Радиатор для светодиодов

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.

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 см 2 составляет — 2 см 2

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 см 2 составляет — 2 см 2 .

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 см 2 ;
• 3 Вт: 30 ÷ 50 см 2 ;
• 10 Вт: приблизительно 1000 см 2 ;
• 60 Вт: 7000 73000 см 2 .

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.

Расчеты и величины

Расчет схемы начинается с подбора элементной базы. Номинал должен не только соответствовать возможностям проектируемого устройства, но, по возможности, не создавать дополнительных потерь, уменьшающих эффективность системы.

Популярность светодиодов на 1w предельно легко объяснить – они довольно неприхотливы, что практически до бесконечности расширяет область их применения. Казалось бы, увеличение мощности должно сказываться на яркости, но это не совсем так. Установка светодиода на 3w по характеристикам светового потока равняется монтажу 2-х светодиодов по 1w, но при этом увеличивает расход энергии (учитывать, правда, стоит и режимы работы устройства).

Использование сверхъярких светодиодов на 10w и выше или матриц от 10w окупает себя в основном при необходимости полноценно освещать сравнительно большую площадь. Объяснить это можно тем, что для небольшого пространства поток света большой концентрации может оказаться избыточным.

В случае пассивного охлаждения светодиодов, они могут закрепляться непосредственно на теплоотводах. Как радиатор можно использовать строительные медные или алюминиевые профили различного сечения (несложно собрать даже своими руками). При этом без обдува использование радиатора с большим количеством ребер вряд ли окажется эффективным.

Что принимать во внимание, монтируя радиатор:

• Учитывать стоит лишь площадь внешних элементов, внутренние ребра, вне зависимости от количества и величины, обычно обеспечивают не более 10-15% охлаждения;
• При вычислениях отталкиваться можно от соотношения 1w на 20 см² (при этом минимальная толщина стенки для не менее 1-2 мм для 1 w, 2-3мм для 3 w, 4-6 мм для 10w сверхъярких диодов и 10w матриц);
• Температура основания светодиода не должна подниматься выше 50ºС (при достижении отметки в 80ºС люминофор начинает деградировать, тем приводя к поломке светодиода);
• Собирая схему своими руками, можно попытаться найти радиатор от старых советских элементов (транзисторов, материнских плат), что существенно облегчит поставленную задачу;
• Если чертеж устройства позволяет, можно использовать светодиоды, изначально прикрепленные к основанию произвольной формы. Находящиеся на них контактные площадки (2-4 и больше) не только упрощают спайку, но также значительно уменьшают нагрев светодиодов;
• При монтаже светодиода на радиатор проще всего использовать термоклей (клей, устойчивый к воздействию температур, а не состав для термопистолета). Подойдет также быстросохнущая полиэфирная оксидная смола (можно найти в авто-магазинах).

Правильно собрать схему для освещения своими руками – довольно просто. Нужно учитывать некоторые особенности светодиодов, подобрать соответствующий радиатор, предварительно сделав расчет и вычислив его площадь. Радиаторы можно приобрести также в специализированных отечественных или зарубежных магазинах. Готовые охладители хороши тем, что они практически идеально подходят для монтажа. С другой стороны, стоимость покупного радиатора делает собственноручную сборку устройств довольно затратной.

Рассвет и закат альтернативных систем охлаждения

В начале 2010 годов тепловыделение видеокарт резко пошло вверх, что поставило крест на попытках охладить их обычным алюминиевым радиатором, пусть даже и с медным сердечником. И постепенно, такая переделка сошла на нет.

К тому же, производители альтернативных систем охлаждения просто завалили рынок отличными кулерами, достаточно вспомнить Zalman VF3000F, Thermalright Shaman или DEEPCOOL DRACULA.

Отдельные энтузиасты ставили на видеокарты кулеры с теплотрубками от процессоров, но это решение было настолько громоздким, что такие случаи были единичны.

Но постепенно сошла на нет и установка на видеокарты суперкулеров типа Thermalright Shaman. Почему? Я считаю, что из-за расширения ассортимента моделей видеокарт, роста сложности их плат и схемотехники, внедрения механизма буста.

Экономный пользователь берет недорогую видеокарту и она работает на заявленных частотах. А видеокарты с топовыми заводскими кулерами настолько повышают бустовую частоту, что исчезает надобность их разгонять.

А установка альтернативной системы охлаждения довольно сложна и есть риск повредить видеокарту сразу, сколов кристалл или CMD-резистор. Или испортив уже в процессе эксплуатации, допустив перегрев памяти или системы питания.

А вы пробовали менять охлаждение на видеокарте на альтернативное?

