Эффективные решения для теплоотвода в светодиодной светотехнике

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.

Радиаторы с принудительным охлаждением

Еще есть радиаторы, которые лучше принудительно охлаждать. Такие можно увидеть в компьютерных блоках питания. При небольшой площади такие радиаторы рассеивают большое количество мощности. Их недостатком является шум в работе и износ вентиляторов.

Делаются они из алюминия и его сплавов. Так же есть медные радиаторы, но их цена намного дороже. Но отводят они тепло намного лучше. И если у вас дорогое оборудование, то что бы избежать перегрева лучше использовать радиаторы из меди.

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.

Площадь элемента охлаждения

Рассчитать площадь охлаждающего элемента для светодиодной лампы можно двумя способами – проектным и поверочным.

Суть проектного состоит в том, чтобы определить геометрические размеры охлаждаемого прибора, а поверочный способ – действие от обратной точки, т. е. зная возможности радиатора по его размерам, нужно высчитать, на какой объем теплообмена он будет способен.

Конечно, решать, какой из вариантов наиболее приемлем, нужно отдельно в каждом конкретном случае, исходя из имеющихся данных, но при любом выборе необходимо понимать, что требуется решение точной математической задачи с формулами и множеством неизвестных. К тому же, кроме справочной литературы понадобятся данные графиков с подставлением к ним необходимых формул, а также учет не только размера и направленности решетки, которую имеет теплоотвод, но и внешних влияний.

А еще имеет смысл учесть страну-производителя светодиодов, т. к. китайцы часто «радуют» несоответствием заявленных характеристик реальным.

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:

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.

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).

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.

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.

Эффективные решения для теплоотвода в светодиодной светотехнике

Известно, что КПД мощных светодиодов на порядок выше, чем у ламп накаливания. В то же самое время большая часть энергии, потребляемой светодиодами (около 75%), все-таки рассеивается в виде тепла. С ростом светового потока от светодиодных источников растет тепловыделение. По оценкам некоторых международных и отечественных экспертов, обеспечение эффективного теплоотвода в светодиодной светотехнике — одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед разработчиками и производителями данной продукции. Настоящая статья посвящена решению задач теплоотвода в современной светодиодной светотехнике при помощи эффективных теплопроводящих материалов.

Почему важен эффективный отвод тепла в светодиодной светотехнике

В отличие от традиционных ламп накаливания и газоразрядных ламп, современные светодиоды чувствительны к высоким температурам по следующим причинам:

– во-первых, при перегреве светодиода уменьшается его эффективность, падает световой поток, изменяется цветовая температура, а срок службы может сокращаться в разы;

– во-вторых, при температуре 80°С интенсивность свечения падает примерно на 15% в сравнении с интенсивностью при комнатной температуре. Как результат, светильник с 20-ю светодиодами при температуре 80°С может иметь световой поток, эквивалентный потоку от 17-ти светодиодов при комнатной температуре. При температуре перехода равной 150°С интенсивность света светодиодов может упасть на 40%!;

– в-третьих, у светодиодов температурный коэффициент прямого напряжения отрицательный, т.е. при повышении температуры оно уменьшается. Обычно этот коэффициент составляет –6…–3 мВ/K, поэтому прямое напряжение типичного светодиода может составлять 3,3 В при 25°C и не более 3 В при 75°C. Если источник питания не позволяет снижать ток на светодиодах, это может привести к еще большему перегреву и выходу светодиодов из строя. Кроме того, многие источники питания для светодиодных светильников рассчитаны на температуру эксплуатации до 70°С.

Таким образом, для эффективной работы многих светодиодных устройств важно обеспечить температуру не более 80°С как в области p-n-перехода светодиодов, так и в области источника питания. Несоблюдение рекомендуемого температурного режима может привести к потере количества и качества света, увеличению стоимости света от светодиодного устройства, а также сокращению жизни прибора.

