Zeiss Leuchte 30: Halogen, LED, Xenon - aus einer Hand!

[Stephan Hiller]

Ich plädiere für einen kleinen Dewar und flüssig Stickstoff Kühlung  

Spass beiseite,

es ist primar mal nicht das Material bei dieser Ausführung was die Probleme machen dürfte sondern die Übergänge zum Gehäuse der Lampe. Wenn ich das Bild von Rolf genau ansehe und verstehe wurde der Finger 2-teilig aufgebaut (Dreh und Frästeil). Kritisch sind daher zuerst mal die Übergangsflächen der 3 Komponenten: LED Star Kühlkörper auf Finger - Finger auf runden Sockel und dann noch runder Sockel auf Lampengehäuse. Speziell die letzten beiden werden Probleme machen, der Übergang LED auf Finger weniger. Auch ein Silber Kühlkörper hilft nicht, wenn seine Masse gering ist und am Ende kein Übergang zur Ableitung der Wärme besteht - er wird nur schneller heiß  . Insofern habe ich auch bei der gezeigten Lösung für das Lampe 60 Gehäuse von Bernd - so schön und sauber wie sie augeführt ist Bedenken, dass die Wärme unter Vollast der Cree XM-L ausreichend abgeführt wird. Ich habe lange mit wesentlich größeren und sogar schwarz eloxierten Kühlkörpern für das Leuchte 60 Gehäuse experimentiert und solange der Kühlkörper über die original Lampenfassung eingebracht war ist die LED im Dauerbetrieb unter Volllast immer überhitzt. Sogar dann noch, als ich die eigentliche Lampenfassung herausgeschmissen habe und den Kühlkörper direkt in die Lampen-Zentriereinheit über ein Gewinde eingebracht hatte. Bernd weiss sicher genau warum das so ist - er hat die Zentriereinrichtung der Zeiss Leuchte 60 sicherlich schon zerlegt und gereinigt und kennt von diesen Arbeiten her die Übergangsflächen zum Lampengehäuse die nur aus ein paar Stellschrauben und einer schlecht kontaktieren Gleitfläche bestehen. Meine Kühlkörper haben über 300 g Masse und sind thermisch großflächig mit dem Rippengehäuse der Leuchten verbunden und selbst dann wird die Lampe bei einer 11 W LED im mehrstündigen Dauerbetrieb noch über 45 Grad warm. Man verliert bei dieser Lösung die Zentriermöglichkeit, die man aber bei sauberer Ausführung der Drehteile nicht benötigt, aber die LED überhitzt so nicht.
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=3355.msg20987#msg20987
Vor mehr als 2 Jahren noch mit der Cree MC-E heute mit Cree XM-L oder Luminus LEDs.

Also Vorsicht!

Grüße
Stephan

[Bastian]

Stephan,

es ist primar mal nicht das Material bei dieser Ausführung was die Probleme machen dürfte sondern die Übergänge zum Gehäuse der Lampe

das mag für Rolf's Lösung von Bedeutung sein aber lässt sich m.E. nicht so pauschal  für alle Anwendungen in der Mikroskopbeleuchtung sagen: Was die thermischen Übergänge von der Alu LED Fassung zum Stativ und deren respektive Kontaktflächen angeht kann ich Dir folgen. Aber das Ganze stimmt eben nur wenn man "nur" die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers betrachtet, was ja nur eine von dreien Eigenschaften von Kühlkörpern ist. Man sollte auch erwähnen dass ein großer Teil der Wärme bei passiven Kühlkörpern durch Konvektion abgeführt wird. Der Vollständigkeit halber soll nicht unerwähnt bleiben dass  bei steigenden Temperaturen auch die Wärmeabstrahlung zunehmend eine Rolle spielt, wozu dann auch matte/dunkle/eloxierte Körper einen höheren Emissionsgrad aufweisen als blanke Kühlkörper.
Speziell in Leuchte 60, die ja nicht nur Kühlrippen aufweist, sondern auch Aussparungen um eine Konvektion (Luftzirkulation) zu gewährleisten. Immerhin war da vorher eine 60 W Birne untergebracht, die mindestens 55 W direkt in Wärme umgesetzt hat.
Bernd's Leuchte sollte also gut funktionieren, da ausreichend Luft durch den Kühlkörper streicht. Da ich eine ganz ähnliche Lösung in meiner Leuchte 60 untergebracht habe, die seit etlichen Monaten ganz hervorragend funktioniert bin ich zuversichtlich, dass Bernd's schöne Lampe natürlich auch funktioniert.

