Декларираният експлоатационен живот на светодиодите се изчислява на десетки хиляди часа. За да се постигне такава висока производителност, без да се влошават оптичните характеристики, трябва да се използват мощни светодиоди заедно с радиатора. Тази статия ще позволи на читателя да намери отговори на въпроси, свързани с изчисляването и избора на радиатора, техните модификации и фактори, които влияят на отстраняването на топлината.
И защо ви е нужен?
Заедно с други полупроводникови устройства, светодиодът не е идеален елемент с коефициент на ефективност 100% (ECC). Повечето от консумираната от него енергия се разсейва в топлина. Точната стойност на ефективността зависи от вида на излъчването на диода и технологията за неговото производство. Ефективността на светодиодите с ниска мощност е 10-15%, а в съвременната бяла мощност над 1 W стойността му достига 30%, което означава, че останалите 70% се консумират в топлина.
Без значение какъв е светодиодът, за стабилна и дълготрайна работа, той изисква постоянно отнемане на топлината от кристала, т.е. В нисковолтова светодиодна функция на радиатора се правят заключенията (анод и катод). Например в SMD 2835 анодът е почти половината от дъното на елемента. При мощните светодиоди абсолютната величина на мощността се разсейва с няколко порядъка. Следователно те не могат да функционират правилно без допълнително отвеждане на топлината. Постоянното прегряване на излъчващия светлина кристал намалява срока на експлоатация на полупроводниковото устройство, спомага за гладка загуба на яркост отизместване на работната дължина на вълната.
видове
Конструктивно всички радиатори могат да бъдат разделени на три големи групи: ламелни, прътови и оребрени. Във всички случаи основата може да има форма на кръг, квадрат или правоъгълник. Дебелината на основата е от основно значение при избора, тъй като тази област е отговорна за получаване и равномерно разпределение на топлината по цялата повърхност на радиатора.
Форм-факторът на радиатора се влияе от бъдещия режим на работа:
- с естествена вентилация;
- с принудителна вентилация.
Охладителният радиатор за светодиодите, който ще се използва без вентилатор, трябва да има разстояние между краищата не по-малко от 4 mm. В противен случай естествената конвекция не е достатъчна за успешно премахване на топлината. Ярък пример е охладителната система на компютърните процесори, където поради мощния си вентилатор разстоянието между краищата се намалява до 1 мм.
При проектирането на LED осветление се придава голямо значение на външния им вид, който оказва голямо влияние върху формата на отвеждане на топлината. Например, системата за премахване на топлинната енергия на светодиодната лампа не трябва да излиза извън стандартната крушообразна форма. Този факт принуждава разработчиците да прибягват до различни трикове: да използват печатни платки с алуминиева основа, комбинирайки ги с корпуса на радиатора с горещи лепила.
Материали за производството на радиатори
Понастоящем охлаждането на мощни светодиоди се извършва главно върху алуминиеви радиатори. Такъв избор се дължи на лекота,ниска цена, способност за работа и добра топлопроводимост на този метал. Инсталирането на меден радиатор за светоизлъчващ диод е оправдано в лампа, където размерите са от първостепенно значение, тъй като медът разсейва топлината повече от два пъти повече от алуминия. Свойствата на материалите, които най-често се използват за охлаждане на мощни светодиоди, са разгледани по-подробно.
алуминий
Коефициентът на топлопроводимост на алуминия е в границите от 202-236 W /m * K и зависи от чистотата на сплавта. По този показател той е 2,5 пъти по-висок от желязото и месинга. Освен това, алуминият е обект на различни видове механична обработка. За да се повишат топлопреносните свойства, алуминиев радиатор е анодизиран (с черно покритие).
мед
Топлинната проводимост на медта е 401 W /m * K, което води само до сребро към други метали. Въпреки това, медни радиатори са много по-малко алуминий, поради наличието на редица недостатъци:
- високата цена на медта;
- сложна механична обработка;
- много тегло.
Използването на мед охлаждане дизайн води до повишаване на цената на светлина, което е неприемливо в конкурентна среда.
керамика
нови решения за създаване на висока ефективност teplootvodov става alyumonitridnaya керамика, топлопроводимост от които е 170-230 W /m * K Този материал има ниска грапавост и високи диелектрични свойства.
С използването на термопластични материали
Въпреки факта, че. \ TСвойствата на топлопроводимите пластмаси (3-40 W /m * K) са по-лоши от алуминия, като основните им предимства са ниската цена и лекотата. Много производители на LED лампи използват термопласти, за да направят случая. Въпреки това, термопластиката губи конкуренцията с метални радиатори при проектирането на LED лампи с капацитет над 10 вата.
