Радіатор для світлодіода - чому все складно
А навіщо він потрібен?
Нарівні з іншими напівпровідниковими приладами світлодіод не є ідеальним елементом зі 100% коефіцієнтом корисної дії (ККД). Велика частина споживаної ним енергії розсіюється в тепло. Точне значення ККД залежить від типу випромінює діода і технології його виготовлення. Ефективність слабкострумових світлодіодів становить 10-15%, а у сучасних білих потужністю понад 1 Вт її значення досягає 30%, а значить, решта 70% витрачаються в тепло.
Яким би не був світлодіод, для стабільної та тривалої роботи йому необхідний постійний відвід теплової енергії від кристала, тобто радіатор. У слабкострумових led функцію радіатора виконують висновки (анод і катод). Наприклад, в SMD 2835 висновок анода займає майже половину нижньої частини елемента. У потужних світлодіодах абсолютна величина потужності, що розсіюється на кілька порядків більше. Тому нормально функціонувати без додаткового відводу тепла вони не можуть. Постійний перегрів світловипромінювальних кристала в рази знижує термін служби напівпровідникового приладу, сприяє плавної втрати яскравості зі зміщенням робочої довжини хвилі.
Конструктивно всі радіатори можна розділити на три великі групи: пластинчасті, стрижневі і ребристі. У всіх випадках підставу може мати форму кола, квадрата або прямокутника. Товщина підстави має принципове значення при виборі, так як саме ця ділянка несе відповідальність за прийом і рівномірний розподіл тепла по всій поверхні радіатора.
На форм-фактор радіатора впливає майбутній режим роботи:
- з природною вентиляцією;
- з примусовою вентиляцією.
Радіатор охолодження для світлодіодів, який буде використовуватися без вентилятора, повинен мати відстань між ребрами не менше 4 мм. В іншому випадку природної конвекції не вистачить для успішного відводу тепла. Яскравим прикладом служать системи охолодження комп'ютерних процесорів, де за рахунок потужного вентилятора відстань між ребрами зменшено до 1 мм.
При проектуванні світлодіодних світильників велике значення приділяється їх зовнішньому вигляду, що має великий вплив на форму тепловідведення. Наприклад, система відведення теплової енергії світлодіодної лампи не повинна виходити за рамки стандартної грушоподібної форми. Цей факт змушує розробників вдаватися до різних хитрощів: використовувати друковані плати з алюмінієвої основою, поєднуючи їх з корпусом-радіатором за допомогою термоклея.
Матеріали виготовлення радіаторів
В даний час охолодження потужних світлодіодів виробляють переважно на радіаторах з алюмінію. Такий вибір обумовлений легкістю, низькою вартістю, піддатливість в обробці і хорошими теплопровідними властивостями цього металу. Монтаж мідного радіатора для світлодіода виправданий в світильнику, де першорядне значення мають розміри, так як мідь в два рази краще розсіює тепло, ніж алюміній. Властивості матеріалів, які найбільш часто використовуються для охолодження потужних світлодіодів, розглянемо більш детально.
алюмінієві
- висока вартість міді;
- складна механічна обробка;
- велика маса.
Застосування мідної охолоджуючої конструкції веде до збільшення собівартості світильника, що неприпустимо в умовах жорсткої конкуренції.
керамічні
Новим рішенням у створенні високоефективних теплоотводов стала алюмонітрідная кераміка, теплопровідність якої становить 170-230 Вт / м * К. Цей матеріал відрізняється низькою шорсткістю і високими діелектричними властивостями.
Із застосуванням термопластика
Незважаючи на те що властивості теплопровідних пластмас (3-40 Вт / м * К) гірше, ніж у алюмінію, їх головними перевагами є низька собівартість і легкість. Багато виробників світлодіодних ламп використовують термопластик для виготовлення корпусу. Однак термопластик програє конкуренцію металевим радіаторів в проектуванні світлодіодних світильників потужністю понад 10 Вт.
Особливості охолодження потужних світлодіодів
Як зазначалося раніше, забезпечити ефективне відведення тепла від світлодіода можна за допомогою організації пасивного або активного охолодження. Світлодіоди потужністю споживання до 10 Вт доцільно встановлювати на алюмінієві (мідні) радіатори, так як їх масогабаритні показники будуть мати прийнятні значення.
Застосування пасивного охолодження для світлодіодних матриць потужністю 50 Вт і більше стає скрутним; розміри радіатора складуть десятки сантиметрів, а маса зросте до 200-500 грам. У цьому випадку варто задуматися про застосування компактного радіатора разом з невеликим вентилятором. Цей тандем дозволить знизити масу і розміри системи охолодження, але створить додаткові труднощі. Вентилятор необхідно забезпечити відповідним напругою живлення, а також подбати про захисному відключенні світлодіодного світильника в разі поломки кулера.
Яким би не був радіатор, він здатний забезпечити хороший, але не найкращий тепловий контакт з підкладкою світлодіода. Для зниження теплового опору на контактіруемие поверхню наносять теплопроводящую пасту. Ефективність її впливу доведена повсюдним застосуванням в системах охолодження комп'ютерних процесорів. Якісна термопаста стійка до затвердіння і володіє низькою в'язкістю. При нанесенні на радіатор (підкладку) досить одного тонкого рівного шару на всій площі зіткнення. Після притиску і фіксації товщина шару складе близько 0,1 мм.
Розрахунок площі радіатора
Існують два методи розрахунку радіатора для світлодіода:
- проектний, суть якого полягає у визначенні геометричних розмірів конструкції при заданому температурному режимі;
- перевірочний, який передбачає діяти в зворотній послідовності, тобто при відомих параметрах радіатора можна розрахувати максимальну кількість теплоти, яку він здатний ефективно розсіювати.
