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.
Виды
Конструктивно все радиаторы можно разделить на три большие группы: пластинчатые, стержневые и ребристые. Во всех случаях основание может иметь форму круга, квадрата или прямоугольника. Толщина основания имеет принципиальное значение при выборе, так как именно этот участок несёт ответственность за приём и равномерное распределение тепла по всей поверхности радиатора.
На форм-фактор радиатора оказывает влияние будущий режим работы:
- с естественной вентиляцией;
- с принудительной вентиляцией.
Радиатор охлаждения для светодиодов, который будет использоваться без вентилятора, должен иметь расстояние между рёбрами не менее 4 мм. В противном случае естественной конвекции не хватит для успешного отвода тепла. Ярким примером служат системы охлаждения компьютерных процессоров, где за счёт мощного вентилятора расстояние между рёбрами уменьшено до 1 мм.
При проектировании светодиодных светильников большое значение уделяется их внешнему виду, что оказывает огромное влияние на форму теплоотвода. Например, система отвода тепловой энергии светодиодной лампы не должна выходить за рамки стандартной грушевидной формы. Этот факт вынуждает разработчиков прибегать к различным ухищрениям: использовать печатные платы с алюминиевой основой, соединяя их с корпусом-радиатором при помощьи термоклея.
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 микролельэфом 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.
Материалы изготовления радиаторов
В настоящее время охлаждение мощных светодиодов производят преимущественно на радиаторах из алюминия. Такой выбор обусловлен лёгкостью, низкой стоимостью, податливостью в обработке и хорошими теплопроводящими свойствами этого металла. Монтаж медного радиатора для светодиода оправдан в светильнике, где первостепенное значение имеют размеры, так как медь в два раза лучше рассеивает тепло, чем алюминий. Свойства материалов, которые наиболее часто используются для охлаждения мощных светодиодов, рассмотрим более детально.
Алюминиевые
Коэффициент теплопроводности алюминия находится в пределах 202–236 Вт/м*К и зависит от чистоты сплава. По этому показателю он в 2,5 раза превосходит железо и латунь. Кроме этого, алюминий поддаётся разным видам механической обработки. Для увеличения теплоотводящих свойств алюминиевый радиатор анодируют (покрывают в чёрный цвет).
Медные
Теплопроводность меди составляет 401 Вт/м*К, уступая среди других металлов лишь серебру. Тем не менее медные радиаторы встречаются намного реже алюминиевых, что обусловлено наличием ряда недостатков:
- высокая стоимость меди;
- сложная механическая обработка;
- большая масса.
Применение медной охлаждающей конструкции ведёт к увеличению себестоимости светильника, что недопустимо в условиях жёсткой конкуренции.
Керамические
Новым решением в создании высокоэффективных теплоотводов стала алюмонитридная керамика, теплопроводность которой составляет 170–230 Вт/м*К. Этот материал отличается низкой шероховатостью и высокими диэлектрическими свойствами.
С применением термопластика
Несмотря на то что свойства теплопроводных пластмасс (3–40 Вт/м*К) хуже, чем у алюминия, их главными преимуществами являются низкая себестоимость и лёгкость. Многие производители светодиодных ламп используют термопластик для изготовления корпуса. Однако термопластик проигрывает конкуренцию металлическим радиаторам в проектировании светодиодных светильников мощностью более 10 Вт.
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.
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.
Охлаждение светодиодов большой мощности
Конечно, светодиоды, имеющие мощность выше 10 Вт и ниже 50 Вт, нет смысла обеспечивать принудительной вентиляцией – с их охлаждением могут вполне справиться радиаторы из меди или алюминия. А вот при большей мощности это становится проблематичным. Конечно, нет ничего невозможного, но имеет ли смысл оставлять естественное охлаждение при высокой мощности прибора, если вес только охлаждающего устройства будет 400 грамм и более?
