Спасительная прохлада, или теплоотвод для мощных светодиодных матриц

2 января 2014

CreeстатьяLED

Благодаря высокому световому потоку и длительному сроку жизни (порядка десятков тысяч, а то и сотен тысяч часов), светодиодные светильники являются очень конкурентоспособным решением. Тем не менее, у многих поставщиков и производителей светодиодных светильников возникают трудности при работе с новыми мощными светодиодами (от 20 Вт). И особенно частой проблемой является проектирование правильного и надежного отвода тепла. Неверно выбранный тепловой режим работы светодиода может привести к нежелательным последствиям. В первую очередь, перегрев может привести к выходу светодиода из строя. У всех светодиодов компании CREE критическая температура перехода — 150°С превышение этого порога приведет к выгоранию кристалла светодиода и долгому процессу ремонта.

Во-вторых, работа при повышенных температурах значительно уменьшает срок службы светодиодов (рисунок 1). На графике изображены зависимости для трех температур в «точке пайки» светодиода: 55, 85 и 105°С. Графики с пометкой LM-80 показывают время, в течение которого проводились испытания. Графики с пометкой TM-21 отображают снижение светового потока от изначального уровня в зависимости от времени. Как видно из графиков, при повышенной температуре работы срок службы светодиодов значительно сокращается: при 105°С срок службы светодиодов на 200 тысяч часов меньше, чем при температуре 85°С.

Также от температуры зависят следующие параметры светодиода:

Величина светового потока. На рисунке 2 изображена зависимость величины относительного светового потока от температуры для светодиодов серии MKR компании CREE. Как видно из графика, с увеличением температуры перехода светодиода величина светового потока уменьшается, и наоборот — при хорошем охлаждении поток возрастает.

Прямое падение напряжения. С изменением температуры меняется и величина прямого падения напряжения на светодиоде (Vf). С увеличением температуры напряжение уменьшается. Величина изменения напряжения зависит от конкретной модели. В таблице 1 приведены значения коэффициентов зависимости напряжения от температуры для серий светодиодов MKR и MKR2. Важно принимать во внимание значение данного параметра и выбрать драйвер для осветительной системы так, чтобы он мог обеспечивать необходимое напряжение во всем рабочем диапазоне температур светодиода.

Таблица 1. Значения коэффициентов зависимости напряжения от температуры для серий светодиодов MKR и MKR2

Как видно из графиков (рисунки 1, 2), при температурах меньше 100°С световой поток уменьшается незначительно, а при температуре 85°С равен 100%. В последнее время тестирование светодиодов проходит при температуре перехода 85°С, поэтому при температурах ниже 85°С на графиках наблюдается увеличение светового потока. Данную температуру и будем считать рабочей температурой для светодиодов компании CREE.

Рис. 1. Время жизни светодиодов XPG, в зависимости от температуры

Рис. 2. Зависимость светового потока от температуры перехода на примере светодиода серии MKR

А теперь опишем методику расчета и подбора теплоотвода для мощных светодиодов. Светодиод, как и любой другой электронный прибор, не обладает значением КПД 100%, а это значит, что часть потребляемой мощности преобразуется в тепло. Современные светодиоды обладают КПД порядка 30…40%, то есть в среднем 60…70% потребляемой мощности преобразуется в тепло. К примеру, при использовании 20 ваттной светодиодной матрицы необходимо рассеивать 12 Вт тепла, а это довольно много. Компания CREE в документе «XLampThermalManagement» рекомендует пользоваться допущением, что в тепло преобразуется 75% потребляемой мощности, данное предположение позволяет перестраховаться при разработке теплоотвода. Мощность, которую требуется рассеивать, можно рассчитать по формуле:

(1)

где:

Pt — тепловая мощность (Вт);

Vf — прямое падение напряжения на светодиоде (В);

If — ток через светодиод (А).

Перед описанием методики расчета системы охлаждения скажем несколько слов о теории теплопередачи.

Основной вклад в охлаждение светодиодных светильников вносят теплопроводность и конвекция.

Теплопроводность — это процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. В светильниках за счет прямого контакта тепло передается от светодиода в печатную плату, а затем — в радиатор, либо, если светодиод установлен непосредственно на радиатор, то сразу в радиатор. Для расчета количества тепла, переданного за счет теплопроводности, можно воспользоваться формулой:

(2)

где:

Qcond — количество тепла, переданного через материал (Вт);

k — коэффициент теплопроводности материала (Вт/(м*К));

A — площадь пересечения материалов, через которую проходит тепло (м2);

DT — градиент температуры (К);

Dx — расстояние, которое проходит тепло (м).

Конвекция — это передача за счет движения потоков жидкостей или газов. Обычно в светодиодных светильниках это передача тепла от радиатора в окружающую среду (как правило, воздух). Существует два варианта конвекции: естественная и принудительная. При естественной конвекции тепло передается за счет уже существующих потоков воздуха, вызванных перепадом температур. В принудительной конвекции движение потоков жидкости или газов создается за счет дополнительных устройств, таких как вентилятор, насос и т.п.

Количество тепла, рассеянного при помощи конвекции, можно рассчитать по формуле:

(3)

где:

Qconv — количество тепла, рассеянного при помощи конвекции (Вт);

h — коэффициент теплопередачи (Вт/(м2*К));

A — площадь поверхности излучающего элемента (м2);

DT — разница между температурой излучающего элемента и температурой окружающей среды (К).

Основная проблема в подсчете количества тепла, рассеянного при помощи конвекции — это определение коэффициента h. Значение коэффициента h может значительно меняться, в зависимости от геометрии радиатора, граничных условий и прочих параметров. К примеру, при естественной конвекции коэффициент h находится в пределах 5…20 Вт/(м2*К). А для систем с принудительной конвекцией коэффициент теплопередачи может достигать значений 100 Вт/(м2*К) при воздушном охлаждении, и вплоть до 1000 Вт/(м2*К) — при жидкостном. В светодиодном освещении обычно используется естественное воздушное охлаждение, для расчетов таких систем значение коэффициента теплопередачи можно принять равным 10 Вт/(м2*К).