Herzlich,
Bastian

[Nomarski]

Hallo,

da sich meine arme LED leider nicht selbst verteidigen kann, werde ich es für sie tun. Die LED ist sehr leistungsstark, strahlt mit einer hohen Lichtintensität und kann mit einem maximalen Strom von 3Ampere betrieben werden. Unter Vollast betrieben, sei es mal dahingestellt, ob ausreichend gekühlt oder nicht, ist die Lichtensität viel zu stark, um damit Mikrosopieren zu können. Im Hellfeld sowieso, selbst bei den lichtschluckenden Kontrastverfahren kommt man mit viel weniger aus. Wenn ich diese LED nur mit einigen hundert Milliampere betreibe, reicht mir das völlg. So drehe ich die LED je nach Kontrastverfahren maximal bis zur halben Last auf. Und wenn es mal wirklich eng wird, kann ich sie auch zumindest kurzzeitig mit Vollast fahren, habe dabei aber immer festgestellt, daß es visuell zumindest keinen wesentlichen Helligkeitsgewinn eingebracht hat.
So betreibe ich diese LED schon seit Monaten ohne Ausfälle. Sollte es irgendwann tatsächlich dazu kommen, dann sind zwei Kabel abzulöten und zwei Schrauben zu lösen. Und die LED als Ersatz kostet weniger als 10 Euro.
Außerdem liegt wie schon paarmal erwähnt der Vorteil weniger in der Lichtintensität, sondern viel mehr in der Größe des Emitters, was für die Ausleuchtung der Kondensorpupille eben von Vorteil ist, um eine höhere Auflösung zu erzielen.
Desweiteren sollte man also erstmal abwarten, wie lange es dauern wird, bis Rolf seine LED auswechseln muß, bevor man mit seinem Mikroskop ins Kühlhaus umziehen muß.

Viele Grüße
Bernd

P.S.: Bastian, Danke für den Beistand!

[Stephan Hiller]

Hallo Bastian,

ich darf deine Werte zitieren:

und Luft 0.3 Wm^-1K^-1

Bastian

400 zu 0,3 das sind deutlich mehr als 3 Zehnerpotenzen da wird sogar der Physiker hellhörig  
Konvektion hilft solange sie nicht Lüfterunterstützt abläuft in diesen Dimensionen praktisch gar nicht. Da kann man noch so viele Kühlrippen reindrehen. (Ich spreche aus eigener Erfahrung).
Aber bevor wir lange rumdiskutieren: messt doch einfach mal am Kühlkörper bei 700 mA LED Strom nach 1 h Betrieb nach.
Bernd, ich weiss dass 40 mA locker für alle Hellfelddurchlichtanwendungen ausreichen, aber ich kenne auch Leute, die Ihr Mikroskop im Auflicht betreiben und den ganzen Tag die Beleuchtung im oberen Bereich fahren. Und wenn eine LED 3 A bestromt werden kann, dann kenne ich genügend Leute die das auch machen.
Schade, ich wollte nur eine Warnung aussprechen.
Werde mich also zukünftig mit weiteren Kommentaren zurückhalten.

Stephan

[Nomarski]

Bernd, ich weiss dass 40 mA locker für alle Hellfelddurchlichtanwendungen ausreichen, aber ich kenne auch Leute, die Ihr Mikroskop im Auflicht betreiben und den ganzen Tag die Beleuchtung im oberen Bereich fahren. Und wenn eine LED 3 A bestromt werden kann, dann kenne ich genügend Leute die das auch machen.

Dann sollen sich diese Leute doch ganz einfach eine Leuchte 100 kaufen, die ist auf dem Gebrauchtmarkt ofters und daher auch günstiger zu kriegen. Außerdem läßt sich dort auch viel problemloser ein fetter Kühlblock unterbringen, ohne daß man dazu den Spiegel ausbauen muß. Auch diese Lösung habe ich schon realisiert.

