Радіатор охолодження для світлодіодів - розрахунки, як зробити

Світлодіоди, які з'явилися на ринку радіоелектроніки порівняно недавно, вже міцно зайняли лідерські позиції по відношенню до інших джерел світла. Вони найбільш економічні в плані витрати електроенергії, більш компактні і зручні у використанні і мають менший виділенням тепла.

І все ж, наскільки б високотехнологічним не був світлодіод, підвищення температури при його роботі не уникнути. До того ж при нагріванні подібний LED-елемент в силу своїх конструктивних особливостей починає втрачати силу світлового потоку.

Звичайно, якщо це звичайний DIP-світлодіод з двома ніжками-контактами, йому цілком вистачає зовнішнього охолодження. Але якщо взяти більш потужні елементи, то тут вже варто задуматися про радіаторі охолодження для світлодіодів, який би допоміг відведення тепла від джерела світла.

Якщо звернути увагу на подібні пристрої охолодження в магазинах, то можна зрозуміти, наскільки велика їх вартість. Що ж тоді робити?

Залишається розібратися, чи можливо самому, своїми руками зробити радіатор для певного світлодіода або групи світлодіодів, як це виконати, і наскільки це складно. Ось зараз ми постараємося вирішити це питання.

А чи потрібен радіатор?

Для початку є сенс зрозуміти, чи потрібен охолоджує радіатор для світлодіода і якщо так, то навіщо.

Справа в тому, що по ефективності, якщо брати слабкострумові діодні випромінювачі, їх коефіцієнт корисної дії становить лише 15-17%. При цьому зрозуміло, що інша енергія піде на виділення тепла. Звичайно, ККД більш потужних світлодіодів (більше 1 вата) в 2 рази вище, але ж і енергії вони споживають більше.

Так що будь-який подібний світловий прилад в результаті виділяє певну кількість тепла, яке повинно кудись піти. Наприклад, в світловому діоді СМД2835 контакт анода становить трохи менше половини компонента, він-то і забезпечує необхідний відтік тепла, і це при тому, що він є слабкострумових. Виходить, що він вже з радіатором. А ось потужні світлодіоди вимагають до себе більшої уваги.

При постійно підвищеній температурі кристала довжина хвиль випромінювання зміщується, в результаті чого знижується яскравість і сильно зменшується термін служби. Виходить, що без радіатора при самостійному монтажі схеми з застосуванням потужних світлодіодів ніяк не обійтися.

Існуючі види радіаторів

Радіатори для світлодіодів

Охолоджуючі пристрої діляться за конструктивними особливостями на 3 основних типи і можуть мати круглу, квадратну або прямокутну форму, незалежно від того, пластинчастий це радіатор, стрижневий або ребристий.

Вибираючи охолоджувач або виготовляючи його власноруч, потрібно звернути особливу увагу на товщину його заснування, адже саме воно прийме на себе основне тепло, яке потім рівномірно розподілить по інших частинах радіатора.

На вибір форми охолоджуючого пристосування впливає пристрій самого майбутнього приладу, а саме те, як він буде охолоджуватися, чи буде вентиляція примусової або природної.

Від цього залежить відстань між пластинами. За умови відсутності примусової вентиляції воно не може бути менше 4 міліметрів. Якщо ж умова не дотримана, то толку від подібного пристрою охолодження не буде.

А ось форма значення для охолодження не має. Прикладом можуть послужити світлодіодні лампи. Проектувальникам доводиться, напевно, неабияк потрудитися, придумуючи варіант, при якому тепловідвід не виходитиме за розміри і форму самої лампочки, не зіпсує зовнішнього вигляду і при цьому ефективно виконає свою роботу. Іноді в таких випадках охолоджувальний пристрій кріпиться спеціальним теплопроводящим клеєм безпосередньо до друкованої плати.

Вихідний матеріал

Для виготовлення тепловідведення в наші дні найчастіше використовується алюміній. Вся справа в тому, що цей матеріал дуже зручний для подібних цілей, і при цьому досить дешевий. Але якщо мають значення габарити вироби, тоді краще міді навряд чи вдасться щось знайти, т. К. Вона має більшу провідність тепла, а значить і тепловідвід за розміром вийде в 2 рази менше.

Але ж не тільки ці два матеріали підходять для виготовлення охолоджувального пристрою? Має сенс зрозуміти, з якого ще сировини можна зробити тепловідвід і в чому їх відмінності.

За рівнем теплопровідності середній показник коливається в діапазоні від 200 до 240 Вт / м * К, що перевищує той же параметр латуні і заліза майже в 3 рази. В основному він залежить від наявності та кількості домішок в алюмінії. Звичайно, це зручний в обробці метал, тому і настільки поширений, але все ж таки за умови, що корпус пристрою малий, а охолодження потрібно пристойне, алюмінієвий радіатор поступається міді.