Характеристики на охлаждане на мощни светодиоди
Както беше отбелязано по-рано, възможно е да се осигури ефективно отстраняване на топлината от светодиода чрез организация на пасивно или активно охлаждане. Светодиодите с консумирана мощност до 10 вата се препоръчват да се монтират на алуминиеви (медни) радиатори, тъй като теглото и размерите им ще имат приемливи стойности.
Използването на пасивно охлаждане за светодиоди с мощност от 50 W или повече става трудно; размерите на радиатора ще бъдат десетки сантиметри, а масата ще се увеличи до 200-500 грама. В този случай си струва да помислим за използването на компактен радиатор заедно с малък вентилатор. Този тандем ще намали теглото и размера на охладителната система, но ще създаде допълнителни трудности. Вентилаторът трябва да бъде снабден с подходящо захранващо напрежение и да се грижи за защитния изключвател на светодиодната лампа в случай на повреда на охладителя.
Има и друг начин за охлаждане на мощни светодиоди. Той се състои в използването на готовия модул SynJet, който прилича на охладител на видеокарта със среден размер. Модулът SynJet се отличава с висока производителност, топлинаустойчивост не повече от 2 ° C /W и тегло до 150 гр. Точният му размер и тегло зависят от конкретния модел. Недостатъците включват необходимостта от източник на енергия и висока цена. В резултат на това се оказва, че LED матрица от 50 вата трябва да бъде монтирана или на тромав, но евтин радиатор, или на малък радиатор с вентилатор, захранване и система за защита.
Независимо от радиатора, той може да осигури добър, но не най-добър термичен контакт с облицовката на светодиода. За да намалите топлинното съпротивление върху контактната повърхност, приложете топлопроводяща паста. Ефективността на нейното влияние се доказва от широкото използване в охладителните системи на компютърните процесори. Висококачествената термопаста е устойчива на втвърдяване и има нисък вискозитет. Когато се приложи към радиатора (основата), има достатъчно един тънък пласт по цялата площ на сблъсъка. След притискане и фиксиране дебелината на слоя е около 0.1 mm.
Изчисляване на площта на радиатора
Съществуват два метода за изчисляване на радиатора за светодиод:
- дизайн, чиято същност е да се определят геометричните размери на конструкцията при даден температурен режим;
- е тест, който включва действие в обратен ред, т.е. с известните параметри на радиатора, можете да изчислите максималното количество топлина, което може ефективно да се разсейва.
Използването на един или друг вариант зависи от наличните изходни данни. Във всеки случай точното изчисление е сложен математически проблем с множество параметри. с изключение навъзможността да се използва референтната литература, да се вземат необходимите данни от графиките и да се замени в съответните формули трябва да се вземе предвид конфигурацията на прътите или ръбовете на радиатора, тяхната ориентация, както и влиянието на външни фактори. Струва си да се вземе предвид и качеството на самите светодиоди. Често в светодиодите на китайското производство действителните характеристики се различават от заявените.
точно изчисление
Преди да пристъпим към формулирането и изчисленията, е необходимо да се запознаем с основните термини в областта на разпределението на топлинната енергия. Топлинната проводимост е процес на прехвърляне на топлинна енергия от по-нагрято физическо тяло към по-малко нагрявано. Количествено, топлопроводимостта се изразява като коефициент, който показва колко топлина може да предаде материала през единица площ, когато температурата се промени с 1 ° K. При LED осветление всички части, участващи в енергийния обмен, трябва да имат висока топлопроводимост. В частност, това се отнася до прехвърлянето на енергия от кристала към тялото, а след това към радиатора и въздуха.
Конвекцията също е процес на пренос на топлина, който се дължи на движението на молекули на течности и газове. По отношение на светодиодните тела се счита, че се взема предвид енергийният обмен между радиатора и въздуха. Това може да бъде естествена конвекция, която се дължи на естественото движение на въздушния поток или на принуда, организирана чрез инсталиране на вентилатор.
В началото на статията беше отбелязано, че около 70% от консумираната от светодиода мощност се изразходва в топлина. чеизчислете радиатора за светодиодите, трябва да знаете точното количество разсейвана енергия. За целта използваме формулата:
PT = k * Upr * Yipr, където:
PT - изходна мощност под формата на топлина, W;
k - коефициент, отчитащ процента на енергията, преминаваща в топлина. Тази стойност за светодиодите с висока мощност се приема за 0.7-0.8;
Upr - директен спад на напрежението на светодиода при номинален ток, B;
Т.е. - номинален ток, А.
