Все про радіатори для світлодіодів

При складанні світлодіодного приладу важливо правильно вибрати, спроектувати та встановити систему для його охолодження – радіатор для світлодіодів. Якщо тепловий режим для роботи світлодіода підібраний неправильно, це згодом призведе до його перегріву та виходу з ладу.

Навіщо потрібно охолоджувати світлодіод

Думка про те, що світлодіод не нагрівається хибно. Воно будується на тому, що торкаючись такого малопотужного приладу, не відчуваєш тепла. Відповідно до закону збереження енергії: енергія не з'являється з нічого і не пропадає безвісти, а перетворюється з одного виду в інший. Світлодіоди, як твердотільні джерела світла, випромінюють видиму частину спектра і виділяють тепло. Внаслідок термоелектричних явищ, що відбуваються у напівпровідникових світлодіодах, виділяється тепло. У прямій залежності від температури нагрівання світлодіодів змінюються його показники та характеристики. Така сильна залежність показників від температури призводить до того, що:

• напівпровідниковий перехід при нагріванні світлодіодного кристала деградує, і він швидко зношується, а термін експлуатації знижується;



• тепловий рубіж у світлодіодів, після якого настає пробій, досягається після підвищення температури до 150°С. Залежно від матеріалів, що застосовуються, змінюється кількість світлового потоку і терміну зносу;



• поступово зменшується кількість світлового потоку, що відбивають криві залежності, зображені на Рис.1;



• із зміною температури змінюється і величина прямого падіння напруги на світлодіоді. Під час нагрівання джерела світла збільшується показник прямого падіння напруги.На графіках кривими зображується така залежність.

Наведені вище причини є серйозним приводом, щоб забезпечити відведення тепла від світлодіодного приладу.

Як охолоджувати світлодіод

Ефективним способом охолодження кристала буде відведення надлишкового тепла, використовуючи явище теплопровідності.

У радіоелектроніці для тепловідведення застосовують радіатори, за допомогою яких відводять тепло в атмосферу двома способами. При першому способі охолодження пасивному, одна частина теплових інфрачервоних хвиль випромінюється в атмосферу, а друга йде завдяки конвекції теплого повітря від радіатора (Рис. 2). У світлодіодах з невисокою потужністю при цьому пасивному способі теплової конвекції тепло проводиться через металеві контакти, показник теплопровідності яких дозволяє в достатньому обсязі відводити надлишки від кристала. Більш довгі контакти дозволяють краще відводити та розсіювати тепло по платі. Недоліком пасивного методу є великий розмір, вага і висока вартість тепловідведення, що встановлюється.

Мал. 2. Пасивний спосіб теплової конвекції

Турбулентна конвекція відноситься до другого активного способу охолодження. Для виведення тепла із потужних світлодіодних приладів на радіаторі закріплюється змонтований на підкладці кристал.

Розміри, форма та кількість ребер радіатора безпосередньо залежать від потужності діода. У систему вбудовані механічні пристрої та вентилятори, що створюють активні потоки повітря (Рис.3). Наприклад, лампи потужністю 20 ват у фарах автомобілів бізнес-класу примусово обдуваються вбудованими кулерами. Цей спосіб більш продуктивний, але застосовний тільки в умовах хорошої погоди та відсутності великої запиленості приміщення.

Рис.3.Вентилятори для активного способу охолодження

Установка радіатора знижує процес перегріву світлодіода, що дозволяє кілька разів збільшити термін його експлуатації.

Типи радіаторів

Перед збиранням пристрою необхідно визначитися з типом використовуваного радіатора:

За необхідності природного охолодження джерела світла застосовують перший тип, а разі примусового — другий. Зазвичай штирьовий, при однакових розмірах з ребристим, продуктивніше на 70%.

Рис.4. Радіатор ребристий

Радіатор ребристого типу переважно застосовують при активному способі відведення тепла. Але за певних геометричних параметрах його використовують у пасивному способі.

Рис.5. Радіатор голчастий

Коли дистанція між голками дорівнює 4 мм, пристрій призначається для природного тепловідведення, а зазор 2 мм радіатор укомплектовують вентилятором.