Систему охлаждения светодиодов можно представить в виде эквивалентной схемы последовательно и параллельно подключенных тепловых сопротивлений. В качестве примера для составления эквивалентной цепи возьмем матрицу из n светодиодов, установленных на печатной плате, прикрепленной к радиатору (рисунок 3).

Рис. 3. Эквивалентная схема тепловых сопротивлений

В данном случае эквивалентная схема будет состоять из n тепловых сопротивлений «переход светодиода — контакт» (на схеме обозначены как Qj-sp), соединенных параллельно. Затем — из n тепловых сопротивлений «контакт — печатная плата» (Qsp-pcb). Также необходимо учесть тепловые сопротивления между печатной платой и теплопроводящим материалом (Qpcb-tim), между теплопроводящим материалом и радиатором (Qtim-hs) и, наконец, между радиатором и окружающей средой (Qhs-a).

В узлах этой эквивалентной схемы можно измерить температуру, к примеру, в точке Theatsink можно измерить температуру радиатора.

В случае, если в осветительном устройстве используется всего один светодиод, эквивалентная схема будет представлять собой цепочку тепловых сопротивлений, соединенных последовательно. В свою очередь, тепловое сопротивление всей системы охлаждения — это сумма всех тепловых сопротивлений. Для светильника из одного светодиода, установленного на печатную плату и на радиатор, тепловое сопротивление всех системы охлаждения высчитывается по следующей формуле:

Чем меньше значение полного теплового сопротивления, тем лучше тепло отводится от светодиода. Тепловое сопротивление между элементами a и b рассчитывается по формуле:

(4)

где:

Qa-b — тепловое сопротивление между элементами a и b (°С/Вт);

Ta — температура элемента a (°С);

Tb — температура элемента b (°С);

Pt — мощность, рассчитываемая по формуле 1.

Компания CREE в документации на свои светодиоды предлагает график зависимости максимального тока от температуры. Пример такого графика изображен на рисунке 4. Зная максимальный ток и предположительную температуру окружающей среды, можно рассчитать значение мощности, которую необходимо рассеивать, и, соответственно, можно получить значение максимального теплового сопротивления системы охлаждения, что позволит подобрать радиатор и теплопроводящие материалы.

Рис. 4. Зависимость максимального тока от температуры для светодиодов MKR

Рассмотрим более подробно, какой вклад вносят в общее тепловое сопротивление такие элементы как печатная плата, теплопроводящие материалы и радиатор.

Печатная плата. Большинство светодиодов компании CREE необходимо устанавливать на плату (для подвода цепей питания светодиода и механического монтажа). От выбора материала печатной платы и топологии в значительной степени зависит тепловое сопротивление. К примеру, для стандартных плат FR4 тепловое сопротивление может составлять 20…80°С/Вт, в то время как для плат на металлической подложке тепловое сопротивления будет составлять единицы °С/Вт. Компания CREE предлагает руководство «optimizing pcb Thermal performance» по проектированию печатных плат для светодиодов, в нем изложены рекомендации к топологии печатной платы для уменьшения теплового сопротивления. Также можно использовать светодиоды, монтируемые непосредственно на радиатор. В этом случае печатная плата не будет вносить вклад в суммарное тепловое сопротивление.

Теплопроводящие материалы необходимы для создания хорошего теплового контакта между печатной платой и радиатором или между светодиодом и радиатором. Помимо создания надежного теплового контакта, некоторые теплопроводящие материалы, в зависимости от дизайна охлаждающей системы, могут выполнять и другие функции, такие как изоляция электрических узлов схемы или создание механического крепления. Ниже в таблице 2 представлены характеристики основных теплопроводящих материалов.

Таблица 2. Характеристики теплопроводящих материалов

При выборе теплопроводящего материала необходимо учесть многие параметры, не только величину теплопроводности. Часто упускают из виду толщину клеевого слоя материала, а как следует из формулы (5), приведенной ниже, тепловое сопротивление напрямую зависит от этого параметра. Производители теплопроводящих материалов предоставляют информацию об основных параметрах в документации, и для верного выбора теплопроводящего материала очень важно понимать влияние каждого из этих параметров на работу системы охлаждения. Иногда более тонкий клеевой слой с плохим значением теплопроводности имеет более низкое тепловое сопротивление по сравнению с более толстым слоем, но с лучшим значением теплопроводности. Оба этих условия необходимо учитывать при выборе материалов. Тепловое сопротивление теплопроводящего материала описывается формулой:

(5)

где:

Qtim — тепловое сопротивление теплопроводящего материала (°С/Вт);

L — толщина слоя (м);

K — теплопроводность (Вт/м*К);

A — площадь контакта (м2).

Радиатор — это, пожалуй, самый важный элемент в системе охлаждения светодиода; он отводит тепло от печатной платы или напрямую от светодиода, и рассеивает тепло в воздухе. К радиатору предъявляются следующие требования: материал радиатора должен быть с высоким значением теплопроводности, площадь поверхности радиатора должна быть максимальной. Помимо охлаждения, радиатор может выполнять и другие функции, наиболее часто он может выступать в роли корпуса либо держателя. В таблице 3 указаны теплопроводности некоторых материалов. Причем радиаторы из одного и того же материала, но сделанные при различных способах обработки поверхности, могут обладать разными коэффициентами теплопроводности. К примеру, радиатор из анодированного алюминия за счет излучения обладает большим коэффициентом теплопроводности, чем обычный алюминиевый радиатор.

Таблица 3. Теплопроводность некоторых материалов

Часто к светодиодным светильникам предъявляются довольно серьезные требования по габаритам, вследствие чего может возникнуть потребность в проектировании радиатора под конкретные требования. При проектировании радиатора требуется учесть вес конечного изделия, стоимость, тепловые параметры, возможность дальнейшего производства.