Реализация теплоотвода в светодиодной светотехнике

Наиболее распространенным способом отведения избыточного количества тепла от мощных светодиодов и микросхем является его передача на печатную плату (в т.ч. платы с металлическим основанием — MC PCB, AL PCB, IM PCB), подложку или другие конструктивные элементы электронного устройства. Также применяется установка радиатора на перегревающийся компонент (или перегревающегося компонента на радиатор), что увеличивает площадь лучистого и конвекционного обмена. Затем тепло передается в окружающую среду преимущественно при помощи конвекции. Это относительно недорогие и эффективные методы, однако в каждом случае эффективность теплоотвода зависит от эффективности передачи тепла в области контакта двух поверхностей.

Дело в том, что поверхности источника тепла и теплоприемника имеют шероховатости и неровности. При контакте плоскостей в большинстве случаев возникают зазоры (микрополости), в которых содержится воздух (см. рис. 1). В результате плоскости контактируют точечно, что существенно увеличивает тепловое сопротивление перехода.

Следует учитывать, что коэффициент теплопроводности воздуха крайне мал — 0,02 Вт/м∙К — и примерно в 40 раз меньше, чем у типичных теплопроводящих паст. Таким образом, в связи с наличием воздуха между контактирующими поверхностями возникает высокое сопротивление тепловому потоку, и эффективность отвода тепла существенно падает. Чтобы избежать этого негативного эффекта, используется теплопроводящий материал, который заполняет зазоры. Тип материала выбирают, исходя из рассеиваемой мощности, конструктивных особенностей изделия и уровня теплопередачи.

Уровни теплопередачи в типовом светодиодном устройстве

Рассмотрим несколько уровней передачи тепла в типичном светодиодном светильнике (см. рис. 2).

Уровень 1: передача тепла от светодиода на печатную плату или основание. Этот уровень характеризуется очень малой площадью контакта и относительно большим количеством передаваемого тепла. Таким образом, для обеспечения эффективной теплопередачи необходим материал, который обеспечит минимальное тепловое сопротивление в области контакта поверхностей. Часто для обеспечения теплопередачи на первом уровне теплоотводящее основание светодиодов припаивают к плате. Пайка — хороший вариант для теплопередачи, т.к. коэффициент теплопроводности типичного припоя равен 85 Вт/м∙К. Однако использование данного способа в ряде случаев ограничено из-за технологических соображений. Альтернативой пайке может служить применение теплопроводящих клеев или паст с высокой теплопроводностью (до 7 Вт/м∙К для материалов Dow Corning).

Уровень 2: передача тепла от платы (модуля) со светодиодами на радиатор или другую рассеивающую тепло поверхность. Этот уровень характеризуется большой площадью передачи и менее мощным удельным тепловым потоком в сравнении с рассмотренным ранее первым уровнем. Для обеспечения теплопередачи на втором уровне можно использовать материалы с относительно невысокой теплопроводностью (в пределах 2 Вт/м∙К). В качестве теплопроводящего материала (в зависимости от конструкции изделия) могут использоваться силиконовые теплопроводящие пасты, клеи, подложки или компаунды.

Если светодиоды устанавливаются непосредственно на радиатор, первый и второй уровни теплопередачи совпадают. В этом случае в качестве теплопроводящего материала можно использовать теплопроводящие пасты или клеи с высокой теплопроводностью.

Применение теплопроводящих паст

Важно учитывать, что для использования в современных светодиодных устройствах теплопроводящие пасты должны иметь широкий диапазон рабочих температур. Для уличного светильника такой диапазон может составлять –50…100°С и выше. Опыт показывает, что широко распространенные и популярные на отечественных производствах традиционные теплопроводящие пасты в ряде случаев не отвечают таким жестким требованиям. Поэтому через относительно короткий период времени паста может высохнуть, потерять свои полезные свойства и, как следствие, теплопередача будет нарушена.

Хорошо зарекомендовавшим себя материалом в светодиодной светотехнике для задач теплопередачи второго уровня является силиконовая теплопроводящая паста Dow Corning SC 102. Теплопроводность пасты величиной 0,8 Вт/м∙К позволяет ее использовать во многих светодиодных конструкциях, а диапазон рабочих температур –45…200°С обеспечивает эффективную и надежную теплопередачу практически при любых возможных температурах эксплуатации светильника.