Матеріали для радіаторів

Для довгої та продуктивної роботи світлодіода дуже важливо підібрати якісний матеріал для радіатора. Його обирають за певними вимогами та показниками. Показник теплопровідності має знаходитися в межах 6-10 Вт. При нижчому показнику матеріал не проведе тепло, що потрапляє у повітря. При показнику теплопровідності вище 10 Вт ефективність роботи пристрою за технічними показниками не зросте, а витрати на матеріал будуть зайвою тратою грошей. Найбільш підходящими матеріалами під час виробництва вважаються алюміній, кераміка, мідь. У поодиноких випадках виготовляють прилад із матеріалів, що включають до складу пластмаси, що сприяють розсіюванню тепла.

Світлодіодний радіатор найчастіше виготовляють із пресованого алюмінію, оскільки він краще за інші матеріали відводить тепло.Головною вадою алюмінієвого радіатора для світлодіодів вважають велику кількість шарів у виробі, що сприяє появі перехідного теплового опору. Щоб подолати такий опір, необхідно додати у виріб матеріали, що мають теплопровідні властивості та заповнюють повітряні прошарки: клеючі речовини, ізоляційні пластини та ін.

Перевага мідного радіатора, порівняно з алюмінієвим, у вищій теплопровідності. Недолік його у важчій вазі виробу та меншій податливості металу. Метод пресування мідного та обробка різанням дуже затратні способи виготовлення.

Більш прийнятним варіантом відведення тепла є підкладка із кераміки. До її струмоведучих трас припаюють світлодіоди, що дозволяє збільшити тепловідведення вдвічі порівняно з радіаторами, виготовленими з металу.

Розсіююче тепло пластмаса за вартістю дешевше алюмінієвого виробу. Так як теплопровідність самої пластмаси становить - 0,2 Вт/м, то досягти прийнятного показника можливо тільки за рахунок додавання наповнювачів. Якщо алюмінієвий радіатор замінити на пластмасовий такого ж розміру, то температура в зоні підведення збільшиться на 5%.

Проводимо розрахунок площі радіатора

Зауважте, для правильного розрахунку площі радіатора враховують параметри корисної площі розсіювання, а не поверхневої площі.

При підрахунку корисної площі (S) включають суму площ ребер та підкладки у квадратних метрах. Потрібно врахувати, що у кожного ребра дві поверхні, що відводять. У такому разі S тепловідведення прямокутної форми S - 1 см 2 складає - 2 см 2 .

В результаті експериментів було виведено формулу розрахунку необхідної площі тепловідведення:

S = (22 - (M x 1.5)) x W, в якій

S – площа тепловідведення радіатора; W - Потужність підведена (Вт); M - Потужність світлодіода. Для пластинчастих радіаторів з алюмінію можна застосувати такі прикладні дані розраховані фахівцями з Тайвані:

• 1 Вт: 10 ÷ 15 см 2 ;



• 3 Вт: 30 ÷ 50 см 2 ;



• 10 Вт: приблизно 1000 см 2;



• 60 Вт: 7000 73000 см 2 .

Оскільки діапазон зазначених даних має великий розбіг і визначені вони в умовах для клімату південної країни, то величини не є абсолютно точними та підходять для попереднього підрахунку.

Більш детальну інформацію про розрахунок площі радіатора можна отримати, переглянувши відео.

Як зробити радіатор своїми руками

Радіатор – важлива деталь у роботі LED, від якості залежить довговічність світлодіода. Зробити своїми руками радіатор із підручних матеріалів можна наступним способом:

1. Саморобно. Вирізавши коло із листового алюмінію, по краях роблять надрізи. Як показано на Рис.6, вусики відгинають як у вентилятора. 4 вусика окремо відгинають по осях тепловідведення для подальшого прикріплення конструкції до основи світлодіода. Закріпити конструкцію можна шурупами, попередньо нанісши термопасту. Рис.6. Саморобний алюмінієвий радіатор.