Обычно используются литые или кованые алюминиевые радиаторы. Анодированный алюминиевый радиатор обладает большим коэффициентом излучения.

Проектирование радиатора может быть довольно сложным занятием, в котором необходимо учитывать габаритные ограничения, стоимость, вес, возможность серийного производства. Ниже даны несколько рекомендаций по проектированию радиаторов:

• площадь поверхности радиатора должна быть максимально большой;
• в качестве грубой оценки можно взять следующее предположение: на 1Вт рассеиваемого тепла требуется радиатор площадью 32…65 см2;
• для верного расположения радиатора, для обеспечения хорошего потока воздуха между его ребрами необходимо хорошо представлять, как, в конечном итоге, будет крепиться светодиодный светильник;
• необходим материал с хорошей теплопроводностью;
• используйте радиаторы с хорошим коэффициентом излучения. Анодирование резко увеличивает коэффициент излучения тепла алюминиевого радиатора;
• используйте программы для моделирования систем охлаждения;
• выберите метод производства радиатора. Некоторые способы производства радиаторов могут накладывать ограничения на толщину и длину ребер радиатора, используемые материалы. Наиболее распространенные методы производства: штамповка, литье, ковка. Каждый метод производства обладает своими плюсами и минусами.

Решаем проблему охлаждения

Маломощные светодиоды, например: 3528, 5050 и им подобные отдают тепло за счёт своих контактов, да и мощность у таких экземпляров гораздо меньше. Когда мощность прибора возрастает, появляется вопрос отвода лишнего тепла. Для этого применяют системы пассивного или активного охлаждения.
Пассивное охлаждение – это обычный радиатор, выполненный из меди или алюминия. О преимуществах материалов для охлаждения ходят споры. Достоинством такого типа охлаждение является – отсутствие шума и практически полное отсутствие необходимости его обслуживания.

Установка LED с пассивным охлаждением в точечный светильник

Активная система охлаждения – это способ охлаждения с применением внешней силы для улучшения отвода тепла. В качестве простейшей системы можно рассмотреть связку радиатор + кулер. Преимуществом является то, что такая система может быть значительно компактнее чем пассивная, до 10 раз. Недостатком — шум от кулера и необходимость его смазки.

Назначение радиаторов

Назначение радиаторов – отводить тепло от полупроводников, это позволяет снизить влияние температуры на рабочие параметры приборов. Для этого применяют пластинчатые, ребристые, штыревые радиаторы. Чем больше радиатор по размеру, тем лучше он отводит тепло от радиодеталей, и тем самым они меньше нагреваются.

Для улучшения отвода тепла полупроводниковый прибор лучше всего крепить непосредственно к радиатору. Если необходима электрическая изоляция полупроводникового прибора от шасси, радиатор крепят на шасси через изолирующие прокладки.

Теплоизолирующая способность радиатора зависит от степени черноты материала, из которого он сделан. Чем больше черноты, тем отвод тепла будет эффективнее. Рассмотрим несколько видов разных радиаторов, что бы понять какой радиатор выбрать для нужного вам полупроводника.

Есть несколько технологий при изготовлении радиаторов из алюминия. Но в основном используют две технологии – литье и экструзия. Выбор производства радиаторов определяется вопросом: цена – качество. Так ребристые радиаторы дешевле делать методом экструзионном способом, а игольчатые методом литья.

Например, радиаторы ребристой формы будут дешевле и эффективней при экструзионном производстве, а произвести игольчатые радиаторы можно только методом литья.

Как закрепить светодиод

Существует два основных способа крепления, рассмотрим оба из них.

Первый способ – это механический. Он заключается в том, чтобы прикрутить светодиод саморезами или другим крепежом к радиатору, для этого нужна специальная подложка типа «звезда» (см. star). К ней припаивается диод, предварительно смазанный термопастой.

На «пузе» у светодиода есть специальный контактный пятачок диаметром как сигарета типа slim. После чего к этой подложке припаиваются питающие провода, и она прикручивается к радиатору. Некоторые светодиоды поступают в продажу уже закреплённые на переходной пластине, как на фото.

Второй способ – это клеевой. Он пригоден как и для монтажа через пластину, так и без неё. Но метал к металлу крепить не всегда получается, чем приклеить светодиод к радиатору? Для этого нужно приобрести специальный термопроводящий клей. Он может встречаться как в хозяйственной, так и в магазине радиодеталей.

Выглядит результат такого крепления следующим образом.

Охлаждение своими руками

Простейшим примером радиатора будет «солнышко», вырезанное из жести или листа алюминия. Такой радиатор может охладить 1-3Вт светодиодов. Скрутив два таких листа между собой через термопасту, можно увеличить площадь теплоотдачи.

Это банальный радиатор из подручных средств, он получается довольно тонким и использовать его для более серьёзных светильников нельзя.

Сделать своими руками радиатор для светодиода на 10W таким образом будет невозможно. Поэтому можно применить для таких мощных источников света радиатор от центрального процессора компьютера.

Если если оставить кулер, активное охлаждение светодиодов позволит использовать и более мощные LED. Такое решение создаст дополнительный шум от вентилятора и потребует дополнительного питания, плюс периодическое ТО кулера.

Площадь радиатора для 10Вт светодиода будет довольно большой – порядка 300см2. Хорошим решением будет использование готовых алюминиевых изделий. В строительном или хозяйственном магазине вы можете приобрести алюминиевый профиль и использовать его для охлаждения мощных светодиодов.

Сделав сборку нужной площади из таких профилей, вы можете получить неплохое охлождение, не забудьте все стыки промазать хотя бы тонким слоем термопасты. Стоит сказать, что есть специальный профиль для охлаждения, который выпускается промышленно самых разнообразных видов.

Если у вас нет возможности сделать радиатор охлаждения светодиодов своими руками вы можете поискать подходящие экземпляры в старой электронной аппаратуре, даже в компьютере. На материнской плате расположены несколько. Они нужны для охлаждения чипсетов и силовых ключей цепей питания. Отличный пример такого решения изображен на фото ниже. Их площадь обычно от 20 до 60см2. Что позволяет охлаждать светодиод мощностью 1-3 Вт.

