgl. [Luminus10]) Rote LED Grüne LED Blaue LED T j < 80 C T j < 125 C T j < 120 C Tabelle 1: Maximal zulässige Sperrschichttemperaturen der einzelnen LEDs Allerdings lässt sich die Sperrschichttemperatur bei der PT 120 nicht direkt messen. Sie muss mit der am Thermistor gemessenen Temperatur T ref, der Verlustleistung der Leuchtdiode und mit dem Wärmewiderstands nach folgender Formel berechnet werden: Tj = Tref + R Pverlust ( ) 4.2 Messungen Während der Projektor in Betrieb ist, kann die an einer Leuchtdiode vorkommende Temperatur über den Sensor und über eine Computersoftware ausgelesen werden. Die gemessene Temperatur wird als T ref bezeichnet und muss von der Sperrschichttemperatur T j unterschieden werden (siehe Abschnitt 4.1.3). Des Weiteren können die einzelnen Leuchtdioden (Rot, Grün, Blau) mit unterschiedlichen Intensitäten betrieben werden, wie zum Beispiel mit 20, 40 oder 100 Prozent. Eine höhere Intensität führt zu einer höheren Wärmeentwicklung An- und Abklingphase Für einen ersten Vergleich der beiden Kühlsysteme wurden die drei Leuchtdioden nach genau einer Minute eingeschaltet und über einen Zeitraum von 10 min betrieben. Die LED Intensität betrug dabei 100%. Dieser Versuch wurde durchgeführt, um den Temperaturanstieg nach dem Einschalten der LEDs zu beurteilen. Hundsschleestr. 23 Seite 11 info@eyevis.de

12 C Abbildung 7: LED Temperaturen (T ref ) beim Projektor mit Heatpipes (Umgebungstemperatur 23 C) Wie in Abbildung 7 zu erkennen ist, steigen die Temperaturen nach dem Einschalten der Leuchtdioden direkt und deutlich an. Der Grund dafür ist, dass die Leuchtdioden Wärmeenergie erzeugen, die nicht komplett von den Heatpipes aufgenommen und an die Kühlkörper abgegeben werden kann. Denn eine gute Wärmeabführung kann erst dann erfolgen, wenn eine gewisse eine gewisse Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und senke bei den Heatpipes erreicht wird. Nach dem anfänglich deutlichen Temperaturanstieg kommen beim Heatpipe-Kühlsystem ab ca. 5 bis 6 min keine allzu großen Temperaturänderungen an den LEDs mehr vor. Bei einer Umgebungstemperatur von ca. 23 C, einer Betriebsdauer von 10 min und einer Intensität von 100% an allen Leuchtdioden wurden folgende Maximaltemperaturen gemessen: LED AN Heatpipe-Kühlung: LED Temperaturen (T ref ) 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 Rote LED Grüne LED Blaue LED 29 C 41 C 37 C Tabelle 2: Maximal gemessene Temperaturen ( Trefmax ) bei der Heatpipe-Kühlung Nach dem Abschalten der Leuchtdioden (bei 11 min), fallen die Temperaturen anfangs sehr deutlich. Nach einer Abklingzeit von 10 min erreichen die LEDs schließlich beinahe ihre Ausgangstemperaturen wieder (21. min). LED AUS Rote LED Grüne LED Blaue LED Nachdem die Ergebnisse des Heatpipe-Kühlsystems feststanden, wurde unter den gleichen Bedingungen die Wasserkühlung getestet. Auch hier findet ein schneller Anstieg der LED min Hundsschleestr. 23 Seite 12 info@eyevis.de