Показник даного металу в 2 рази перевищує теплопровідність алюмінію, поступаючись пальмою першості лише такому благородному металу, як срібло, і становить 400 Вт / м * К. Але при тому, що мідь так добре охолоджує, такі радіатори зустрічаються досить рідко. Вся справа в тому, що вона досить дорога, якщо порівнювати з алюмінієм, та до того ж складна в механічній обробці і має велику масу.

Виходить, якщо в лампу на світлодіодах встановлювати мідні охолоджувачі, то зросте його ціна, а це неприйнятно, т. К. В результаті фірма в умовах жорсткого ринку стане неконкурентоспроможною.

Параметр теплопровідності близький до параметрів алюмінію і становить 175-235 Вт / м * К. Зручна кераміка тим, що сама є діелектриком, що важливо в електронних і електричних схемах.

І все ж при подібній теплопровідності вона програє іншому, дуже зручному в зверненні матеріалу.

термопластик

Звичайно, параметри теплопровідності термопластика трохи нижче, ніж у алюмінію (від 5 до 40 Вт / м * К), але у нього є деякі переваги. Крім діелектричних властивостей він ще дуже легкий і має низьку вартість. Тільки от при проектуванні ламп на світлодіодах могутніше 10 ват він явно програє алюмінію і міді.

Охолодження світлодіодів великої потужності

Звичайно, світлодіоди, які мають потужність вище 10 Вт і нижче 50 Вт, немає сенсу забезпечувати примусовою вентиляцією - з їх охолодженням можуть цілком впоратися радіатори з міді або алюмінію. А ось при більшій потужності це стає проблематичним. Звичайно, немає нічого неможливого, але чи має сенс залишати природне охолодження при високій потужності приладу, якщо вага тільки охолоджувального пристрою буде 400 грам і більше?

В такому випадку доведеться поміркувати, як скомпонувати радіатор з невеликим кулером. Звичайно, це створить деякі труднощі в плані обладнання відсікання харчування в разі виходу з ладу вентилятора, а також і його харчування, але зате допоможе знизити вагу світлодіодного світильника.

Виходить, що людина ставиться перед вибором - або важкий і габаритний, але порівняно дешевий охолоджуючий елемент, або установка компактного радіатора, що має малу вагу, з кулером, пристроєм харчування і автоматикою відключення.

На це можна сказати, що як би не було добре пристрій охолодження, воно не забезпечить ідеального теплового опору. От саме для його зниження і застосовується спеціальна термопаста. Практичним досвідом обгрунтовано, що вона досить ефективна, а тому і застосовується повсюдно і в комп'ютерній техніці, і в побутовій електроніці. Якщо вона хорошої якості, то у неї буде низька в'язкість і хороша стійкість до затвердіння при підвищенні температури.

Радіатор з кулером

Площа елемента охолодження

Розрахувати площу охолоджуючого елемента для світлодіодної лампи можна двома способами - проектним і повірочним.

Суть проектного полягає в тому, щоб визначити геометричні розміри охолоджуваного приладу, а перевірочний спосіб - дія від зворотної точки, т. Е. Знаючи можливості радіатора по його розмірам, потрібно вирахувати, на який обсяг теплообміну він буде здатний.

Звичайно, вирішувати, який із варіантів найбільш прийнятний, потрібно окремо в кожному конкретному випадку, виходячи з наявних даних, але при будь-якому виборі необхідно розуміти, що потрібно рішення точної математичної задачі з формулами і безліччю невідомих. До того ж, крім довідкової літератури знадобляться дані графіків з подставлением до неї необхідні для формул, а також облік не тільки розміру і спрямованості решітки, яку має тепловідвід, але і зовнішніх впливів.

А ще має сенс врахувати країну-виробника світлодіодів, т. К. Китайці часто «радують» невідповідністю заявлених характеристик реальним.

Формула розрахунку радіатора

Це природно, що багатьом не хочеться через пару приладів виникають в настільки складні нетрі формул і таблиць, яких потрібно переглянути безліч. Але як зробити розрахунок? Існує більш спрощений варіант обчислень. Звичайно, він трохи поверховим і не враховує деяких факторів, але все ж розрахувати розміри тепловідводної елемента, хоч і приблизно, допоможе.

Якщо прийняти те, що S в цій формулі є площею охолоджуючого елемента (в кв. См), то виглядати вона буде наступним чином: Rθsa = 50 / √S.

Необхідно підставити в неї площа радіатора, не забуваючи врахувати і ребра, і бічні грані, і можна отримати дані елемента охолодження по його теплопровідність опору.

Ну а за такою формулою можна обчислити параметри потужності розсіювання: Pт = (Tj-Ta) / Rθja.

Т. к. Це найлегша спосіб обчислення, і він не враховує безліч нюансів, то отримані дані можна сміливо помножити на похибка, т. Е. На 0.7.