Еще один интересный вариант изготовления радиатора из листов алюминия. Такой метод позволит набрать практически любую необходимую площадь охлаждения. Смотрим видео:

Как крепить полупроводники к радиатору

Полупроводники крепятся к радиатору при помощи специальных фланцев. При необходимости изоляции радиоэлементов от радиатора нужно применять изоляционные прокладки. Так конечно эффективность снизится, но при использовании разных микросхем и транзисторов это необходимо. Еще вариант изолировать сам радиатор от платы, что бы не применять изоляционные прокладки.

Поверхность в месте контакта с радиатором должна быть ровной и чистой, для лучшей отдачи тепла. Так же можно применять специальные термопасты для повышения эффективности и снижения сопротивления теплоотдачи. Если у вас транзисторы в защищенном корпусе, то их можно ставить на радиатор без прокладок. Но про термопасту забывать не стоит.

Алюминиевые приспособления

Радиатор для светодиодов, пользующийся наибольшей популярностью, выполнен из алюминия. Главным минусом прибора является то, что он состоит из ряда слоев. Это неизбежно вызывает переходные тепловые сопротивления, преодоление которых возможно посредством дополнительных теплопроводных материалов: веществ на клею, изоляционных пластин, материалов для заполнения воздушных промежутков.

Алюминиевый радиатор для светодиодов используется чаще других. Он подвержен прессовке и прекрасно справляется с отводом тепла.

Для активного уровня охлаждения, как правило, требуется плоский лист из алюминия, размер которого не больше, чем размер светильника. Лист обдувается вентилятором.

Подходящей температурой для функционирования светодиода считается показатель 65 °С. Однако чем ниже температура, тем выше уровень КПД устройства и больше его ресурс. Оптимальной температурой поверхности радиатора считается показатель 45 °С, но не выше. Для диода мощностью 1 W надо произвести установку на радиатор из алюминия. Площадь радиатора составляет 30-35 см2. Радиатор светодиода 3 W потребует увеличения площади вдвое и будет составлять 60-70 см2.

В качестве радиатора лучше всего подходит устройство из алюминия как наиболее легкое и относительно недорогое. При расчете прибора для светодиодных матриц берется пропорция 35 см на 1 W.

Для систем охлаждения активного характера площадь радиатора может быть меньше в 10 раз. На светодиод 1 W хватает 3-3,5 см2.

Для примера рассмотрим радиатор «звезда» для светодиодов. Устройство используется для отведения тепла от светодиода и представляет собой небольшой радиатор. Его основу составляет пластина из композитного материала — использован алюминий, отводящий тепло от светодиода, и фольга из меди с контактными площадками. Радиатор монтируют на светодиоды с высоким показателем мощности (1-3 Вт).

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения: виды радиаторов

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения: виды радиаторов
Светодиодные лампы прочно вошли в нашу жизнь, практически полностью вытеснив лампы накаливания и энергосберегающие компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). Можно предположить, что все дело в их экономичности, отличных технических характеристиках (таких как световой поток, CRI, угол рассеивания), а также в их продолжительном сроке службы.

Для чего нужен радиатор в светодиодной лампе

На срок службы изделия первоочередное влияние оказывает качество светодиодов, а также драйвер, правильная работа которого напрямую влияет на стабильность диодов.

Однако в процессе эксплуатации светодиодной лампы её поверхность загрязняется, что негативно влияет на отвод производимого тепла. С течением времени появляется проблема перегрева, с которой связано уменьшение светоотдачи диодов вплоть до их выхода из строя.

Чтобы этого избежать, повышают стабильность работы источников света. Для этого в конструкции каждого из них предусмотрен радиатор.

Виды радиаторов

Радиатор – это конструктивный элемент, который служит для отвода и рассеивания тепла от светодиодов.

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения бывают следующих видов:

• с алюминиевым радиатором;
• керамическим;
• композитным;
• пластиковым.

Светодиодные лампы с алюминиевым радиатором

Данные лампы относятся к стандарт- или high-классу. Алюминиевым радиатором в таких изделиях может быть как полоска металла, так и конструктивно более сложная алюминиевая база. Отсюда и разделение таких светильников на два вида:

1. с ребристым радиатором;
2. с плоским радиатором.

Светодиодные лампы с ребристым алюминиевым радиатором

Наиболее эффективно защищённые лампы, радиатор которых представлен в виде многослойной конструкции с вентиляционными каналами. За их счет увеличивается площадь рассеивания тепла, что существенно увеличивает срок службы светодиодов, а также препятствует их деградации со временем по причине перегрева.

Светодиодные лампы с алюминиевым радиатором

Лампы с плоским радиатором

Плоский радиатор менее эффективен, чем ребристый. Используется такой охлаждающий элемент в основном в лампах небольшой мощности. Часто для более эффективного отвода тепла он имеет вентиляционные каналы, а его поверхность для диэлектризации покрыта слоем специальной краски или лака.

Композитный радиатор

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения из композитного материала отличаются в первую очередь демократичной ценой. В таких лампах элемент представляет собой двухслойную конструкцию из алюминиевой полосы, покрытой теплопроводящим пластиком.

По причине своей низкой цены лампы с композитным радиатором являются наиболее широко представленными на рынке в сегменте эконом-класса.

Однако такие радиаторы не могут эффективно отводить тепло, поэтому гарантийный срок службы изделий с ними редко когда превышает 1 год.

Пластиковый радиатор

Самый простой вариант, правильнее назвать его имитацией радиатора. Элемент представляет собой корпус, выполненный из терморассеивающего пластика. Главные отличия таких ламп: низкая цена, короткий гарантийный срок, непродолжительный срок службы (10000-15000 часов). В лампах высокой мощности для повышения теплоотвода пластиковый радиатор выполняют с дополнительными массивными ребрами и вентиляционными отверстиями.

