Temperatureinfluß oder Some don't like it hot

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.

**Bild 3.61:** Versuchsaufbau Temperatureinflußbestimmung
$\begin{figure}\centering \centering \subfigure[Aufbau]{\includegraphics[width=7c... ...idth=6cm]{Meszwerte/LEDs/Lumiled/Temperaturmessungen/p3050991_s7}}\end{figure}$

Die Kühlung wird durch eine Aquariumpumpe und 0 $^{\circ}$ C 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 0 $^{\circ}$ C 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.

**Bild 3.62:** Temperatureinfluß auf eine PW09 Rank T
$\begin{figure}\centering \includegraphics[width=10cm]{Meszwerte/LEDs/Lumiled/Temperaturmessungen/Temperatur1}\end{figure}$

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 Kupferzylinder^3.99 gemessen.^3.100

**Bild 3.63:** Temperatureinfluß auf eine XR-E 7090 P4
$\begin{figure}\centering \includegraphics[height=10cm]{Meszwerte/LEDs/Cree/TemperaturCree} \end{figure}$

Unterhalb 10 $^{\circ}$ C 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.

**Bild 3.64:** Temperatureinfluß auf eine Lumiled Rebel LXML-PW1C-0100
$\begin{figure}\centering \includegraphics[height=10cm]{Meszwerte/LEDs/Lumiled/Temperaturmessungen/Temperatur_Rebel} \end{figure}$

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 100 $^{\circ}$ C 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 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.

**Bild 3.65:** Temperatureinfluß auf reale Scheinwerfer
$\begin{figure}\centering \includegraphics[height=10cm]{Meszwerte/Schweinwerfer/Temperatureinfluss} \end{figure}$

Ebenso wie bis zu 100 $^{\circ}$ C 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/ $^{\circ}$ 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

**Tabelle 3.28:** Temperaturkoeffizienten von LEDs
Modell	in mV/ $^{\circ}$ C				$\Phi'$ in %/10 $^{\circ}$ C				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 $\Phi(\vartheta)$ oder eine Exponentialfunktion auf $U(\vartheta)$ .

$\displaystyle U(\vartheta)$	$\textstyle =$	$\displaystyle a+\exp(\vartheta/b)$	(3.76)
$\displaystyle \Phi_{\mbox{\footnotesize bez.}}(\vartheta)= \frac{\Phi(\vartheta... ...i(\vartheta_{\mbox{\footnotesize Ref}})P(\vartheta_{\mbox{\footnotesize Ref}})}$	$\textstyle =$	$\displaystyle c+d(\vartheta-\vartheta_{\mbox{\footnotesize Ref}})+e(\vartheta-\vartheta_{\mbox{\footnotesize Ref}})^2$	(3.77)

Als Temperatur $\vartheta$ wird für die Werte in Tabelle 3.29 $\vartheta_{\mbox{\footnotesize SP}}$ herangezogen. Für den Polynomfit sollte

eigentlich 1,0 werden. Praktisch liegen jedoch nicht immer genau für 20 $^{\circ}$ 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.

**Tabelle 3.29:** Fit-Parameter für einige LEDs
Typ	Strom	$U(\vartheta)$		$\Phi_{\mbox{\footnotesize bez.}}(\vartheta)$

	[mA]	[V]	[]	$\cdot10^0$	$\cdot 10^{-3}$	$\cdot 10^{-5}$
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.