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

Виды радиаторов

Радиаторы разделяют в зависимости от конструктивных особенностей трубок охлаждения:

• круглые, где полезная площадь ограничена небольшим прямым контактом с воздушным потоком, коэффициент полезного действия невелик, широкое распространение получили из-за низкой стоимости, а также простоты сборки изделия;
• овальные, с лучшими показателями теплоотдачи при этом, цена осталась в бюджетном сегменте;
• спекаемые секции, изготовляются с оптимально подобранным углом контакта охлаждающего потока, надежные, но стоимость превышает бюджетные аналоги;
• монолитно-алюминиевые, используется в системах охлаждения большинства автомобилей иностранного производства, их выгодно отличает высокая надежность, а также максимальная теплоотдача.

Конструкция алюминиевых радиаторов

Началом разработки узлов из алюминия в стране, считают период «холодной войны». Медь была стратегическим и дорогим сырьем, в то же время алюминий дешевле, а сфера использования ограничена. Выпускают два вида устройств, отличающихся технологией создания – сборная и паяная конструкции.

Сборные радиаторы

В сборных радиаторах используют трубки с круглым сечением и межтрубные пластины крепят без использования сварки, что значительно снижает стоимость узла, но ухудшает теплоотдачу. Технология изготовления представлена фиксации вальцовкой округлых сот, через пластичный полимерный или резиновый уплотнитель.

Пластичность прокладки сохраняется только на период сборки узла. Воздействие высоких температур изменяет свойства материала, и зачастую представляет собой место возникновения неисправности. На месте соединения потерявшего герметичность можно увидеть окись, потеки антифриза.

Цельнопаянные радиаторы

Конструкция предусматривает расположение охладительных трубок в шахматном порядке. Такое расположение усиливает теплоотдачу. Технология производства представлена предварительной сборкой конструкции и окончательной обработкой при высокой температуре в печи, обогащенной азотом. Он необходим для удаления поверхности изделия от окислов. Последний этап – установка пластмассовых торцевых бочков. Крепление производится способом волнового вальцевания.

Отдельную категорию представляют изделия, у которых бачки выполнены, как и соты, из алюминия. Массовую популярность они не получили – количество материала для бачка, примерно равно объему, необходимому для изготовления остальных элементов, но реставрируемые раритетные автомобили получают именно такие радиаторы.

Тепловые трубки и паровые камеры.

Тепловые трубки и паровые камеры являются пассивными и имеют эффективную теплопроводность в диапазоне от 10000 до 100000 Вт / м К. Они могут обеспечить следующие преимущества в управлении температурой на светодиодах:

• Передача тепла к внешнему радиатору с минимальным падением температуры
• Изотермизация естественного конвекционного радиатора, повышение его эффективности и уменьшение его размеров. В одном случае добавление пяти тепловых трубок уменьшило массу радиатора на 34%, с 4,4 кг до 2,9 кг.
• Эффективно преобразуйте высокий тепловой поток непосредственно под светодиодом в более низкий тепловой поток, который может быть легко удален.

Радиатор для светодиодов. PCB (печатная плата)

• MCPCB – MCPCB ( PCB с металлической подложкой – это те платы, которые содержат материал подложки из металла в качестве распределителя тепла в качестве неотъемлемой части печатной платы. Металлическая подложка обычно состоит из алюминиевого сплава. Кроме того, MCPCB может использовать преимущество диэлектрического полимерного слоя с высокой теплопроводностью для снижения теплового сопротивления.
• Разделение – отделение цепи привода светодиодов от платы светодиодов предотвращает повышение температуры, генерируемой драйвером, от повышения температуры соединения светодиодов.

Первый метод

Подсчет площади проводится по формуле F = а х Сх (T1 – T2), где Ф является тепловым потоком, а S – площадью поверхности радиатора (сумма площадей всех ребер или иголок и подложки в кв. м), T1 — показателем температуры среды, отводящей тепло, а T2 — температуры нагретой поверхности.

Производя подсчет площади, следует обратить внимание и на то, что ребро или же пластина обладает двумя поверхностями для отвода тепла. Расчет поверхности иглы производится по длине окружности (π х D), умноженной на показатель высоты

Расчет поверхности иглы производится по длине окружности (π х D), умноженной на показатель высоты.

Для поверхностей, не подвергшихся полировке, коэффициентом теплоотдачи является показатель, равный 6-8 Вт/(м2·К).

Особенности вычислений

Расчет схемы для создания своими руками радиатора всегда следует начинать с подбора элементной базы. Не забывайте, что номинал здесь должен отвечать не только потенциалу собираемого теплоотводчика, но и предотвращению создания дополнительных потерь. Иначе самодельный аппарат будет иметь низкую эффективность. И в первую очередь для этого необходимо провести расчет площади радиатора.
Что должен включать расчет такого параметра, как площадь:

• модификация аппарата;
• какая имеется площадь рассеивания;
• показатели окружающего воздуха;
• материал, из которого изготавливается теплоотводчик.