Светодиодные лампы с плстиковым радиатором

Керамический радиатор

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения из керамики отличает высокая теплостойкость, а диэлектрические свойства материала позволяют монтировать светодиодные модули прямо на поверхность такого радиатора. Наиболее распространенным видом лампы с керамическим радиатором без рассеивающей колбы является так называемая лампа-кукуруза.

Светодиодные лампы с керамическим радиатором охлаждения

Светодиодные лампы с каким радиатором охлаждения выбрать?

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что качество любой светодиодной лампы зависит в том числе и от качества радиатора, а точнее от материала, из которого тот выполнен.

Наиболее надежными, с продолжительным реальным сроком службы считаются светодиодные лампы с алюминиевым радиатором охлаждения, а также с керамическим (в том случае, если такой источник света не будет иметь рассеивающей колбы).

Пластиковым вариантам можно отдать предпочтение в том случае, если использоваться подобные лампы будут лишь эпизодически и непродолжительное время, например, в кладовках, подсобных помещениях.

Существующие виды радиаторов

Радиаторы для светодиодов
Охлаждающие устройства делятся по конструктивным особенностям на 3 основных типа и могут иметь круглую, квадратную или прямоугольную форму, независимо от того, пластинчатый это радиатор, стержневой или ребристый.

Выбирая охладитель или изготавливая его собственноручно, нужно обратить особое внимание на толщину его основания, ведь как раз оно примет на себя основное тепло, которое затем равномерно распределит по другим частям радиатора.

На выбор формы охлаждающего приспособления влияет устройство самого будущего прибора, а именно то, как он будет охлаждаться, будет ли вентиляция принудительной или естественной.

От этого зависит расстояние между пластинами. При условии отсутствия принудительной вентиляции оно не может быть меньше 4 миллиметров. Если же условие не соблюдено, то толку от подобного устройства охлаждения не будет.

А вот форма значения для охлаждения не имеет. Примером могут послужить светодиодные лампы. Проектировщикам приходится, наверное, изрядно потрудиться, придумывая вариант, при котором теплоотвод не будет выходить за размеры и форму самой лампочки, не испортит внешнего вида и при этом эффективно выполнит свою работу. Иногда в таких случаях охлаждающее устройство крепится специальным теплопроводящим клеем непосредственно к печатной плате.

Особенности охлаждения мощных светодиодов

Как указывалось ранее, обеспечить эффективный отвод тепла от светодиода можно при помощи организации пассивного или активного охлаждения. Светодиоды мощностью потребления до 10 вт целесообразно устанавливать на алюминиевые (медные) радиаторы, так как их массогабаритные показатели будут иметь приемлемые значения.

Применение пассивного охлаждения для светодиодных матриц мощностью 50 Вт и более становится затруднительным; размеры радиатора составят десятки сантиметров, а масса возрастёт до 200-500 грамм. В этом случае стоит задуматься о применении компактного радиатора вместе с небольшим вентилятором. Этот тандем позволит снизить массу и размеры системы охлаждения, но создаст дополнительные трудности. Вентилятор необходимо обеспечить соответствующим напряжением питания, а также позаботиться о защитном отключении светодиодного светильника в случае поломки кулера.

Существует ещё один способ охлаждения мощных светодиодных матриц. Он состоит в применении готового модуля SynJet, который внешне напоминает кулер для видеокарты средней производительности. Модуль SynJet отличается высокой производительностью, тепловым сопротивлением не больше 2 °C/Вт и массой до 150 г. Его точные размеры и вес зависят от конкретной модели. К недостаткам стоит отнести необходимость в источнике питания и высокую стоимость. В результате получается, что светодиодную матрицу в 50 Вт нужно крепить либо на громоздкий, но дешёвый радиатор, либо на маленький радиатор с вентилятором, блоком питания и системой защиты.

Каким бы ни был радиатор, он способен обеспечить хороший, но не самый лучший тепловой контакт с подложкой светодиода. Для снижения теплового сопротивления на контактируемую поверхность наносят теплопроводящую пасту. Эффективность её воздействия доказана повсеместным применением в системах охлаждения компьютерных процессоров. Качественная термопаста устойчива к затвердеванию и обладает низкой вязкостью. При нанесении на радиатор (подложку) достаточно одного тонкого ровного слоя на всей площади соприкосновения. После прижима и фиксации толщина слоя составит около 0,1 мм.

Ребристый радиатор

Ребристый (пластинчатый) радиатор. Площадь этих радиаторов равна сумме площадей всех сторон. Чем больше площадь поверхности, тем выше эффективность теплопередачи. Для улучшения охлаждения элементов нужно увеличивать площадь радиатора. И что бы не увеличивать размеры, так как это не всегда можно из за конструкции устройства, радиаторы делают с ребрами и микрорельефом на них. Количество ребер и их размеры значительно увеличивают площадь радиаторов.

Так же радиаторы с ребрами отличаются по расстоянию между ребрами. На радиаторах, где расстояние маленькое между ними, нужно ставить принудительное охлаждение. Такие радиаторы встречаются в компьютерах для охлаждения процессоров. Радиаторы с большим расстоянием между ребрами используются без вентиляторов. Хотя и первые так же можно использовать без принудительного охлаждения. Тут уже на сколько эффективно они будут работать с охлаждением и без.

Усовершенствованный пластинчатый теплоотвод представляет собой набор из нескольких пластин, загнутых в разные стороны. Этот радиатор при площади поверхности равной простейшему пластинчатому имеет меньшие габариты. Устанавливается такой теплоотвод аналогично пластинчатому. Количество пластин может быть различным – в зависимости от необходимой поверхности. Площадь рассеивания такого радиатора равна сумме площадей всех загнутых участков пластин, плюс площадь поверхности центральной части. Это тип радиатора имеет и недостатки: пониженную эффективность отвода тепла от всех пластин, а также невозможность получения идеально прямой поверхности в местах соединения пластин между собой.