В таком случае придется поразмышлять, как скомпоновать радиатор с небольшим кулером. Конечно, это создаст некоторые затруднения в плане оборудования отсечения питания в случае выхода из строя вентилятора, а также и его питания, но зато поможет снизить вес светодиодного светильника.
Выходит, что человек ставится перед выбором – либо тяжелый и габаритный, но сравнительно дешевый охлаждающий элемент, либо установка компактного радиатора, имеющего малый вес, с кулером, устройством питания и автоматикой отключения.
На это можно сказать, что как бы ни было хорошо устройство охлаждения, оно не обеспечит идеального теплового сопротивления. Вот как раз для его снижения и применяется специальная термопаста. Практическим опытом обосновано, что она достаточно эффективна, а потому и применяется повсеместно и в компьютерной технике, и в бытовой электронике. Если она хорошего качества, то у нее будет низкая вязкость и хорошая устойчивость к затвердеванию при повышении температуры.
Радиатор с кулером
Расчет площади радиатора
Существуют два метода расчёта радиатора для светодиода:
- проектный, суть которого состоит в определении геометрических размеров конструкции при заданном температурном режиме;
- поверочный, который предполагает действовать в обратной последовательности, то есть при известных параметрах радиатора можно рассчитать максимальное количество теплоты, которую он способен эффективно рассеивать.
Применение того или иного варианта зависит от имеющихся исходных данных. В любом случае точный расчёт – это сложная математическая задача с множеством параметров. Кроме умения пользоваться справочной литературой, брать необходимые данные из графиков и подставлять их в соответствующие формулы, следует учитывать конфигурацию стержней или рёбер радиатора, их направленность, а также влияние внешних факторов. Также стоит учитывать и качество самих светодиодов. Зачастую в светодиодах китайского производства реальные характеристики расходятся с заявленными.
Точный расчёт
Прежде чем перейти к формулам и расчётам, необходимо ознакомиться с основными терминами в области распространения тепловой энергии. Теплопроводность представляет собой процесс передачи тепловой энергии от более нагретого физического тела к менее нагретому. Количественно теплопроводность выражается в виде коэффициента, который показывает, сколько теплоты способен передать материал через единицу площади при изменении температуры на 1°K. В светодиодных светильниках все части, задействованные в обмене энергии, должны обладать высокой теплопроводностью. В частности это касается передачи энергии от кристалла к корпусу, а затем к радиатору и воздуху.
Конвекция – тоже процесс передачи тепла, который происходит за счёт движения молекул жидкостей и газов. Применительно к светодиодным светильникам принято рассматривать обмен энергией между радиатором и воздухом. Это может быть естественная конвекция, происходящая за счет естественного перемещения воздушного потока, или принудительная, организованная за счёт установки вентилятора.
В начале статьи указывалось, что около 70% потребляемой светодиодом мощности расходуется в тепло. Чтобы рассчитать радиатор для светодиодов, необходимо знать точное количество рассеиваемой энергии. Для этого воспользуемся формулой:
PТ=k*UПР*IПР, где:
PТ – мощность, выделяемая в виде тепла, Вт; k – коэффициент, учитывающий процент энергии, переходящей в тепло. Это величина для мощных светодиодов принимается равной 0,7-0,8; UПР – прямое падение напряжения на светодиоде при протекании номинального тока, В; IПР – номинальный ток, А.
Пришло время посчитать количество препятствий, расположенных на пути прохождения теплового потока от кристалла к воздуху. Каждое препятствие представляет собой тепловое сопротивление (termal resistance), обозначаемое символом (Rθ, градус/Вт). Для наглядности всю систему охлаждения представляют в виде схемы замещения из последовательно-параллельного включения тепловых сопротивлений
Rθja= Rθjc+ Rθcs+ Rθsa, где:
Rθjc – тепловое сопротивление p-n-переход-корпус (junction-case); Rθcs – тепловое сопротивление корпус-радиатор (case-surfase radiator); Rθsa– тепловое сопротивление радиатор-воздух (surfase radiator-air).
