Deklarovaná životnost LED diod je odhadována na desítky tisíc hodin. Aby se dosáhlo takového vysokého výkonu, aniž by došlo ke zhoršení optických vlastností, měly by být ve spojení s chladičem používány výkonné LED diody. Tento článek umožní čtenáři najít odpovědi na otázky spojené s výpočtem a výběrem chladiče, jejich modifikacemi a faktory ovlivňujícími odstranění tepla.
A proč to potřebujete?
Vedle ostatních polovodičových zařízení LED není ideální prvek se 100% efektivním faktorem (ECC). Většina energie, kterou spotřebovává, se rozptyluje teplem. Přesná hodnota účinnosti závisí na druhu záření emitovaného diodou a technologii její výroby. Účinnost LED s nízkou spotřebou činí 10-15% a u moderního bílé energie vyšší než 1 W její hodnota dosahuje 30%, což znamená, že zbývajících 70% je spotřebováno v teple.
Bez ohledu na to, co LED, pro stabilní a dlouhodobý provoz, vyžaduje konstantní odvod tepla z krystalu, tedy chladiče. Ve funkci nízké spotřeby chladiče proveďte závěry (anoda a katoda). Například v SMD 2835 je anoda téměř polovina dna prvku. U silných LED diod se absolutní velikost výkonu rozptýlí o několik řádů. Proto nemohou správně fungovat bez dodatečného odvodu tepla. Trvalé přehřátí krystalu vyzařujícího světlo v době omezuje životnost polovodičového zařízení, podporuje hladkou ztrátu jasu zposunutí pracovní vlnové délky.
druhy
Strukturálně lze všechny radiátory rozdělit do tří velkých skupin: lamelové, tyčové a žebrované. Ve všech případech může mít základna kruhový, čtvercový nebo obdélníkový tvar. Tloušťka základny má zásadní význam při výběru, protože tato oblast je odpovědná za příjem a rovnoměrné rozdělení tepla po celé ploše chladiče.
Faktor tvaru radiátoru je ovlivněn budoucím režimem činnosti:
- s přirozeným větráním;
- s nuceným větráním.
Chladicí radiátor pro LED, který bude použit bez ventilátoru, musí mít vzdálenost mezi okraji minimálně 4 mm. V opačném případě přirozená konvekce nestačí k úspěšnému odstranění tepla. Živým příkladem je chladicí systém počítačových procesorů, kde díky silnému ventilátoru se vzdálenost mezi okraji zmenší na 1 mm.
Při navrhování osvětlení LED je důležitý jejich vzhled, který má velký vliv na formu odvodu tepla. Například systém pro odstranění tepelné energie LED lampy by neměl přesahovat standardní formu tvaru hrušky. Tato skutečnost nutí vývojáře uchýlit se k různým trikům: používat desky s tištěnými spoji s hliníkovou základnou, které je kombinují s tělesem chladiče s tavnými lepidly.
Materiály pro výrobu radiátorů
V současné době je chlazení výkonných LED hlavně vyráběno na radiátorech z hliníku. Taková volba je způsobena lehkostí,nízká cena, schopnost manipulovat a dobrá tepelná vodivost tohoto kovu. Instalace měděného chladiče pro světelnou diodu je opodstatněná v lampě, kde rozměry mají zásadní význam, protože měď rozptýlí teplo více než dvojnásobně než hliník. Vlastnosti materiálů, které se nejčastěji používají k chlazení vysoce výkonných diod LED, jsou podrobněji popsány.
hliník
Koeficient tepelné vodivosti hliníku je v rozmezí 202-236 W /m * K a závisí na čistotě slitiny. Tento indikátor je 2,5krát vyšší než železo a mosaz. Kromě toho je hliník podroben různým typům obrábění. Pro zvýšení vlastností přenosu tepla je hliníkový chladič eloxován (černo pokovený).
měď
Tepelná vodivost mědi je 401 W /m * K, což dává pouze stříbro jiným kovům. Nicméně, měděné radiátory jsou shledány mnohem méně často hliníkem, kvůli přítomnosti množství nedostatků:
- vysoká cena mědi;
- komplexní mechanické zpracování;
- hodně váhy.
Použití měděné chladicí konstrukce vede ke zvýšení nákladů na světle, které je nepřijatelné v konkurenčním prostředí.
keramika
nová řešení pro vytvoření vysoce účinný teplootvodov stal alyumonitridnaya keramiky, tepelná vodivost, která je 170 až 230 W /m * K Tento materiál má nízkou drsnost a vysoké dielektrické vlastnosti.
s použitím termoplastického
Navzdory tomu, žeVlastnosti tepelně vodivých plastů (3-40 W /m * K) jsou horší než hliník, jejich hlavní výhodou je nízká cena a snadnost. Mnoho výrobců LED svítidel používá termoplasty k tomu, aby případ. Termoplast však ztrácí konkurenci s kovovými radiátory v konstrukci LED svítidel o výkonu více než 10 wattů.