КАК РАССЧИТАТЬ РАДИАТОР ДЛЯ СВЕТОДИОДА

Расчет радиатора для светодиода осуществляется не по площади поверхности, а по полезной площади рассеивания. Чем она больше, тем интенсивнее устройство будет передавать тепло воздуху. Еще необходимо учитывать подводимую мощность. Если светодиод будет использоваться на полную мощность, то и в охлаждении он будет нуждаться сильнее

Не менее важно учитывать, где устройство будет расположено: на улице или в помещении

Методика профессионального расчета учитывает несколько важных факторов:

• показатели окружающего воздуха;
• модификация радиатора;
• материал теплоотводчика;
• площадь рассеивания.

Но такие характеристики учитываются обычно проектировщиками, которые разрабатывают теплоотвод. В бытовых условиях можно воспользоваться более простой формулой. Она предполагает вычисление максимальной рассеиваемой мощности теплообменника.

Ф = а · S · (Т1 – Т2),

где Ф – величина теплового потока, S – площадь поверхности радиатора (всех теплоотводящих поверхностей), Т1 и Т2 – температура среды, отводящей тепло, и температура нагретой поверхности соответственно, а – коэффициент теплоотдачи (условно принимается 6-8 Вт/м2·К).

При расчете площади поверхности теплоотводчика нужно учитывать следующее:

• У пластинчатых и ребристых радиаторов есть 2 поверхности для отвода тепла, поэтому в формуле это будет не S, а 2S.
• У игольчатых радиаторов площадь поверхности теплоотвода определяется как длина окружности (π · D), которую умножили на высоту (H).

Есть более простая формула расчета площади радиатора для светодиода, которая популярна среди пользователей интернета как экспериментальная. Она применима для алюминиевых радиаторов и выглядит следующим образом:

Sох = (22 – (М · 1,5) · W,

где Sох – площадь охладителя, М – не задействованная мощность светодиода (Вт), W – подведенная мощность (Вт). Получаемой по формуле площади достаточно для естественного охлаждения светодиода без применения кулера. Применяя формулу для расчета медного радиатора, площадь необходимо уменьшить в 2 раза.

Можно не производить расчет радиатора охлаждения светодиода, а воспользоваться усредненными данными, которые отражают зависимость площади от мощности. Для алюминиевых радиаторов актуальны следующие значения:

• 1 Вт – 10-15 см2;
• 3 Вт – 30-50 см2;
• 10 Вт – 1000 см2;
• 60 Вт – 7000-7300 см2.

Указанная площадь радиатора светодиода имеет достаточно большой разброс, поэтому данные считаются приблизительными, что нужно учитывать при выборе подходящего устройства

Штыревой радиатор

Штыревой (игольчатый) радиатор является очень эффективным теплоотводом для полупроводниковых приборов. Они изготавливаются из дюралюминия толщиной 4-6 мм и алюминиевой проволоки диаметром 3-5 мм. На поверхности предварительно обработанной пластины радиатора нужно наметить кернером места для отверстий под штыри, выводы транзисторов, диодов и крепежные винты.

Расстояние между центрами должно быть равно 2-2.5 диаметрам применяемой алюминиевой проволоки. Диаметр отверстий под штыри выбирают с таким расчетом, что бы проволока входила в них с возможно меньшим зазором. С обратной стороны отверстия под штыри зенкуют на глубину 1-1.5 мм. При минимальном объеме такой радиатор имеет максимальную эффективную площадь рассеивания. Площадь поверхности такого теплоотвода равна сумме площадей каждого штырька и площади основного тела.

Так же можно купить готовые радиаторы как в магазине, так и на рынке. Я покупаю их на рынке – барахолке, там они стоят раз в пять дешевле, чем в магазине. Имеется большой выбор и какой радиатор выбрать для вашей поделки, у вас не будет проблем.

Как подключить лампу ДНаТ

Вот собранный своими руками компактный щиток, согласно схемы подключения.

Можно конечно все это собрать и в габаритном корпусе светильника, если позволяют размеры.

Очень важно, перед тем как самому собирать такую схему и использовать какие-либо компоненты, обычным мультиметром в режиме замера максимального сопротивления, проверить изоляцию дросселя и конденсатора. Нет ли пробоя на корпус. Нет ли пробоя на корпус

Нет ли пробоя на корпус.

Для подачи и отключения питания 220В используйте двухполюсный вводной автомат.

Для одного светильника мощность до 400Вт вполне сгодится автомат номиналом 5-6А. Кроме коммутационных операций вкл-выкл, он еще будет играть роль защитного аппарата.

Монтируется автоматический выключатель в самом начале схемы. Не забудьте также заземлить корпус всего щитка.

С автомата выходят два нулевых провода. Один из них согласно схемы, пускаете напрямую к лампе, а второй подключаете к соответствующему зажиму, подписанному «N» на пусковом устройстве.

Имейте в виду, что дроссель должен обязательно устанавливаться только в разрыв фазного провода идущего на лампу, а не нулевого.

Иначе можно случайно сжечь изделие, если при работе нулевой провод после балластного дросселя, случайно коротнет. Далее расключаете фазу. Один провод с автомата монтируете на входящий контакт дросселя.

А провод с выходящего контакта подключаете на клемму “В” (Balast) пускорегулирующего изделия.

После чего, средний вывод Lp (Lampa) пускаете на патрон лампочки.

Схемы включения ИЗУ

Рассмотрим схему параллельного запуска ИЗУ. В такой схеме ламповый ток не проходит непосредственно через ИЗУ, что практически исключает любые потери мощности. Схема зажигающего устройства для подобного включения достаточно проста, сами устройства недороги, просты в эксплуатации и достаточно надежны. Однако формируемые зажигающим устройством импульсы высокой частоты в такой схеме оказывают влияние, помимо лампы, также на дроссель, что обуславливает обязательное применение дросселей с повышенной изоляцией, устойчивой к напряжению 2–5 кВ.