2. При другому способі використовують профіль (з алюмінію) та відріз труби з прямокутним перерізом 30х15х1,5. (Мал.7). Додаткові матеріали: профіль 265, прес-шайба 16 мм, термоклей, термопаста, шурупи. Спочатку просвердлюють у трубі 3 отвори 8 мм, потім у профілі – 3,8 мм – для подальшого закріплення шурупами. Термоклеєм клеять джерело світла до труби, як до основи, попередньо наносять термопасту в місцях частин, що приклеюються.Використовуючи шурупи та прес-шайби збирають всю конструкцію.

Щоб з'єднання вийшло міцним, світлодіод після нанесення клею придавлюють на чотири години важким вантажем.

Рис.7. Профільна труба для радіатора

Вибираючи радіатор для світлодіода, варто обов'язково врахувати тип матеріалу з якого він складається і його площа. Неправильно підібраний радіатор істотно скоротить термін служби світлодіода, а в деяких випадках може вивести його з ладу в перші години роботи.

Радіатор для світлодіодів

Часто перерахована перевага світлодіодів полягає в тому, що вони не виділяють тепло. У певному сенсі, це правда, світлодіоди прохолодні на дотик, тому що вони зазвичай не виділяють тепло у вигляді інфрачервоного (ІЧ) випромінювання. Це явно безпосередньо не стосується ІЧ-світлодіодів.

ІЧ випромінювання - це те, що насправді виділяє лампи розжарювання та інші джерела світла, роблячи їх гарячими на дотик. Без інфрачервоного випромінювання світлодіоди можуть бути розміщені в місцях, де тепло від інших джерел може спричинити проблеми (пожежонебезпечні місця, вирощувати рослини, освітлювати їжу тощо).
Хоча світлодіоди прохолодні на дотик, у самих пристроях є багато небажаного нагріву. Це тепло походить від неефективності напівпровідників, які генерують світло. Ефективність випромінювання (загальна оптична вихідна потужність, поділена на загальну електричну вхідну потужність) світлодіодів зазвичай становить від 5 до 40%, що означає, що 60-95% вхідної потужності втрачається у вигляді тепла. Так що ви робите з усім цим надлишковим внутрішнім теплом?!

Процедура теплообміну

Щоб підтримувати низьку температуру переходу та підтримувати на високому рівні характеристики світлодіода, слід розглянути кожен метод відведення тепла від світлодіодів. Провідність, конвекція та випромінювання є трьома способами передачі тепла. Як правило, світлодіоди укладені в прозору смолу, яка є поганим теплопровідником. Багато тепло, що виділяється, проходить через зворотний бік чіпа.

Тепло генерується з PN-переходу електричної енергії, яка не була перетворена на корисне світло і передавалася у зовнішнє середовище по шляху, від переходу до паяння, припій до плати, і від підкладки до радіатора, а потім в атмосферу.

Типовий вид збоку світлодіода та його теплова модель показані на малюнках.

Температура переходу буде нижчою, якщо тепловий імпеданс меншим і аналогічним, з нижчою температурою навколишнього середовища. Щоб максимізувати корисний діапазон температури навколишнього середовища для розсіювання потужності , загальний тепловий опір від з'єднання до навколишнього середовища повинен бути мінімізований.

Значення термічного опору широко варіюються залежно від постачальника матеріалу чи компонента. Наприклад, R JC буде змінюватись від 2,6 ° C / Вт до 18 ° C / Вт, в залежності від виробника світлодіода. Тепловий опір матеріалу термостійкості (TIM) також буде змінюватись в залежності від обраного типу матеріалу. Звичайні TIM – це епоксидна смола, термопаста, чутливий до тиску клей та припій.

Типи радіаторів

Деякі міркування щодо пасивних теплових конструкцій, тобто радіаторів для світлодіодів, для забезпечення хорошого управління температурою при роботі світлодіодів високої потужності включають:

Клей

Клей зазвичай використовується для склеювання світлодіодів та плати, а також плати та радіаторів. Використання теплопровідного клею може додатково оптимізувати теплові характеристики.