Такие нюансы необходимо учитывать тогда, когда проектируется новый радиатор, а не переделывается старый. Самым важным для самостоятельно сборки теплоотводника будет показатель максимально допустимого рассеивания мощности теплообменного элемента.
Чтобы рассчитать площадь радиатора существует два способа.
Первый метод расчета. Для того чтобы определить требуемую площадь, нужно использовать формулу F = а х S х (T1 – T2), где:

• F — тепловой поток;
• S – площадью поверхности теплоотводчика;
• T1 — показатель температуры среды, которая отводит тепло;
• T2 — температура, которую имеет нагретая поверхность;
• а – коэффициент, отражающий теплоотдачу. Данный коэффициент для неполированных поверхностей условно принимается равным 6-8 Вт/(м2К).

Длина окружности

Используя этот способ расчета необходимо помнить, что пластина или ребро имеют две поверхности для отвода тепла. При этом расчет поверхности иглы проводится с помощью длины окружности (π х D), которую нужно умножить на показатель высоты.
Второй метод расчета. Здесь используется несколько упрощенная формула, выведенная экспериментальным путем. В данном случае используется формула S = x W, где:

• S — площадь теплообменника;
• M – незадействованная мощность светодиода;
• W – подведенная мощность (Вт).

При этом если будет изготавливаться ребристый алюминиевый аппарат, можно использовать в расчетах данные, которые получили тайванские специалисты:

• 60 Вт – от 7000 до 73000 см2;
• 10 Вт – около 1000 см2;
• 3 Вт – от 30 до 50 см2;
• 1 Вт – от 10 до 15 см2.

Но в такой ситуации необходимо помнить, что приведенные выше данные подходят к климатическим условиям Тайваня. В нашем случае их стоит брать только лишь при проведении предварительных вычислений.

Первый вариант сборки

Светодиод

Как уже стало понятно, на сегодняшний день солнечная панель домашними умельцами может изготавливаться в двух вариантах: из светодиодов и старых диодов.
Рассмотрим первый вариант, когда в качестве главного элемента будет выступать обычный светодиод.

Современные светодиоды могут широко применяться для самостоятельной сборки мини-солнечной батареи. У них принцип функционирования почти аналогичен обычным диодам. От последних светодиод отличается наличием специального корпуса. Он выступает в роли линзы, с помощью которой происходит фокусирование солнечных лучей на проводящем кристалле.

При этом нужно помнить, что вырабатываемое напряжение зависит от типа свечения светодиода:

• для красно-прозрачного элемента данный показатель будет равен примерно 1,3 В;
• для зеленого – 1,5 В;
• для инфракрасного – 0,9 В.

Установка элементов может производиться на плотном картоне или текстолитовой подложке. Собрав батарею из 100 светодиодов, можно получить силу тока примерно в 0,5 мА.
Процесс сборки происходит следующим образом:

Готовая батарея

избавляем элементы от корпуса. Для этого можно использовать самые разнообразные подручные средства (молоток, долото и т.д.). Снимать корпус следует аккуратно, что избежать повреждения кристалла;

в качестве платы будем использовать картон. В нем проделываем небольшие отверстия. Отверстия делаем не как заблагорассудится, для этого используется схема

Выбирая схему, берите во внимание тот факт, что при последовательном соединении элементов их напряжение будет суммироваться, а при параллельном – суммироваться сила тока. Самый больший эффект будет при сочетании обеих схем подсоединения;
в проделанные отверстия вставляем светодиоды и соединяем их между собой по выбранной схеме.

Все, батарея готова. Вам останется только проверить ее показатели с помощью регистрирующего прибора. Не ожидайте увидеть внушительные цифры. Зачастую при такой сборке аппарат будет выдавать ток в 0,3 мА.
По сути, кроме чисто «спортивного» интереса здесь мало чего можно добиться. Вы потратите деньги, время и силы, а получите минимальный результат. Еще одним минусом такого устройства будет большая площадь размещения диодных элементов.

КАК ПРИДЕЛАТЬ РАДИАТОР К ДИОДУ

Собирая электронное устройство из набора электронных компонентов, попросту радиоконструктора, полезно ознакомиться с опытом предшественников, тех, кто уже его собрал и успел поделиться приобретённой информацией, например на сайтах «Радиосхемы», «Элво», «Технообзор» или «Эл-схема». Это не только убережёт от ошибок, но и даст возможность привнести в проект что-то новое, полезное для работы схемы собираемого устройства.