Chlazení výkonných LED
Jak bylo uvedeno výše, je možné zajistit účinné odvedení tepla z LED prostřednictvím organizace pasivního nebo aktivního chlazení. LED diody se spotřebou energie do 10 wattů se doporučují instalovat na hliníkové (měděné) radiátory, protože jejich hmotnost a rozměry budou mít přijatelné hodnoty.
Je obtížné používat pasivní chlazení pro LED s výkonem 50 W nebo více; rozměry chladiče budou desítky centimetrů a hmotnost se zvýší na 200-500 gramů. V tomto případě stojí za to přemýšlet o použití kompaktního chladiče spolu s malým ventilátorem. Tento tandem snižuje hmotnost a velikost chladicího systému, ale vytvoří další potíže. Ventilátor musí být vybaven příslušným napájecím zdrojem a při případném poruše chladiče dbát i na ochranný vypínač LED kontrolky.
Existuje další způsob, jak ochladit výkonné LED diody. Spočívá v použití hotového modulu SynJet, který vypadá jako středně velký chladič grafické karty. SynJet modul se vyznačuje vysokým výkonem, tepelnýmodolnost nejvýše 2 ° C /W a hmotnost až 150 g. Přesná velikost a váha závisí na konkrétním modelu. Nevýhody zahrnují potřebu zdroje energie a vysoké náklady. Výsledkem je, že LED matice 50 W musí být namontována buď na těžkopádném, ale levném radiátoru, nebo na malém radiátoru s ventilátorem, napájecím zdrojem a ochranným systémem.
Bez ohledu na chladič je schopen poskytnout dobrý, ale ne nejlepší termický kontakt s podšívkou LED. Pro snížení tepelného odporu na kontaktní ploše aplikujte tepelně vodivou pastu. Účinnost jeho vlivu dokládá rozšířené využití počítačových procesorů v chladicích systémech. Vysoce kvalitní termopasta je odolná vůči vytvrzení a má nízkou viskozitu. Při aplikaci na radiátor (podklad) je na celé ploše kolize dostatek jedné tenké rovnoměrné vrstvy. Po upnutí a připevnění je tloušťka vrstvy asi 0,1 mm.
Výpočet plochy radiátoru
Existují dva způsoby výpočtu chladiče pro světelnou diodu:
- , jehož podstatou je určit geometrické rozměry konstrukce v daném teplotním režimu;
- je test, který zahrnuje činnost v opačném pořadí, tj. Se známými parametry chladiče, můžete vypočítat maximální množství tepla, které může účinně rozptýlit.
Použití jednoho nebo druhého variantu závisí na dostupných výstupních datech. V každém případě je přesný výpočet komplexním matematickým problémem s množstvím parametrů. S výjimkouschopnost používat příručky, aby se potřebná data s grafy a vystavit je na příslušnou vzorce je třeba brát v úvahu uspořádání tyčí nebo žeber radiátoru jejich zaměření a dopad vnějších faktorů. Je také třeba vzít v úvahu kvalitu samotných LED diod. Často v LED čínské výroby se skutečné charakteristiky liší od těch, které jsou nárokovány.
přesný výpočet
Předtím, než přistoupíme ke vzorcům a výpočtům, je třeba se seznámit s hlavními pojmy v oblasti distribuce tepelné energie. Tepelná vodivost je proces přenášení tepelné energie z více ohřátého tělesného tělesa na méně ohřátou. Kvantitativně, tepelná vodivost je vyjádřena jako poměr, který ukazuje, jak mnoho tepla je schopen zprostředkovat materiálu skrz jednotku plochy, když je teplota 1 ° K LED ve všech částech se podílejí na metabolismu energie, musí mít vysokou tepelnou vodivost. Zejména se jedná o přenos energie z krystalu na tělo a pak na chladič a vzduch.
Konvekce je také proces přenosu tepla, který vzniká v důsledku pohybu molekul kapalin a plynů. Pokud jde o LED svítidla, je třeba vzít v úvahu výměnu energie mezi chladičem a vzduchem. Může to být přirozená konvekce, která nastává v důsledku přirozeného pohybu proudění vzduchu, nebo donucovací, organizovaná instalací ventilátoru.
Na začátku článku bylo zjištěno, že asi 70% energie spotřebované LED je spotřebováno v teple. Chcete-livypočítat radiátor LED, potřebujete znát přesné množství energie rozptýlené. K tomu použijeme vzorec:
PT = k * Upr * Yipr, kde:
PT - výkon ve formě tepla, W;
k - koeficient zohledňující procento energie procházející do tepla. Tato hodnota pro LED diody s vysokým výkonem je 0,7-0,8;
Upr - přímý pokles napětí na LED při proudění jmenovitého proudu, B;
Tzn. Nominální proud, A.