Време е да се изчисли броят на препятствията, разположени по пътя на преминаване на топлинния поток от кристала към въздуха. Всяка намеса е термично съпротивление (термично съпротивление), което е обозначено със символа (R °, градуси /W). За яснота цялата охладителна система е представена под формата на заместителна верига от серийно-паралелното включване на топлинното съпротивление
.R? Ja = R? Jc + R Cs + R Вие къде:
R? Jc - термично съпротивление p-n-преходна кутия (разклонител);
R? Cs - термоустойчив корпус-радиатор (радиатор case-surfase);
R? Sa-термично съпротивление на радиаторния въздух (surfase radiator-air).
Ако е предвидено да се инсталира светодиод на печатна платка или да се използва термопаста, е необходимо също да се вземат предвид техните термични опори. На практика стойността на R? Можете да го дефинирате по два начина.
Изчислява се по формулата R? Ja = (Tj-Ta) /Pt, където:
R? Ако - съпротивление на p-n-прехода;
Tj - максимална температура на p-n-прехода (референтен параметър), ° C;
Ta - температура на въздуха в близост до радиатора, ° C.
R? Sa = r Ja-R? Jc-R? Cs, къде е R? Jc и R? Cs - референтни опции.
Намерете от графиката зависимостта на максималната топлинасъпротивление от постоянен ток ".
За известния R? Вие избирате стандартен радиатор. При този паспорт стойността на термичната устойчивост трябва да бъде малко по-малка от очакваната.
Приблизителна формула
Много радиолюбители са свикнали да използват в своите самостоятелно изработени радиатори, останали от старото електронно оборудване. В същото време те не искат да се ровят в сложни изчисления и да купуват скъпи нови продукти на вносното производство. Като правило, те се интересуват само от въпроса: "Каква мощност може да съществува съществуващия алуминиев радиатор за светодиоди дифузен?"
Предлагаме да се използва проста емпирична формула, която ни позволява да получим приемлив резултат от изчислението: R? Sa = 50 /vS, където S е площта на повърхността на радиатора в cm2.
Като заместим в тази формула известната стойност на общата площ за отвеждане на топлината, като вземем предвид повърхността на ръбовете (прътовете) и страничните повърхности, получаваме нейната термична устойчивост.
Допустимата мощност на разсейване се намира от формулата: Pt = (Tj-Ta) /R? Ja.
Горното изчисление не взема предвид много нюанси, които влияят на качеството на цялата охладителна система (посока на радиатора, температурни характеристики на светодиода и др.). Затова се препоръчва резултатът да се умножи по коефициента на запаса - 0,7.
Радиатор за светоизлъчващ диод със собствени ръце
Изработването на алуминиев радиатор за 1, 3 или 10 W светодиоди е лесно. Първо, нека разгледаме една проста конструкция, която изисква около половин час да се направи и кръгла плоча с дебелина 1-3 мм. В кръг на всеки 5 mmнаправете разфасовки до центъра, а получените сектори са леко огънати, така че завършеният дизайн прилича на работно колело. За монтиране на радиатора към корпуса в няколко сектора, отвори. Малко по-трудно е да направите домашно направен радиатор за 10-ватовия светодиод. За да направите това, ви е необходим 1 метър алуминиева лента с ширина 20 mm и дебелина 2 mm. Първо, лентата се напръсква с нож на 8 равни части, които след това се натрупват, пробиват и издърпват болт с гайка. Една от страничните повърхности е шлифована при монтажа на LED матрицата. С помощта на длето, лентите се разширяват в различни посоки. В местата, където е монтиран светодиодният модул, пробийте отвори. На полираната повърхност нанесете горещата стопилка, поставете матрицата отгоре, закрепете я с винтове.
Евтини топлопроводници за аматьорско облекло
Особено за любители, които обичат да експериментират с различни материали за отвеждане на топлината и не искат да харчат пари за скъпи готови продукти, дават някои препоръки за търсене и производство на радиатори със собствените си ръце. За охлаждане на светодиодните ленти и линийки, мебелният профил на алуминия е напълно подходящ. Те могат да бъдат водачи за гардероб или кухненски аксесоари, балансите на които могат да бъдат закупени на цена в магазина за мебели.
Радиаторите от съветските касетофони и усилватели, които са повече от достатъчно на радио пазарите на всеки град, ще бъдат подходящи за охлаждане на светодиодни масиви от 3 до 10 вата. Можете да използвате и резервни части от старото офис оборудване.
Собствено производствоОхлаждането за 50 W LED може да бъде направено от радиатор от дефектна резачка, косачка за трева, чрез пръскане на няколко части. Можете да закупите такива резервни части в сервизите на цената на скрапа. Разбира се, можете да забравите за естетическите качества на LED лампата в този случай.