Радіатор

Радіатори забезпечують шлях для проходження тепла від світлодіодного джерела до зовнішнього середовища. Радіатори можуть розсіювати енергію трьома способами: провідність (передача тепла від одного тіла до іншого), конвекція (передача тепла від твердого тіла до рідини, що рухається, яка для більшості застосувань СІД буде повітрям) або випромінювання (передача тепла від двох тіл різних температур поверхні через теплове випромінювання).

• Матеріал – Теплопровідність матеріалу, з якого виготовлений радіатор, безпосередньо впливає на ефективність розсіювання за рахунок теплопровідності. Зазвичай це алюміній, хоча мідь може використовуватися з перевагою плоских радіаторів. Нові матеріали включають термопласти, які використовуються, коли вимоги до тепловіддачі нижчі за нормальні, або складна форма отримає перевагу від лиття під тиском, а також рішення з натурального графіту, які забезпечують кращу теплопередачу, ніж мідь, з меншою вагою, ніж алюміній, плюс можливість формування у комплекс. двовимірні фігури. Графіт вважається екзотичним рішенням для охолодження та має більш високу вартість виробництва.



• Форма – Термічне перенесення відбувається на поверхні радіатора. Тому радіатори повинні мати більшу площу поверхні. Ця мета може бути досягнута шляхом використання великої кількості дрібних ребер або збільшення розміру радіатора.

Залежність теплопровідності радіатора для світлодіодів від форми

Хоча більша площа поверхні призводить до кращої ефективності охолодження, між ребрами має бути достатньо місця, щоб створити значну різницю температур між ребром та навколишнім повітрям. Коли ребра стоять надто близько один до одного, повітря між ними може стати майже такою самою температури, як ребра, так що передача тепла не відбудеться. Отже, більше ребер не обов'язково призводить до кращої продуктивності охолодження.

• Оздоблення поверхні – теплове випромінювання радіаторів є функцією обробки поверхні, особливо за більш високих температур. Пофарбована поверхня матиме більшу випромінювальну здатність, ніж яскрава, незабарвлена. Ефект найпомітніший у плоских радіаторах, де близько третини тепла розсіюється випромінюванням. Крім того, ідеально плоска область контакту дозволяє використовувати тонший шар термопласту, що зменшить тепловий опір між радіатором та світлодіодним джерелом. З іншого боку, анодування чи травлення поверхні контакту також зменшує тепловий опір.



• Спосіб монтажу - Кріплення радіатора за допомогою гвинтів або пружин часто краще, ніж звичайні затискачі, теплопровідний клей або клейка стрічка.

Для теплообміну між світлодіодними джерелами потужністю понад 15 Вт та радіатором рекомендується використовувати матеріал теплопровідності інтерфейсу з високою теплопровідністю (TIM), який створить тепловий опір на межі розділу нижче 0,2 К/Вт.В даний час найбільш поширеним рішенням є і матеріал з фазовим переходом, який наноситься у вигляді твердої прокладки при кімнатній температурі, але потім перетворюється на густу желатинову рідину, коли вона піднімається вище за 45 °C.

Теплові трубки та парові камери.

Теплові трубки та парові камери є пасивними та мають ефективну теплопровідність у діапазоні від 10000 до 100000 Вт/м К. Вони можуть забезпечити наступні переваги в керуванні температурою на світлодіодах:

• Передача тепла до зовнішнього радіатора з мінімальним падінням температури



• Ізотермізація природного конвекційного радіатора, підвищення його ефективності та зменшення його розмірів. В одному випадку додавання п'яти теплових трубок зменшило масу радіатора на 34% з 4,4 кг до 2,9 кг.



• Ефективно перетворіть високий тепловий потік безпосередньо під світлодіодом на нижчий тепловий потік, який може бути легко видалений.

Радіатори для світлодіодів. PCB (друкована плата)

• MCPCB – MCPCB ( PCB з металевою підкладкою – це ті плати, які містять матеріал підкладки з металу як розподільник тепла як невід'ємну частину друкованої плати. Металева підкладка зазвичай складається з алюмінієвого сплаву. Крім того, MCPCB може використовувати перевагу діелектричного полімерного шару з високою теплопровідністю зниження теплового опору.