Поскольку стандартные дроссели для металлогалогенных и натриевых ламп не поддерживают такую величину напряжения, то параллельная схема включения ИЗУ используется лишь с лампами, зажигающее напряжение которых меньше 2 кВ. В первую очередь к таким лампам относятся металлогалогенные лампы высокой мощности (от 2000 до 3500 Вт).

Проводим расчет площади радиатора

Обратите внимание, для правильного расчета площади радиатора учитывают параметры полезной площади рассеивания, а не поверхностной площади. При подсчете полезной площади (S) включают сумму площадей ребер и подложки в квадратных метрах

Нужно учесть, что у каждого ребра две отводящие поверхности. В таком случае S теплоотвода прямоугольной формы S — 1 см2 составляет — 2 см2

При подсчете полезной площади (S) включают сумму площадей ребер и подложки в квадратных метрах. Нужно учесть, что у каждого ребра две отводящие поверхности. В таком случае S теплоотвода прямоугольной формы S — 1 см2 составляет — 2 см2.

В результате проводимых экспериментов была выведена формула расчета требуемой площади теплоотвода:

S = (22 – (M x 1.5)) x W, в которой

S – площадь теплоотвода радиатора; W –мощность подведенная (Вт); M –мощность светодиода. Для пластинчатых радиаторов сделанных из алюминия можно применить следующие примерные данные рассчитанные специалистами из Тайвани:

• 1 Вт: 10 ÷ 15 см2;
• 3 Вт: 30 ÷ 50 см2;
• 10 Вт: приблизительно 1000 см2;
• 60 Вт: 7000 73000 см2.

Поскольку диапазон указанных данных имеет большой разбег и определены они в условиях для климата южной страны, то величины не являются абсолютно точными и подходят для предварительного подсчета.

Более подробную информацию о расчете площади радиатора можно получить, просмотрев видео.

Как закрепить светодиод

Существует два основных способа крепления, рассмотрим оба из них.

Первый способ

– это механический. Он заключается в том, чтобы прикрутить светодиод саморезами или другим крепежом к радиатору, для этого нужна специальная подложка типа «звезда» (см. star). К ней припаивается диод, предварительно смазанный термопастой.

На «пузе» у светодиода есть специальный контактный пятачок диаметром как сигарета типа slim. После чего к этой подложке припаиваются питающие провода, и она прикручивается к радиатору. Некоторые светодиоды поступают в продажу уже закреплённые на переходной пластине, как на фото.

Второй способ

– это клеевой. Он пригоден как и для монтажа через пластину, так и без неё. Но метал к металлу крепить не всегда получается, чем приклеить светодиод к радиатору? Для этого нужно приобрести специальный термопроводящий клей. Он может встречаться как в хозяйственной, так и в магазине радиодеталей.

Выглядит результат такого крепления следующим образом.

Сделай сам: мощный светодиод с водяным охлаждением

• Jurei-678
• 6 октября 2016
• Самоделки для домаСвет

У нас пополнение раздела полезных самоделок для дома: мощный светодиод с водяным охлаждением своими руками. Привет всем! Иногда хочется соорудить мощный светодиодный светильник, но нет подходящего радиатора или они дороги и имеют громоздкий вид.

Сегодня я покажу вам, как охладить мощный светодиод 10 -30 ватт имея радиатор три на три сантиметра. Берем радиатор и на него приклеиваем светодиод, как только клей высох, на светодиод наносим бесцветный силикон и приклеиваем на него кусок стекла или линзу.

Минусовые и плюсовые клеммы силиконом герметизируем тоже, когда силикон высохнет, опускаем конструкцию в стакан с водой и проверяем омметром сопротивление на воду между проводниками — оно должно быть очень большое. Опускаем светодиод в банку 200 грамм с водой или маслом, делаем отверстие в крышке и включаем питание. После часа работы светильника на 1000 ма температура воды поднялась с 19 до 21 градуса. Светодиод с радиатором можно приклеить прямо на дно банки, а сверху приладить патрон Е 14 или Е 27 — можно вкручивать в люстру предварительно переделав питание на 12 вольт. При таком охлаждении светодиод так не слепит как без воды! Очень приятно для глаз. Если в масло добавить ароматную жидкость он будет при свечении приятно пахнуть.

Автор статьи “Сделай сам: мощный светодиод с водяным охлаждением” Jurei-678

Нагрев

Для измерения нагрева светодиодов Philips Z ES прогреваю образцы в течение 60 минут. В отличие от оригинальных автоламп Philips Ultinon, у Smart H7 есть еще гибкий радиатор. Поэтому срок службы у Smart будет выше, чем у настоящих Philips Ultinon, примерно в 2 раза.

Измерение провожу около светодиодов на пластине. Отверстия для установки термодатчика на медной плате уже были. Только надфилем проточил канавку для вывода провода термопары.

Сборка и материалы оказались очень хорошими, термопасты не пожалели, такое редко встречается. Диоды стоят на медной пластине, а не алюминиевой. Теплопроводность меди выше почти в 2 раза, и она гораздо дороже алюминия. Гибкая часть радиатора обжата медью и посажена на теплопроводный клей, хорошо так приклеена. Лепестки обжаты очень плотно, пробовал их разболтать, не получилось.

У дешевых автомобильных ламп лепестки иногда болтаются, соединены с корпусом неплотно или без термопасты. Гибкие лепестки даже выпадывали из автолампочки при попытке их поставить в фару.

По большей части я сторонник пассивной системы охлаждения светодиодных ламп для авто. Пассивное охлаждение более универсально и применимо не только в закрытых фарах ближнего или дальнего света. Пассивное можно ставить в противотуманки (сокращенно ПТФ) и другие незащищенные места. Чем проще охлаждение, тем оно надежней. Автомобильные светодиодные лампы с пассивным радиатором устанавливать конечно сложней, но это решается комплектом дополнительных крышек. Увеличенные резиновые крышки скрывают массивный жесткий или гибкий радиатор, не мешая работать электрокорректору или гидрокорректору угла наклоны головного света.