Набор для сборки блока питания был укомплектован выпрямительными диодами 1N5408, их максимальное обратное напряжение 1000 В, максимальный постоянный прямой ток 3 А. Выходное напряжение БП 0 – 30 В, а выходной ток от 2 мА до 3 А и уже собравший его радиолюбитель сетует на то. что эти диоды при токе даже 2 А нещадно греются и советует произвести их обязательную замену на более мощные. То, что греются не удивительно, ибо при выходном токе в 3 А выпрямительные диоды на входе должны быть установлены как минимум на 5 А. Однако при таком подходе, как минимум, треть компонентов любого набора для сборки электронных устройств придётся подвергать замене. Считаю правильнее подойти к этому вопросу более объективно и взвешенно. Так каждый радиолюбитель уже заранее знает, какой ток он реально собирается снимать с выхода собираемого БП. В данном конкретном случае это будет максимум 1 А, на всякий случай буду иметь ввиду кратковременно до 1,5 А. БП питания вполне выдержит эту нагрузку, но для того чтобы облегчить ему выполнение этой задачи можно кое что сделать.

Самый простой способ охлаждения электрорадиодеталей (ЭРИ) — пассивное отведение тепла с применением радиаторов. Он основан на явлениях теплопроводности материалов и естественной конвекции. Собственные размеры полупроводникового кристалла весьма малы, чтобы конвекции хватало для его охлаждения. А вот при закреплении корпуса электронного компонента на радиаторе многократно увеличивается площадь охлаждаемой поверхности. За счет теплопроводности тепло от корпуса охлаждаемой детали передается металлическому радиатору. Установка диодов на радиаторы охлаждения давно известна, но эти диоды должны быть соответствующей конструкции (с одного конца резьба с гайкой), а вот как быть с обычными выводными. И этот вопрос решён, так на платах подвергаемых разбору не редко можно видеть выводной диод оборудованный радиатором охлаждения. Нашлась даже парочка снятых, и если радиатор слева сделан из жести, то правый выглядит вполне солидно. Всё вместе взятое вдохновило.

Из листового железа вырезал полоски шириной по диаметру диодов и длиной в два раза больше их длины. Зачистил наждачкой и просверлил отверстия в соответствии с толщиной выводов у диодов. Расстояние отверстия от края чуть больше диаметра диода. Затем первый изгиб – загнутая плоскость плотно прилегает к корпусу диода. Второй изгиб – на уровне изгиба вывода, только вертикально вверх.

Осталось припаять изготовленный радиатор к выводу диода, олово обычное, вот только флюс применил Ф-38н, рекомендованный для стали. Для прилегания горизонтальной плоскости радиатора к корпусу перед пайкой фиксировал её пассатижами. В итоге получил диоды с радиаторами, которые свою функцию охлаждения будут выполнять исправно и избавят диоды от немалого количества избыточного тепла.

Это простейшие пластинчатые радиаторы, усовершенствованный теплоотвод представляет собой набор из нескольких пластин, загнутых в разные стороны. Для изготовления пластинчатых радиаторов следует использовать пластины с толщиной не менее 1,5 миллиметров. Лучшей эффективностью обладают теплоотводы, выполненные из меди.

Чуть более совершенный радиатор, возможно дальнейшее его усложнение. К недостаткам радиаторов относится относительно невысокая эффективность и значительные габариты: так на 1 Вт мощности требуется охлаждающая поверхность площадью от 25 до 250 см квадратных. Однако этот способ охлаждения не требует никаких последующих затрат после его организации и это объективно является абсолютным преимуществом перед прочими. Автор Babay iz Barnaula.

Выводы

Как вы могли убедится радиатор для светодиода можно найти как в магазине, так и порывшись в своих старых приборах, или просто в залежах всяких мелочей. Не обязательно использовать специальное охлаждение.

Площадь радиатора зависит от ряда условий, таких как влажность, температура окружающего воздуха и материал радиатора, но при бытовом решении ими пренебрегают.

Всегда уделяйте особое внимание проверке тепловых режимов ваших устройств. Таким образом вы обеспечите их надёжность и долговечность. Можно определять температуру рукой, но лучше приобретите мультиметр с возможностью её измерения

Можно определять температуру рукой, но лучше приобретите мультиметр с возможностью её измерения.

Сейчас купить россыпь мощных светодиодов не проблема, а вот радиатор для них дорогой, т.к. имеет уже ощутимые размеры и массу. Предлагаю свое решение этой проблемы. Как известно, в радиаторе главное — площадь поверхности, поэтому игольчатые — самые эффективные. Зная золотую формулу радиатора 1 Вт = 10-30 кв.см. можно прикинуть, что для 10 Вт LED понадобится примерно 200 кв.см. площади. Набрать эту площадь решено за счет алюминиевой пластины, которую можно найти в любом крупном хозяйственном магазине. Вот что получилось у меня.