Je čas na výpočet počtu překážek, které se nacházejí na cestě procházení toku tepla z krystalu do vzduchu. Každým rušením je tepelný odpor (termický odpor), který je označen symbolem (R?, Stupně /W). Pro přehlednost je celý systém chlazení reprezentován ve formě obvodu nahrazení ze sériového paralelního zahrnutí tepelného odporu
R? Ja = R? Jc + R Cs + R Nacházíte se:
R? Jc - tepelná odolnost p-n-junction-případ (křižovatka);
R? Cs - radiátor s tepelnou odolností (radiátor s kufříkem);
R? Tepelná odolnost radiátoru-vzduchu (surfasový radiátor-vzduch).
Je-li určena instalace LED na desku s plošnými spoji nebo pro použití termoplastu, je také třeba vzít v úvahu její tepelné opěry. V praxi hodnota R? Můžete jej definovat dvěma způsoby.
Vypočítte podle vzorce R? Ja = (Tj-Ta) /Pt, kde:
R? Pokud - odpor p-n-přechod vzduchu;
Tj - maximální teplota p-n-křižovatky (referenční parametr), ° C;
Teplota vzduchu v blízkosti radiátoru, ° C
R? Sa = r Ja-R? Jc-R? Cs, kde je R? Jc a R? Cs - referenční možnosti.
Najděte z grafu "závislost maximálního tepelnéhoodpor proti stejnosměrnému proudu ".
Pro slavné R? Vybíráte standardní chladič. V tomto pasu by hodnota tepelného odporu měla být o něco nižší než odhad.
Přibližný vzorec
Mnoho rádioamatérů je zvyklé na to, že používají ve svých vlastních radiátorech zbývající ze starých elektronických zařízení. Zároveň se nechtějí ponořit do složitých výpočtů a kupovat drahé nové produkty dovážené produkce. Zpravidla se zajímají pouze o otázku: "Jakou sílu může existující hliníkový chladič pro světelné diody rozptýlit?"
Navrhujeme použít jednoduchý empirický vzorec, který nám umožňuje získat přijatelný výsledek výpočtu: R? Sa = 50 /vS, kde S je plocha povrchu chladiče v cm2.
Nahrazení známé hodnoty celkové plochy pro odstranění tepla v tomto vzorci, s přihlédnutím k povrchu okrajů (prutů) a bočních ploch, získáme jeho tepelný odpor.
Přípustná síla rozptylu je zjištěna ze vzorce: Pt = (Tj-Ta) /R? Ano
Výše uvedený výpočet nezohledňuje mnoho nuancí, které ovlivňují kvalitu celého chladicího systému (směr chladiče, teplotní charakteristiky LED atd.). Proto se doporučuje výsledek vynásobit koeficientem zásob - 0,7.
Radiátor pro světelnou diodu s vlastními rukama
Vytváření hliníkového chladiče pro 1, 3 nebo 10 W LED je snadné. Za prvé, uvažujme o jednoduché konstrukci, která vyžaduje zhruba půl hodiny a kruhová deska o tloušťce 1-3 mm. V kruhu každých 5 mmdělejte řezy do středu a výsledné sektory jsou mírně ohnuté, takže konečná konstrukce připomíná oběžné kolo. Pro montáž radiátoru na skříň v několika sektorech otvory. Je to o něco těžší vyrobit domácí chladič pro 10-wattovou LED. K tomu potřebujete 1 metr hliníkového pásu o šířce 20 mm a tloušťce 2 mm. Za prvé, pás je postřikován nožem na 8 rovných částech, které pak stohují, vrtá a protahuje šroub s maticí. Jedna z bočních ploch je broušena pod upevněním LED matice. Pomocí dláta se pásy rozšiřují v různých směrech. Na místech, kde je namontován modul LED, vyvrtejte otvory. Na leštěném povrchu aplikujte horkou taveninu, položte matici nahoře a upevněte ji šrouby.
Lacné tepelné vodiče pro amatérské oděvy
Zvláště pro amatéry, kteří chtějí experimentovat s různými materiály pro odvod tepla a nechtějí utrácet peníze na drahé hotové výrobky, uveďte některé doporučení pro vyhledávání a výrobu radiátorů vlastním rukama. Pro ochlazení LED pásů a pravítka je nábytkový profil hliníku dokonale vhodný. Mohou to být návody pro šatní skříň nebo kuchyňské doplňky, jejichž zůstatky lze zakoupit v ceně v prodejně nábytku.
K ochlazení LED matici W 3-10 vhodných radiátorů sovětské rekordérů a zesilovačů, což je více než dost rozhlasových trhů v každém městě. Můžete také použít náhradní díly ze starého kancelářského vybavení.
VlastníChlazení na 50 W LED může být provedeno z chladiče z vadné motorové pily, sekačky na trávu, stříkáním do několika částí. Takové náhradní díly si můžete zakoupit v servisu za cenu šrotu. Samozřejmě můžete v tomto případě zapomenout na estetické vlastnosti LED lampy.