К охлаждению с вентилятором у меня более высокие требования, потому что гораздо чаще встречаются проблемы с отводом тепла. Обычно внешне такие модели выглядят прилично, а как разберешь, внутри большие проблемы,

Исходный материал

Для изготовления теплоотвода в наши дни чаще всего используется алюминий. Все дело в том, что этот материал очень удобен для подобных целей, и при этом достаточно дешев. Но если имеют значение габариты изделия, тогда лучше меди вряд ли удастся что-то найти, т. к. она обладает большей проводимостью тепла, а значит и теплоотвод по размеру получится в 2 раза меньше.

Но ведь не только эти два материала подходят для изготовления охлаждающего устройства? Имеет смысл понять, из какого еще сырья можно сделать теплоотвод и в чем их различия.

Алюминий

Алюминиевый радиатор
По уровню теплопроводности средний показатель колеблется в диапазоне от 200 до 240 Вт/м*К, что превышает тот же параметр латуни и железа почти в 3 раза. В основном он зависит от наличия и количества примесей в алюминии. Конечно, это удобный в обработке металл, потому и столь распространен, но все же при условии, что корпус устройства мал, а охлаждение требуется приличное, алюминиевый радиатор уступает меди.

Медь

Показатель данного металла в 2 раза превышает теплопроводность алюминия, уступая пальму первенства лишь такому благородному металлу, как серебро, и составляет 400 Вт/м*К. Но при том, что медь так хорошо охлаждает, такие радиаторы встречаются довольно редко. Все дело в том, что она довольно дорога, если сравнивать с алюминием, да к тому же сложна в механической обработке и имеет большую массу.

Медный радиатор

Получается, если в лампу на светодиодах устанавливать медные охладители, то возрастет его цена, а это неприемлемо, т. к. в итоге фирма в условиях жесткого рынка станет неконкурентоспособна.

Керамика

Параметр теплопроводности близок к параметрам алюминия и составляет 175–235 Вт/м*К. Удобна керамика тем, что сама является диэлектриком, что немаловажно в электронных и электрических схемах.

И все же при подобной теплопроводности она проигрывает другому, очень удобному в обращении материалу.

Термопластик

Конечно, параметры теплопроводности термопластика немного ниже, чем у алюминия (от 5 до 40 Вт/м*К), но у него есть некоторые преимущества. Помимо диэлектрических свойств он еще очень легок и имеет низкую стоимость. Только вот при проектировке ламп на светодиодах мощнее 10 ватт он явно проигрывает алюминию и меди.

А зачем он нужен?

Наравне с другими полупроводниковыми приборами светодиод не является идеальным элементом со 100% коэффициентом полезного действия (КПД). Большая часть потребляемой им энергии рассеивается в тепло. Точное значение КПД зависит от типа излучающего диода и технологии его изготовления. Эффективность слаботочных светодиодов составляет 10-15%, а у современных белых мощностью более 1 Вт её значение достигает 30%, а значит, остальные 70% расходуются в тепло. Каким бы ни был светодиод, для стабильной и продолжительной работы ему необходим постоянный отвод тепловой энергии от кристалла, то есть радиатор. В слаботочных led функцию радиатора выполняют выводы (анод и катод). Например, в SMD 2835 вывод анода занимает почти половину нижней части элемента. В мощных светодиодах абсолютная величина рассеиваемой мощности на несколько порядков больше. Поэтому нормально функционировать без дополнительного теплоотвода они не могут. Постоянный перегрев светоизлучающего кристалла в разы снижает срок службы полупроводникового прибора, способствует плавной потере яркости со смещением рабочей длины волны.

Какой нужен радиатор для охлаждения светодиода?

Светодиоды, которые появились на рынке радиоэлектроники сравнительно недавно, уже прочно заняли лидерские позиции по отношению к другим источникам света. Они наиболее экономичны в плане расхода электроэнергии, более компактны и удобны в использовании и обладают меньшим выделением тепла.

И все же, насколько бы высокотехнологичным ни был светодиод, повышения температуры при его работе не избежать. К тому же при нагреве подобный LED-элемент в силу своих конструктивных особенностей начинает терять силу светового потока.

Конечно, если это обычный DIP-светодиод с двумя ножками-контактами, ему вполне хватает внешнего охлаждения. Но если взять более мощные элементы, то тут уже стоит задуматься о радиаторе охлаждения для светодиодов, который бы помог отведению тепла от источника света.

Если обратить внимание на подобные устройства охлаждения в магазинах, то можно понять, насколько велика их стоимость. Что же тогда делать?

Остается разобраться, возможно ли самому, своими руками сделать радиатор для определенного светодиода или группы светодиодов, как это выполнить, и насколько это сложно. Вот сейчас мы постараемся решить этот вопрос.

А нужен ли радиатор?

Для начала есть смысл понять, нужен ли охлаждающий радиатор для светодиода и если да, то зачем.

Дело в том, что по эффективности, если брать слаботочные диодные излучатели, их коэффициент полезного действия составляет лишь 15–17%. При этом понятно, что остальная энергия уйдет на выделение тепла. Конечно, КПД более мощных светодиодов (больше 1 ватта) в 2 раза выше, но ведь и энергии они потребляют больше.

Так что любой подобный световой прибор в итоге выделяет некое количество тепла, которое должно куда-то уйти. К примеру, в световом диоде СМД2835 контакт анода составляет чуть меньше половины компонента, он-то и обеспечивает необходимый отток тепла, и это притом, что он является слаботочным. Получается, что он уже с радиатором. А вот мощные светодиоды требуют к себе большего внимания.

При постоянно повышенной температуре кристалла длина волн излучения смещается, в результате чего снижается яркость и сильно уменьшается срок службы. Выходит, что без радиатора при самостоятельном монтаже схемы с применением мощных светодиодов никак не обойтись.