Viele Grüße
Bernd

[Bastian]

Stephan,

400 zu 0,3 das sind deutlich mehr als 3 Zehnerpotenzen da wird soger der Physiker hellhörig

Ja, das hoffe ich, und ich hoffe er denkt auch bis zu Ende denn das bezieht sich auf das  Vermögen stehender Luft Wärme zu leiten. Was glaubst Du wohl warum die ganzen Dämmstoffe so gut funktionieren? Stehende Luft!! Aber da dies bei der Leuchte 60 nicht der Fall ist (Schlitze im Gehäuse) funktioniert die Konvektion wohl schon ganz gut. Wenn dem nicht so wäre hätten doch die Zeiss Ingenieure damals nicht so ein Lampenhaus entwickelt? Ich wiederhole 55W Wärmeleistung sind abzuführen, und dass wie Du selber schreibst  nicht über genügend thermische Kontaktflächen verfügt um eine Wärmeableitung sinnvoll zu gestalten:

...die Übergangsflächen zum Lampengehäuse die nur aus ein paar Stellschrauben und einer schlecht kontaktieren Gleitfläche bestehen.

Bleibt also Konvektion und Wärmestrahlung übrig. Würde Konvektion und Wärmestrahlung nicht funktionieren (siehe Wärmeleitkoeffizient Luft) was Du ja implizierst, dürfte das Gehäuse doch auch nicht warm werden?

Aber bevor wir lange rumdiskutieren: messt doch einfach mal am Kühlkörper bei 700 mA LED Strom nach 1 h Betrieb nach.

Das ist eine hervorragende Idee, daran werde ich mich mal machen und dann ein paar Temperaturprofile zeichnen. Dann hätte man doch eine tolle Grundlage weiter zu diskutieren und Lösungen zu finden, die den Mikroskopiker weiter bringen, anstatt im Trüben der Spekulation herum zu fischen. Das soll übrigens nicht heißen, dass ich Deine Versuchsreihen gering schätze. Das Deine LED Kühlkörper nur 45 ºC nach 1 h bei 700 mA Stromaufnahme haben ist eine gute Leistung, da laufen die meisten LED's ja noch mit 95 % der

Schade, ich wollte nur eine Warnung aussprechen.
Werde mich also zukünftig mit weiteren Kommentaren zurückhalten.

Den ersten Satz verstehe ich, und ich danke Dir für die Warnung. Ich dachte das Forum sei zum Diskutieren da? Den zweiten Satz verstehe ich allerdings nicht   und es wäre schade wenn Du Dich zurück halten würdest. Warum denn? Ich schätze Deine Erfahrungen im Bereich der LED Lösungen jedenfalls sehr. Wie zum Beispiel den Thread gestern über das Leitz.

Herzlich,
Bastian

[reblaus]

Hallo Stephan -

ich fände es schade, wenn der Disput jetzt hier unterbrochen würde, denn wir haben zu der Materie im Forum in letzer Zeit keine so verständliche Sammlung an Grundlagen und Erfahrungen aus unterschiedlichsten Perspektiven zusammenbekommen.

Es ist natürlich ein Unterschied ob man für sich selbst was zusammen pfriemelt und deshalb die Schwächen der Konstruktion kennt oder für Fremdanwender,  die glauben, dass eine LED eine "kalte" Lichtquelle sei. Nun weiß aber schließlich auch nicht jede Hausfrau, dass sie ein normales Rührgerät im schweren Teig nicht länger als 5-10 min mit voller Pulle laufen lassen darf.

Manch witzige Bemerkung bringt einen ja erst auf die richtigen Ideen! Ein Problem ist z.B., dass sich manche für ihre 30- bis 60-jährigen Mikroskope die Justierbarkeit der Lichtquelle noch erhalten möchten, um eventuell einen Zentrierfehler an anderer Stelle ausgleichen zu könne. "Um einen Bug herumprogrammieren" nannte man das im Assemblerzeitalter  .