13 Temperaturen statt, nachdem sie bei Minute eins angeschaltet wurden (siehe Abbildung 8). Jedoch sind die maximal gemessenen Temperaturen der Leuchtdioden um einiges höher als beim System, welches durch Heatpipes gekühlt wird. Insbesondere bei der grünen LED sind die Temperaturunterschiede deutlich zu sehen. Während beim Heatpipe-Kühlsystem für die grüne LED eine Temperatur von 41 C gemessen wurde, erreichte sie beim wassergekühlten System eine Temperatur von 74 C. Ähnlich wie beim Heatpipe-Kühlsystem fallen bei der Wasserkühlung die Temperaturen der Leuchtdioden sehr deutlich, nachdem diese abgeschaltet wurden (bei 11 min). Auch hier erreichen die LEDs bei Minute 21 nahezu ihre Ausgangstemperaturen C LED AN Wasserkühlung: LED Temperaturen (T ref ) Abbildung 8: LED Temperaturen (T ref ) beim Projektor mit Wasser (Umgebungstemperatur 23 C) Vergleich der Maximaltemperaturen LED AUS 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 Damit die maximal gemessenen Temperaturen dieses Versuchs besser miteinander verglichen werden können, wurden sie in einem Diagramm gegenübergestellt (siehe Abbildung 9). Anhand der Balken ist zu sehen, dass bei den Leuchtdioden des Heatpipe-Kühlsystems wesentlich niedrigere Temperaturen erreicht wurden als bei den LEDs des wassergekühlten Systems. Um nun eine Aussage machen zu können, ob die Temperaturen der Leuchtdioden bei diesem Versuch unterhalb der kritischen T j Werte des LED Herstellers geblieben sind (siehe Abschnitt 4.1.3), mussten die jeweiligen Sperrschichttemperaturen berechnet werden. Denn nur wenn die vorgegebenen Sperrschichttemperaturen nicht überschritten werden, können die LEDs eine Lebensdauer von über Stunden erreichen. Rote LED Grüne LED Blaue LED min Hundsschleestr. 23 Seite 13 info@eyevis.de

14 Die berechneten Sperrschichttemperaturen T j der einzelnen LEDs sind in Abbildung 10 dargestellt. Wie hier zu erkennen ist, bleiben beim Heatpipe-Kühlsystem die T j Temperaturen der drei Leuchtdioden deutlich unterhalb der Grenzwerte, sodass eine lange Betriebsdauer möglich ist. Bei der Wasserkühlung sind die T j Temperaturen der LEDs insgesamt höher als die der Heatpipe-Kühlung, wobei die rote und blaue Leuchtdiode immer noch völlig ausreichend gekühlt werden. Nur bei der grünen LED könnte es auf lange Dauer gesehen zu Problemen kommen, da bei ihr eine Sperrschichttemperatur von 125 C erreicht wurde. Diese entspricht exakt dem Grenzwert, der nicht überschritten werden darf, um eine LED Lebensdauer von über Stunden zu erreichen. Maximal gemessene Temperaturen (T refmax ) der einzelnen LEDs Temperatur in C Rote LED Grüne LED Blaue LED 74 C 52 C 41 C 38 C 36 C 29 C Heatpipe Kühlung Wasserkühlung Abbildung 9: Vergleich der maximal gemessenen Temperaturen (T refmax ) Hundsschleestr. 23 Seite 14 info@eyevis.de

15 Berechnete Temperaturen: Tj der einzelnen LEDs Temperatur in C Rote LED Grüne LED Blaue LED 125 C Tjmax Grün Tjmax Blau 92 C 74 C Tjmax Rot 60 C 59 C 52 C Heatpipe-Kühlung Wasserkühlung Abbildung 10: Vergleich der berechneten Tj Temperaturen Variable Umgebungstemperatur Bei den ersten Messungen wurden die beiden LED Projektoren bei einer Umgebungstemperatur von 23 C getestet und die daraus gewonnen LED Temperaturen miteinander verglichen. Durch weitere Messungen sollte nun herausgefunden werden, wie gut die Heatpipes und die Wasserkühlung die Verlustwärme der LEDs bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen abführen. Dazu wurden die LED Projektoren bei Umgebungstemperaturen von 4, 8, 17, 23, 28 und 42 C über einen Zeitraum von jeweils 10 min und einer Intensität von 100% an allen drei Leuchtdioden betrieben. Bei all den genannten Temperaturen handelt es sich um die Sperrschichttemperaturen der einzelnen LEDs, welche mit Formel ( ) berechnet wurden. Die Abbildungen 11 und 12 zeigen, welche Temperaturen nach 10min bei den verschiedenen Umgebungstemperaturen an den Leuchtdioden erreicht wurden. Beim Vergleich der beiden Schaubilder ist zu erkennen, dass die LED Temperaturen des Heatpipe-Kühlsystems bei den jeweiligen Umgebungstemperaturen niedriger als die der Wasserkühlung sind. Außerdem wird gezeigt, dass die LEDs des Heatpipe-Kühlsystems bei keiner Umgebungstemperatur die Temperaturgrenzwerte (Tjmax) des Herstellers überschreiten. Dies wird mit der Wasserkühlung nicht ganz erreicht. Während hier die blaue und rote LED bei allen Umgebungstemperaturen ausreichend gekühlt werden, überschreitet die grüne LED den entsprechenden Grenzwert ab Hundsschleestr. 23 D Reutlingen Germany Seite 15 info@eyevis.de Tel.: +49 (0)7121/ Fax: +49 (0)7121/