• Поділ - Відділення ланцюга приводу світлодіодів від плати світлодіодів запобігає підвищенню температури, що генерується драйвером, від підвищення температури з'єднання світлодіодів.

Система товстоплівкових матеріалів.

• Адитивний процес - Товста плівка - це процес селективного осадження добавки, при якому матеріал використовується тільки там, де це необхідно. Пряме підключення до алюмінієвого радіатора; з кількістю матеріалів та кількістю споживаних матеріалів.



• Ізольована система алюмінієвих матеріалів – збільшує тепловий зв'язок та забезпечує високу міцність на розрив. Матеріали можна обпалювати при температурі менше 600°C. C. Це дозволяє розробнику зменшити кількість світлодіодів на платі, збільшивши потужність кожного світлодіода; або зменшити розмір підкладки, щоб управляти розмірними обмеженнями. Також доведено, що зниження температури з'єднання світлодіода значно збільшує термін його служби.

Тип упаковки

• Фліп-чіп - Концепція схожа на фліп-чіп в конфігурації корпусу, широко використовуваної в промисловості кремнієвих інтегральних схем.Відкидне з'єднання може бути евтектичним, з високим вмістом свинцю, безсвинцевим припоєм або золотою заглушкою, Основне джерело світла виходить від задньої сторони світлодіодного чіпа, і між випромінювачем світла і паяними з'єднаннями зазвичай є вбудований шар, що відбиває для відображення світла, випромінюваного в. Декілька компаній прийняли пакети з перевернутими кристалами для своїх потужних світлодіодів, що забезпечують зниження теплового опору світлодіоду приблизно на 60% за збереження його теплової надійності.

Світлодіодна нитка або сучасні лампи Едісон.

Світлодіодна лампа стиль лампи поєднує безліч світлодіодів з відносно низькою потужністю на прозорій скляній підкладці, покрита люмінофором, а потім інкапсулюється в силікон. Колба лампи заповнена інертним газом, що відводить тепло від розширеного ряду світлодіодів до колби лампи. Така конструкція виключає потребу великого радіатора.

Чому потрібно керувати температурою переходу світлодіодів?

При використанні потужних світлодіодів дуже важливо, щоб ви відводили тепло за допомогою ефективного керування температурою. Без хорошого відведення тепла температура з'єднання (внутрішня) світлодіода підвищується, що призводить до поганої зміни характеристик світлодіода. Його прискореної деградації та виходу з ладу.

При збільшенні температури переходу світлодіода зменшується як пряма напруга, і вихідний сигнал у просвіті (див. малюнок 1). Це не тільки знижує яскравість та ефективність вашого світлодіода, а й температура переходу впливає на загальний термін служби світлодіода.Світлодіоди зазвичай не виходять з ладу катастрофічно (хоча деякі можуть, особливо якщо ви перегріваєте їх); натомість світловий потік світлодіода з часом зменшуватиметься. Вищі температури переходу призводять до швидшого зносу світлодіодів. Саме тому важливо підтримувати низьку температуру з'єднання світлодіодів. Також врахуйте, що якщо ви перевантажуєте свій світлодіод (підводячи до нього більше струму, ніж він розрахований), це призведе до підвищення температури настільки, що може статися незворотне пошкодження.

Що впливає на температуру переходу?

Температура навколишнього середовища та струм, що проходить через світлодіод, впливають на температуру переходу світлодіодів. Інші фактори впливають на природу світла, чи то стійкий стан, чи то імпульсний і параметр, який нас дійсно цікавить, – потужність світлодіодів на одиницю площі радіатора (поверхня, яка розсіює тепло).

Найважливіша частина охолодження світлодіодів – це тепловий шлях від з'єднання світлодіодів до зовнішнього боку світильника. Тепло повинно бути ефективно відведене від світлодіода, а потім видалено із зони за допомогою будь-якого охолодження або розсіювання.