Bei der Anmerkung "flüssiger Stickstoff" fiel mir z.B. ein, dass ich vor gefühlten 100 Jahren mal mittels einer dicken, flexiblen Kupferlitze die Kälte aus einem Dewar mit flüssigem Stickstoff zur schockgefrosteten Probe in die Kammer eines Zeiss-DSM-Rastermikroskops geleitet habe, was dann einige Minuten Untersuchung eines pilzbefallenen Blattstückchens ohne Zusammenbruch des Vakuums erlaubte.

Genau so könnte man z.B. die Wärme von einem beweglichen LED-TRäger an einen massiven Wärmesink bringen.

Weiterhin fiel mir ein, dass die Computerkonstrukteure mit sehr effizienten flexiblen Miniaturkühlungen auf Flüssigkeitsbasis (niedrig schmelzende Legierungen) schon viel weiter sind.  Da ich früher mal damit beschäftigt war in einem Messgerät etwa 150 W Verlustleistung von einem 50 x 50 mm großen Peltierelement  abzuführen weiß ich wohl, dass man alle Versuche mit Luftkühlung in diesem Zusammenhang vergessen kann, zumindest vom Raumbedarf her.

Immerhin ist meine Neugier angeregt und ich werde mal ein Infrarotthermometer organisieren um die Fingerrückenprobe auf exakte Grundlagen stellen zu können!

Viele Grüße

Rolf

[Werner Jülich]

Ich neige auch dazu, die Argumente von Herrn Hiller hinsichtlich der Konvektion ernst zu nehmen, schließlich geht es doch nicht um die abgeführte Wärme, sondern darum ob wir die Sperrschichttemperatur überschreiten. Oder geht es nicht mehr um Physik, sondern ums Rechthaben?
Werner Jülich

[Werner]

Immer Wärmeleitpaste verwenden!!

Bei einer Paste mit 4 W / m x K sind das bei 0,1 mm Schichtdicke (0,0001 m) 40000W/K, die Leistung wird also praktisch widerstandslos ins Metall weitergegeben, und zwar über die GANZE Fläche. Beim Zusammenschrauben zweier Metallflächen (Ebenen) erfolgt die verlustlose Leitung nur über die drei Berührungspunkte zweier Ebenen, die Restfläche ist Luftisoliert. Bevor ich die Flächen stundenlang feinstläppe (wie bei Endmaßen) nehme ich doch lieber die Paste, die den Rest ausfüllt.

Ein Fall aus der Praxis: Bei einem Spektralphotometer mit Schrittmotorantrieb erfolgte die Wellenlängeneinstellung falsch, das Gerät war also unbrauchbar. Eine Messung bei betriebswarmen Gerät ergab fehlende oder zu kleine Impulse am Motor, er drehte nicht weiter. Die Leitpaste zwischen den Motor-Transistoren und dem großen Kühlkörper war ausgetrocknet, zu sparsam aufgebracht und somit wirkungslos. Die Leistungstransistoren waren aber nicht defekt. Deren Neumontage mit frischer Leitpaste beseitigte den Fehler, das Gerät lief wieder tadellos und der Kunde war zufrieden. Die Reparatur erfolgte also durch "baazen" (war ja auch in München).

Ich hätte vorher nie gedacht, daß fehlerhafte Leitpaste solche Fehlfunktionen verursachen kann!

Die Paste mit 10W/mK besteht aus Berylliumoxid, das aber wegen seiner Giftigkeit heute nicht mehr im Handel sein darf. Ich habe mich deshalb immer erfolgreich zurückgehalten, alte Transistoren oder Kühlkörper abzuschlecken.

Der beste Wärmeleiter ist immer noch eine "heatpipe", viel besser als Silber. Zu finden in defekten Notebooks; sie ist sogar in Grenzen nachbiegbar. Hatte ich mir schon überlegt, wird ab einer 10-W-LED interessant. Der Selbstbau einer funktionierenden  heatpipe ist aber zu kniifflig.

Viele Grüße   -   Werner

[wilfried48]

Immer Wärmeleitpaste verwenden!!