16 einer Umgebungstemperatur von 23 C, was zur Folge hat, dass sich die Lebensdauer der LED verkürzt. T j in C Heatpipe-Kühlung: T j bei verschiedenen Umgebungstemperaturen T jmax T jmax T jmax Rote LED Grüne LED Blaue LED Umgebungstemperatur in C Abbildung 11: T j der LEDs bei verschiedenen Umgebungstemperaturen (Heatpipe-Kühlung) T j in C Wasserkühlung: T j bei verschiedenen Umgebungstemperaturen T jmax 121 T jmax T 79 jmax Rote LED Grüne LED Blaue LED Umgebungstemperatur in C Abbildung 12: T j der LEDs bei verschiedenen Umgebungstemperaturen (Wasserkühlung) Hundsschleestr. 23 Seite 16 info@eyevis.de

17 Anhand der Geraden in den letzten beiden Schaubildern wird erkennbar, dass es bei beiden Kühlsystemen einen linearen Zusammenhang zwischen Leuchtdioden- und Umgebungstemperatur gibt. Dieser Zusammenhang wird anhand der Tabelle 3 noch verdeutlicht. Am Beispiel der grünen LED ist hier zu sehen, dass sich diese immer um einen gewissen Temperaturwert (ΔT) von der Umgebungstemperatur erhöht, wobei dieser Wert (ΔT) bei der Wasserkühlung höher ist als bei der Heatpipe-Kühlung. Grüne LED Umgebungs- temperatur Heatpipe-Kühlung Wasserkühlung T umg T j ΔT (T j - T umg) T j ΔT (T j - T umg) 4 C 73 C 69 C 107 C 103 C 8 C 78 C 70 C 112 C 104 C 17 C 87 C 70 C 121 C 104 C 23 C 92 C 69 C 125 C 102 C 28 C 98 C 70 C 131 C 103 C 42 C 111 C 69 C 146 C 104 C Tabelle 3: Vergleich des ΔT Heatpipe-Kühlung und Wasserkühlung Ausfall von Komponenten In den bisherigen Messungen wurde getestet, wie gut die zwei Kühlsysteme der Projektoren die Verlustwärme der Leuchtdioden bei verschiedenen Umgebungstemperaturen abführen und sie somit kühlen. Durch einen letzten Versuch galt es nun zu untersuchen, wie gut die Kühlung beim Ausfall wichtiger Komponenten der Kühlsysteme funktioniert. Dazu wurden die Lüfter der Kühlkörper beim Heatpipe-Kühlsystem sowie die Pumpe beim Wasserkühlsystem abgeschaltet, weshalb bei den folgenden Messungen höhere LED Temperaturen als bei den bisherigen erwartet wurden. Um eine mögliche Beschädigung der Leuchtdioden zu vermeiden, wurden die LEDs nicht mehr mit 100%, sondern nur noch mit 40% betrieben. Außerdem wurde die Messdauer von 21 auf 51 min erhöht. Der Grund dafür waren die LED Temperaturen, welche im Vergleich zu den bisherigen Messungen einerseits auch noch nach 10 oder 20 min beachtlich anstiegen und andererseits nach dem Abschalten der LEDs langsamer abfielen. Die Ergebnisse dieser letzten Messungen, bei welchen die entsprechenden Komponenten (Lüfter bzw. Pumpe) abgeschaltet waren, sind in Abbildung 13 und 14 veranschaulicht. Hundsschleestr. 23 Seite 17 info@eyevis.de