Застосування того чи іншого варіанту залежить від наявних вихідних даних. У будь-якому випадку точний розрахунок - це складна математична задача з безліччю параметрів. Крім вміння користуватися довідковою літературою, брати необхідні дані з графіків і підставляти їх у відповідні формули, слід враховувати конфігурацію стрижнів або ребер радіатора, їх спрямованість, а також вплив зовнішніх факторів. Також варто враховувати і якість самих світлодіодів. Найчастіше в світлодіодах китайського виробництва реальні характеристики розходяться з заявленими.
точний розрахунок
Перш ніж перейти до формул і розрахунками, необхідно ознайомитися з основними термінами в області поширення теплової енергії. Теплопровідність представляє собою процес передачі теплової енергії від більш нагрітого фізичного тіла до менш нагрітого. Кількісно теплопровідність виражається у вигляді коефіцієнта, який показує, скільки теплоти здатний передати матеріал через одиницю площі при зміні температури на 1 ° K. У світлодіодних світильниках всі частини, задіяні в обміні енергії, повинні мати високу теплопровідність. Зокрема це стосується передачі енергії від кристала до корпусу, а потім до радіатора і повітрю.
Конвекція - теж процес передачі тепла, який відбувається за рахунок руху молекул рідин і газів. Стосовно до світлодіодних світильників прийнято розглядати обмін енергією між радіатором і повітрям. Це може бути природна конвекція, яка відбувається за рахунок природного переміщення повітряного потоку, або примусова, організована за рахунок установки вентилятора.
На початку статті зазначалося, що близько 70% споживаної светодиодом потужності витрачається в тепло. Щоб розрахувати радіатор для світлодіодів, необхідно знати точну кількість розсіюється енергії. Для цього скористаємося формулою:
PТ - потужність, що виділяється у вигляді тепла, Вт;
k - коефіцієнт, що враховує відсоток енергії, що переходить в тепло. Це величина для потужних світлодіодів приймається рівною 0,7-0,8;
Uпр - пряме падіння напруги на світлодіоді при протіканні номінального струму, В;
Іпр - номінальний струм, А.
Прийшов час порахувати кількість перешкод, розташованих на шляху проходження теплового потоку від кристала до повітря. Кожна перешкода являє собою тепловий опір (termal resistance), що позначається символом (Rθ, градус / Вт). Для наочності всю систему охолодження представляють у вигляді схеми заміщення з послідовно-паралельного включення теплових опорів
Rθjc - тепловий опір p-n-перехід-корпус (junction-case);
Rθcs - тепловий опір корпус-радіатор (case-surfase radiator);
Rθsa - тепловий опір радіатор-повітря (surfase radiator-air).
Якщо передбачається встановлювати світлодіод на друковану плату або використовувати термопасту, то також потрібно врахувати їх теплові опори. На практиці значення Rθsa можна визначити двома способами.
Rθja - опір p-n-перехід-повітря;
Tj - максимальна температура p-n-переходу (довідковий параметр), ° C;
Ta - температура повітря поблизу радіатора, ° C.
Знайти з графіка «залежність максимального теплового опору від прямого струму».
За відомим Rθsa вибирають стандартний радіатор. При цьому паспортне значення теплового опору повинно бути трохи менше розрахункового.
Приблизна формула
Багато радіоаматори звикли використовувати в своїх саморобки радіатори, що залишилися від старої електронної апаратури. При цьому вони не бажають заглиблюватися в складні обчислення і купувати дорогі новинки імпортного виробництва. Як правило, їх цікавить одне тільки питання: «Яку потужність може розсіяти наявний алюмінієвий радіатор для світлодіодів?»
Пропонуємо скористатися простою емпіричної формулою, що дозволяє отримати прийнятний результат розрахунку: Rθsa = 50 / √S, де S - площа поверхні радіатора в см 2.
Підставляючи в цю формулу відоме значення сумарної площі тепловідведення з урахуванням поверхні ребер (стрижнів) і бічних граней, отримуємо його тепловий опір.
Допустиму потужність розсіювання знаходимо з формули: Pт = (Tj -Ta) / Rθja.
Наведений розрахунок не враховує багато нюансів, що впливають на якість роботи всієї охолоджувальної системи (спрямованість радіатора, температурні характеристики світлодіода і ін.). Тому отриманий результат рекомендується множити на коефіцієнт запасу - 0,7.
Радіатор для світлодіода своїми руками
Дешеві теплоотводчікі для аматорських самооделок
Спеціально для радіоаматорів, які люблять експериментувати з різними матеріалами для відводу тепла і при цьому не хочуть витрачати гроші на дорогі готові вироби, дамо кілька рекомендацій з пошуку і виготовлення радіаторів своїми руками. Для охолодження світлодіодних стрічок і лінійок прекрасно підійде меблевий профіль з алюмінію. Це можуть бути напрямні для шаф-купе або кухонні фурнітура, залишки якої можна купити за собівартістю в меблевому магазині.
Для охолодження світлодіодних матриць 3-10 Вт підійдуть радіатори з радянських магнітофонів і підсилювачів, яких більш ніж достатньо на радіоринках кожного міста. Також можна використовувати запчастини від старої оргтехніки.
Саморобний охолодження для 50 Вт світлодіода можна зробити з радіатора від несправної бензопили, газонокосарки, розпилявши його на кілька частин. Купити такі запчастини можна в ремонтних майстернях за ціною брухту. Звичайно, про естетичні якості світлодіодного світильника в цьому випадку можна забути.
- Світлодіодні (LED) лампи filament
- Все про особливості і характеристиках надяскравих світлодіодів
- Технічні характеристики SMD світлодіоди 3528