Если предполагается устанавливать светодиод на печатную плату или использовать термопасту, то также нужно учесть их тепловые сопротивления. На практике значение Rθsa можно определить двумя способами.
Рассчитать по формуле Rθja=(Tj-Ta)/Pт, где:
Rθja – сопротивление p-n-переход-воздух; Tj – максимальная температура p-n-перехода (справочный параметр), °C; Ta – температура воздуха вблизи радиатора, °C.
Rθsa= Rθja-Rθjc-Rθcs, где Rθjc и Rθcs – справочные параметры.
Найти из графика «зависимость максимального теплового сопротивления от прямого тока».
По известному Rθsa выбирают стандартный радиатор. При этом паспортное значение теплового сопротивления должно быть немного меньше расчетного.
Приблизительная формула
Многие радиолюбители привыкли использовать в своих самоделках радиаторы, оставшиеся от старой электронной аппаратуры. При этом они не желают углубляться в сложные вычисления и покупать дорогие новинки импортного производства. Как правило, их интересует один только вопрос: «Какую мощность может рассеять имеющийся в наличии алюминиевый радиатор для светодиодов?»
Предлагаем воспользоваться простой эмпирической формулой, позволяющей получить приемлемый результат расчёта: Rθsa=50/√S, где S – площадь поверхности радиатора в см2.
Подставляя в данную формулу известное значение суммарной площади теплоотвода с учетом поверхности рёбер (стержней) и боковых граней, получаем его тепловое сопротивление.
Допустимую мощность рассеивания находим из формулы: Pт=(Tj-Ta)/Rθja.
Приведенный расчёт не учитывает много нюансов, влияющих на качество работы всей охлаждающей системы (направленность радиатора, температурные характеристики светодиода и пр.). Поэтому полученный результат рекомендуется умножать на коэффициент запаса – 0,7.
Какой радиатор выбрать
При выборе радиатора нужно обращать внимание на много критериев, это: материал радиатора, площадь его рабочей поверхности, форма охладителя. Всё это значительно влияет на характеристики теплоотвода. Дешевые радиаторы из алюминия охлаждают хуже, чем медные радиаторы и графитовые, но и цена у последних не маленькая. Материал, из которого изготавливаются радиаторы для транзисторов / светодиодов / микросхем, – это алюминий или медь.
Медные – дороже, но у них лучший теплоотвод, потому что медные радиаторы обладают лучшей теплопроводностью. Например, радиатор для процессора, радиатор для видеокарты и радиатор для чипсета – лучше выбирать на основе меди. А вот радиаторы для транзисторов или светодиодов целесообразнее купить на основе алюминия (его сплавы), потому что в данном случае вы получите оптимальное соотношение цена/качество.
Если у вас есть возможность, то покупайте их в интернет магазинах со скидками, или на рынках барахолках. Где цены на много ниже, чем у новых, а качество то же самое.
Радиатор для светодиода своими руками
Сделать алюминиевый радиатор для светодиодов 1, 3 или 10 Вт своими руками несложно. Сначала рассмотрим простую конструкцию, на изготовление которой потребуется около полчаса времени и круглая пластина толщиною 1-3 мм. По окружности через каждые 5 мм делают надрезы к центру, а получившиеся сектора слегка загибают, чтобы готовая конструкция напоминала крыльчатку. Для крепления радиатора к корпусу в нескольких секторах делают отверстия. Немного сложнее сделать самодельный радиатор для 10 ваттного светодиода. Для этого понадобиться 1 метр алюминиевой полосы шириной 20 мм и толщиной 2 мм. Сначала полосу распиливают ножовкой на 8 равных частей, которые затем складывают стопкой, просверливают насквозь и стягивают болтом с гайкой. Одну из боковых граней шлифуют под крепление светодиодной матрицы. С помощью стамески полосы разгибают в разные стороны. В местах крепления светодиодного модуля сверлят отверстия. На отшлифованную поверхность наносят термоклей, сверху прикладывают матрицу, фиксируя её саморезами.