18 C Gemessene LED Temperaturen (T ref ) bei der Heatpipe-Kühlung - Lüfter aus 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 26:00 28:00 30:00 32:00 34:00 36:00 38:00 40:00 42:00 44:00 46:00 48:00 50:00 Abbildung 13: LED Temperaturen (T ref ) - Lüfter aus (Umgebungstemperatur 23 C) Rot Grün Blau min C Gemessene LED Temperaturen (T ref ) bei der Wasserkühlung - Pumpe aus 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 26:00 28:00 30:00 32:00 34:00 36:00 38:00 40:00 42:00 44:00 46:00 48:00 50:00 Abbildung 14: LED Temperaturen (T ref ) - Pumpe aus (Umgebungstemperatur 23 C) Rot Grün Blau min Hundsschleestr. 23 Seite 18 info@eyevis.de

19 Während bei den LEDs des Heatpipe-Kühlsystems Maximaltemperaturen von 34 (rot), 57 (grün) und 42 C (blau) gemessen wurden, erreichten die Leuchtdioden der Wasserkühlung erneut höhere Temperaturen. Diese lagen bei 69 (rot), 67 (grün) und 53 C (blau). Folgende Tabelle stellt die dazugehörigen berechneten Sperrschichttemperaturen der LEDs dar: Heatpipe-Kühlung Wasserkühlung Rote LED T ref = 34 C T j = 57 C T ref = 69 C T j = 92 C Grüne LED T ref = 57 C T j = 108 C T ref = 67 C T j = 118 C Blaue LED T ref = 42 C T j = 64 C T ref = 53 C T j = 75 C Tabelle 4: LED Temperaturen bei ausgeschalten Komponenten Die Ergebnisse der Messungen machen deutlich, wie wichtig Lüfter und Pumpe für die jeweiligen Kühlsysteme sind. Die Verlustwärme wird schlechter abgeführt und die Leuchtdioden erwärmen sich stark, wenn die besagten Komponenten ausgeschaltet bleiben. Obwohl bei allen Leuchtdioden in diesen Versuchen eine Intensität von 40% eingestellt wurde, erreichten sie beim Heatpipe-Kühlsystem höhere Temperaturen als wenn die Lüfter eingeschaltet sind und die LEDs mit einer Intensität von 100% betrieben werden. Auch bei der Wasserkühlung erhöhten sich die LED Temperaturen bei ausgeschalteter Pumpe deutlich. Einen Vergleich der verschiedenen Sperrschichttemperaturen (T j ) bei ein- bzw. ausgeschalteter Komponente des Kühlsystems sowie der entsprechenden LED Intensität zeigt Abbildung 15. Temperatur in C LED Temperaturen (T j ) bei ein- und ausgeschalteten Komponenten T jmax T jmax T jmax 52 C 92 C 60 C Lüfter an Intensität 100% Rote LED Grüne LED Blaue LED Heatpipe-Kühlung Wasserkühlung 108 C 64 C 57 C 59 C Lüfter aus Intensität 40% 125 C Pumpe an Intensität 100% 92 C Abbildung 15: Vergleich der LED Temperaturen (T j ) bei ein- bzw. ausgeschalteten Komponenten 118 C 74 C 75 C Pumpe aus Intensität 40% Hundsschleestr. 23 Seite 19 info@eyevis.de

20 Weitere Messungen mit einer höheren Intensität, wie zum Beispiel 60, 80 oder 100 % bei ausgeschalteten Komponenten wurden nicht mehr durchgeführt. Der Grund dafür waren die hohen LED Temperaturen die bereits bei einer Intensität von 40% erreicht wurden. 5 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Kühlmöglichkeiten vorgestellt, die sich zur Kühlung der Lichtquelle von LED Projektoren eignen. Dabei wurde die Kühlung mittels Heatpipes und die Wasser- bzw. Flüssigkeitskühlung ins Zentrum der Untersuchung gestellt. In mehreren Messungen und unter verschiedene Bedingungen wurde die Kühlfähigkeit der beiden Kühlarten an zwei LED Projektoren ermittelt, die außer dem Kühlsystem baugleich waren. Bei einem anschließenden Vergleich der Messungen konnte gezeigt werden, dass mit dem Heatpipe-Kühlsystem bei allen Versuchen niedrigere LED Temperaturen als mit der Wasserkühlung erreicht wurden. Obgleich die vorliegenden Ergebnisse für ein Heatpipe- Kühlsystem zur Kühlung eines LED Projektors sprechen, haben Wasserkühlungen dennoch ihre Berechtigung. Denn auch sie sorgen in einem optimierten System sicherlich für eine gute und ausreichende Kühlung der Leuchtdioden. Schlusswort Die verschiedenen Messungen, die im Rahmen dieser Arbeit gemacht wurden, ermöglichten den Vergleich eines Heatpipe-Kühlsystems und einer Wasserkühlung bei einem LED Projektor. Neben dem Vergleich konnte insbesondere gezeigt werden, dass die Hochleistungs-LEDs des Projektors mit dem Heatpipe-Kühlsystem vollkommen ausreichend gekühlt werden, wodurch schließlich eine hohe LED Lebensdauer erreicht werden kann. Hundsschleestr. 23 Seite 20 info@eyevis.de