Радіатори є важливою частиною світлодіодного освітлення, оскільки вони забезпечують шлях проходження тепла від світлодіодного джерела світла до зовнішніх елементів. Радіатори здатні розсіювати енергію трьома способами: провідність (передача тепла від твердого тіла до твердого), конвекція (передача тепла від твердого тіла до рідини, що рухається, повітря в більшості випадків) або випромінювання (передача тепла від двох тіл у різні температури через теплове випромінювання).

Перед тим, як розпочати вибір радіатора, ви повинні знати, що коли ви купуєте світлодіоди на металевій підкладці, світлодіодні зірки, це вже вірний крок до кращого теплового контролю. Світлодіоди поставляються в котушках у вигляді оголених випромінювачів, які укладені в прозору смолу, яка, як правило, є поганим провідником тепла, тому коли ми встановлюємо їх на алюмінієву основу, вони діють як теплорозподільник і є невід'ємною частиною друкованої плати, яка допомагає в тепло .

Клей: Теплопровідні кампаунди

При монтажі світлодіодних плат на радіатори найкраще використовувати теплопровідний матеріал для подальших кроків за оптимальними тепловими характеристиками. Ми рекомендуємо цю епоксидну смолу Arctic Silver або теплопровідну липку стрічку Hexa Therm, яка по суті є просто теплою двосторонньою стрічкою точної форми світлодіодних зіркоподібних плат. HexaTherm не такий теплопровідний, як епоксидна смола, але він все одно зробить свою справу.

Матеріал радіатора

Теплопровідність матеріалу радіатора впливає на те, наскільки ефективно тепло розсіюється за рахунок теплопровідності. Мідь – краще, але через свою ціну алюміній використовується ширше і є матеріалом більшості радіаторів. Термопласти, як і композитний світлодіодний радіатор можуть використовуватися для невеликих світлодіодів з меншими вимогами до розсіювання тепла. Використання термопластів може бути дуже корисним, оскільки вони можуть бути відлиті у більшій кількості форм і мають набагато меншу вагу.

Форма радіатора

Термічний перенесення відбувається на поверхні радіатора.Саме тому найкращі радіатори мають велику площу поверхні. Це можна досягти шляхом збільшення розміру радіатора або використання ребристого радіатора. Схвалені радіатори допомагають, оскільки вони забезпечують набагато більше поверхонь передачі тепла. Зважаючи на те, що ребра розсіюють тепло, між ребрами все ще має бути достатньо місця для переміщення повітря, щоб створити різницю в температурі між ребрами та повітрям. Коли ребра зроблені надто близько один до одного, повітря між ними не охолоне і стане майже такою ж температурою, як ребра, які зупинять теплопередачу всі разом. Тому більше ребер не означає автоматично краще охолодження, вам потрібно добре продумати конструкцію радіатора.

Оздоблення радіатора

Поверхня вашого радіатора також безпосередньо впливає на теплопровідність. Пофарбована поверхня працюватиме краще, ніж яскрава, незабарвлена. Це також стосується анодування та травлення радіаторів, які зменшать тепловий опір і покращать тепловідведення в цілому.

Примусова конвекція (повітряне охолодження)

Як я вже говорив раніше, для великих світлодіодних матриць або світильників, які знаходяться в корпусі, де їхній потік повітря невеликий, ви можете розглянути якусь систему вентиляції. Це допоможе, оскільки повітря, що оточує ваш радіатор, у свою чергу, стане холоднішим і дозволить краще переносити тепло від поверхні радіатора до зовнішньої сторони.

Резюме

Ось і все, тепер ви повинні знати, навіщо вам світлодіодний радіатор. Вибираючи свій радіатор і знаходячи, який радіатор використовувати, не забудьте врахувати всі фактори, що впливають на тепло та процес охолодження:

1. Світлодіодна потужність



2. Кількість світлодіодів, які ви включаєте



3. Температура середовища, в якому працюватимуть світлодіоди



4. Чи встановлено світлодіоди у закритому чи відкритому просторі.



5. Щільність встановлення світлодіодних чипів.