Bei einer Paste mit 4 W / m x K sind das bei 0,1 mm Schichtdicke (0,0001 m) 40000W/K, die Leistung wird also praktisch widerstandslos ins Metall weitergegeben, und zwar über die GANZE Fläche.

Haaaa...lt Werner,

so geht das natürlich nicht, das ist natürlich nur die Wärmeleitfähigkeit oder Wärmeleitzahl

für die abgeleitete Wärmeleistung muss du natürlich auch die Fläche berücksichtigen

und es gilt die Formel: Wärmeleistung = Wärmeleitfähigkeit * Fläche/Schichtdicke*Temperaturdifferenz.

Wenn du in deinem obigen Beispiel also die Schichtdicke in m einsetzt musst die Fläche von z.B. 1 Quadratzentimeter also 0,0001 Quadratmeter auch berücksichtigen und es ergibt sich "nur" noch ein zehntausendstel deines errechneten Wertes nämlich 4W/K was natürlich immer noch locker ausreicht.

Aber auch für einen Luftspalt von 0,1 mm würde es bei einer Starplatine noch locker ausreichen. 

Gruss
Wilfried

[Nomarski]

Hallo,

Die Paste mit 10W/mK besteht aus Berylliumoxid, das aber wegen seiner Giftigkeit heute nicht mehr im Handel sein darf. Ich habe mich deshalb immer erfolgreich zurückgehalten, alte Transistoren oder Kühlkörper abzuschlecken.

Als Alternative könnte man aber Montagepaste für Heizpatronen verwenden. Diese gibt es noch und ich verwende sie gelegentlich. Auch sie stellt den verbesserten Kontakt zur Wärmeübertragung zwischen der Heizpatrone und dem Heizblock her.

Viele Grüße
Bernd

[Werner]

Danke Wilfried!

Ist natürlich so richtig, die 1/Meter sind ja durch Kürzen von Meter/Quadratmeter entstanden...
Entweder lag mein Fehler an der Eile oder am Restalkohol...

Viele Grüße   -   Werner

P.S. 

[Stefan_O]

Muss nicht unbedingt Berylliumoxid sein, Graphit-Wärmeleitpaste kommt sogar auf 10.5 W/mK:
https://www.distrelec.ch/graphit-w%C3%A4rmeleitpaste-mit-hoher-w%C3%A4rmeleitf%C3%A4higkeit/fischer-elektronik/wlpg

Gruss,
Stefan

[reblaus]

Über den Einfluss von Schmieren und Salben beim Aufgehen psychischer und physischer Lichter

von

PHYLLOXER A. REBLAUS

Einleitung

wie im thread irgendwo versprochen wurde die subjektive Temperaturmessung durch Wange (Babyfläschchen) und Fingerrücken (LED-Träger) durch ein Thermometer ersetzt.

Material und Methoden

Nachdem für Infrarotthermometer mit einem sehr kleine Messfleck keine Drittmittel eingeworben werden konnten, wurde ein 15 mm tiefes 3mm Loch in die diversen LED-Träger gebohrt (unter der LED-Platine) und mit Wärmeleitpaste gefüllt. Dort wurde die Spitze eines  Küchen/Bratenthermometers (ALDI) gesteckt und die Geschichte mit 3000 mA einige Stunden betrieben.

Ergebnis

1. Wenn der Eingangs beschriebene LED-Finger ohne besondere Vorkehrungen in die Leuchte 30 gesteckt wird, erreicht er mit einer 3000 mA Cree bei voller Belastung nach ca. 30 min knapp 80 Grad C. Insofern sind die Bedenken von Stephan Hiller richtig, dass in der LED selbst über 120 Grad erreicht werden könnten, was ihre Lebensdauer vermindert, weil die im Datenblatt angegebenen Grenztemperatur von 150 Grad natürlich kurz vor dem Exitus steht.

2. Wenn der Kragen des Fingers bzw. dessen  Sitz in der Leuchte 30 ohne besondere Bearbeitung mit Wärmeleitpaste eingeschmiert werden, bleibt die Temperatur des Fingers unter der Starplatine unter 60 Grad - interessanterweise wird durch Befühlen des Leuchtengehäuses ebenfalls deutlich, dass in dieses mehr Wärme übertragen wird. Es fühlt sich deutlich wärmer an als in Versuch 1.