21 Quellenverzeichnis [Best10] [Conrad] [DPG10] [Elektronik Kompendium] [FGL10] [Hardwarelabs] [Paul] [LRC03, LED] [LRC03, Heat] Tobias Best Thermodesign von Leistungshalbleitern und LEDs - Heatpipes kühlen nicht ELEKTRONIKPRAXIS, 2010 Conrad Electronic SE Heatpipes (Wärmeleitrohre) da-01-de-kuehllamelle_qv_fi_130_10_8_130x55x0_2_mm.pdf Conrad Electronic SE Deutsche Physikalische Gesellschaft Zum Glühlampen-Ausstieg Physikonkret, Nr.8, Deutsche Physikalische Gesellschaft, 2010 Elektronik Kompendium Prozessor-Kühlung (Kühler) Elektronik Kompendium Fördergemeinschaft Gutes Licht LED - Licht aus der Leuchtdiode Fördergemeinschaft Gutes Licht Heft 17, 2010 Hardwarelabs Wie funktioniert eine Heatpipe? - Wie funktioniert eine Heatpipe? Wie_funktioniert_eine_Heatpipe_2368 Hardwarelabs.de, 2004 Dipl.-Ing. Hartmut Paul Tendenzen und Trends bei der Elektronikklimatisierung - Gefordert sind hohe Kühlleistung und niedrige Betriebskosten Rittal, Herborn Lighting Research Center What is an LED? LED Lighting Systems Lighting Answers NLPIP sp Lighting Research Center, Rensselear Polytechnic Institute, New York, 2003 Lighting Research Center How are LEDs affected by heat? LED Lighting Systems Lighting Answers NLPIP Lighting Research Center, Rensselear Polytechnic Institute, New York, 2003 Hundsschleestr. 23 Seite 21 info@eyevis.de

22 [LRC03, Heat sinking] [LRC03, Material] [Luminus10] [Narendran, Gu05] [Narendran, Gu et al., 07] [Oschmann] [Schmidt-Walter] [Unverferth06] [Wiki, Wärmerohr] [Wiki, PC-Wasserkühlung] Lighting Research Center Why is heat sinking important for LEDs? LED Lighting Systems Lighting Answers NLPIP Lighting Research Center, Rensselear Polytechnic Institute, New York, 2003 Lighting Research Center What types of heat sinking materials are used in LED lighting systems? LED Lighting Systems Lighting Answers NLPIP erials.asp Lighting Research Center, Rensselear Polytechnic Institute, New York, 2003 Luminus PhlatLight PT120 Projection Chipset - Summary Data Sheet f8da5dbd6/misc/pds_001022_pt120_summarydatasheet_rev_07.pdf Luminus, 2010 Nadarajah Narendran, Yimin Gu Life of LED-based white light sources Lighting Research Center, Rensselear Polytechnic Institute, New York, 2005 Nadarajah Narendran, Yimin Gu, Lalith Jayasinghe, Jean Paul Freyssinier, and Yiting Zhu Long-term performance of white LEDs and systems WhiteLEDsTokyo2007.pdf Lighting Research Center, Rensselear Polytechnic Institute, New York, 2007 Tobias Oschmann Die Leuchtdiode Nullohm.de Prof. Dr.-Ing. Heinz Schmidt-Walter Elektronik Hochschule Darmstadt Florian Unverferth Referat Kühlkörper th.pdf TU Berlin, 2006 Wikipedia Wärmerohr Wikipedia PC-Wasserkühlung Hundsschleestr. 23 Seite 22 info@eyevis.de