Diskussion

Schon im Datenblatt wird empfohlen, die CREE XML 3000 zwecks Erreichung maximaler Lebensdauer nur mit 1500 mA zu betreiben, ohne dass dabei die Temperatur diskutiert wird. Wie in anderer Stelle erwähnt, ist diese LED hauptsächlich wegen ihres großen, homogenen Emitters interessant.
Allerdings soll für Sonderfälle ein Betrieb an der Leistungsgrenze möglich sein bzw. unter gewissen Umständen ist einzukalkulieren, dass das Abschalten des Mikroskops zu Feierabend vergessen wird - dem Autor würde das natürlich niiiiiiieeeeee passieren.
Falls dies aber Anderen mal passieren sollte ist es beruhigend, dass auch bei voller Belastung die Lebensdauer der LED nur wenig abnimmt -  wenn man die WLP nicht vergessen hat.

Zusammenfassung

Schmieren und Salben hilft allenthalben

Literatur

Es ist alles nur geklaut

[-JS-]

Hallo liebe LED-Diskutanten,
Noch auf Seite 1 dieses Threads, wollte ich eigentlich grad ganz spontan zu Bernd's Vorschlag

dann laß uns doch gleich Nägel mit Köpfen machen und noch ein paar Kanäle für das Kühlwasser setzen. Darauf kommt es nun auch nicht mehr an.

etwas schreiben, da zeigte mir der Editor, dass der Thread ja schon viel länger geworden ist.
Rolf, mein Zwerchfell bedankt sich sehr herzlich für Deinen wunderbaren Artikel  
Ich habe ja von Physik leider nicht so sehr viel Ahnung (eigentlich gar keine ...), habe aber etwas getan,
was ich in der ganzen Diskussion ein bisschen vermisst habe. Nämlich zunächst einmal Temperaturen
gemessen. Zwar nicht mit einem Bratenthermometer von Aldi, sondern mit einem Digi-Labortemperaturfühler mit
Meßbereich -10°C bis +120°C (es lag grad kein anderer in der Schublade). Dessen Meßfühler selbst ist 150mm
lang (4,5 mm Durchmeser) und an der eigentlichen Meßspitze bei 15 mm Länge auf 2,2 mm abgestuft.
OK, ich habe nicht gegen ein amtl. geeichtes Thermometer kreuzvalidiert, man möge mir diesen greusslichen
Fauxpas einmal durchgehen lassen.
Meßort war eine Bohrung im Kühlkörper für eine LED (CREE, 3000 mA), den mir unser Bernd mal für das Gehäuse der
Leuchte HBO 50 gebaut hat. Die Bohrung ist so ausgeführt, dass der Meßfühler im Abstand von 2mm direkt hinter der
LED, die zusammen mit Wärmeleitpaste auf dem AL-Block befestigt ist, die Umgebungstemperatur des Al aufnehmen
kann. Auch die Spitze des Meßfühlers badete übrigens in Wärmeleitpaste.
Ergebnisse:
1.) 5 h Mikroskopie bei visuell gut erträglicher Hellfeld-Einstellung (das sind bei mir max. 700 mA): 31.0 °C
2.) 2 h DIC (1100 mA): 38.2 °C
3.) 3 h AL-Fluo (1600 mA): 44.5 °C
Klar, direkt an der LED konnte ich nicht messen, ich habe sie auch nicht bis an die 'Kante des Erlaubten' gefahren,
aber nach einem Jahr lebt diese LED immer noch und die Belichtungszeiten haben sich nicht wesentlich geändert.
Letzteres lässt den vorsichtigen Schluss zu, dass die LED auch nicht wesentlich an ihrer Leistungsfähigkeit verloren hat.
Was ich nun Bernd zu den 'paar Kanälen für das Kühlwasser' schreiben wollte?
"Lieber Bernd, Dein neues Universal bietet ja in dessen Stativkörper auch genügend Platz für die dann notwendig
werdende Umwälzpumpe nebst Wassertank und Peltier-Element zur Wärmeabfuhr.. "
Schönes Wochenende!
Viele Grüße
Joachim