Для более эффективного отвода тепла от теплонагруженных компонентов (задачи первого уровня теплопередачи), можно использовать пасты Dow Corning с более высоким коэффициентом теплопроводности вплоть до 7 Вт/м∙К (Dow Corning TC-5600).

Применение теплопроводящих клеев

Избавиться от дополнительных элементов крепления можно, используя силиконовые теплопроводящие клеи. В дополнение к теплоотводу они обеспечивают еще и механическую фиксацию, что позволяет упростить процесс сборки светильника. Силиконовые теплопроводящие клеи прекрасно работают в широком диапазоне температур и обладают высокой теплопроводностью, что обусловливает их широкое применение в современной светодиодной технике. В качестве примера можно привести несколько силиконовых теплопроводящих клеев Dow Corning и рассмотреть их особенности (таб. 1)

* Отверждение слоя в 3 мм при относительной влажности воздуха 55%.

** Линейка теплопроводящих клеев Dow Corning не ограничивается материалами, приведенными в таблице.

Применение теплопроводящих силиконовых компаундов

Часто светодиодная техника — информационные экраны, светильники уличного освещения, светильники взрывобезопасного исполнения, светофоры — оказывается подвержена неблагоприятным воздействиям окружающей среды: влажность, соляной туман, кислотные осадки, загрязнение пылью и т.д.

Существует несколько способов защиты светодиодных устройств от воздействия внешней среды. Традиционно используется стекло, которым закрывают устройство. Однако тепловой режим устройства и его оптические характеристики при таком способе защиты не становятся лучше.

Кроме того, в подавляющем большинстве случаев замкнутое пространство под защитным стеклом светильника остается заполненным воздухом, поэтому при определенных условиях под стеклом светильника может образовываться конденсат (см. рис. 3). Это может изменить оптические свойства светильника, вызвать коррозию и короткое замыкание в устройстве. Очевидно, что современный светильник требует более надежных решений для защиты устройства.

Многие производители для защиты устройства все чаще используют теплопроводящие заливочные компаунды (см. рис. 4, 5). В этом случае плата или светильник заливается с внешней стороны до уровня оптических элементов светодиодов. Таким образом, при помощи одного материала обеспечивается отвод тепла от светодиодов, защита светодиодного устройства от негативного воздействия внешней среды и дополнительная механическая прочность светильника. Такое решение может повысить эффективность сборки, надежность и конкурентоспособность светодиодного устройства.

Хорошим решением для заливки светодиодного устройства могут быть силиконовые компаунды Sylgard 160 и Sylgard 170. Материалы характеризуются теплопроводностью до 0,6 Вт/м∙К и возможностью полимеризации при любой глубине заливки. Время полимеризации компаундов составляет несколько минут при повышенной температуре (4 мин при 100°С). Также возможна полимеризация при комнатной температуре, но время отверждения будет дольше. Основные различия этих материалов в том, что Sylgard 170 более текучий (2000 сП против 6000 сП у Sylgard 160). Это обстоятельство определяет выбор компаунда для решения конкретной задачи.

Таким же образом можно поступить при защите источника питания (драйвера) от негативных внешних воздействий. Принцип тот же: компаунд заполняет объем, в котором ранее был воздух, позволяя улучшить тепловой баланс всего блока. Такое решение является общепринятой мировой практикой.

В некоторых конструкциях драйвер заключен в корпус светильника. Из-за ограниченного теплообмена драйвер может перегреться и переключиться в режим «защита от перегрева». Для примера можно рассмотреть тепловую модель светодиодного светильника, где красная зона в центре показывает перегретый драйвер (см. рис. 5). В ряде случаев воздух, окружающий источник питания, может выступать в роли теплоизолятора и ограничивать теплопередачу на корпус светильника. Выходом из такой ситуации может быть заполнение пространства вокруг источника питания материалом с высокой теплопроводностью, например, теплопроводящим силиконовым компаундом.

Применение теплопроводящих подложек

Для повышения технологичности сборки и упрощения конструкции светодиодного светильника полезным решением могут оказаться теплопроводящие подложки. Этот класс материалов представляет собой заранее отвержденный силиконовый гель со специальными свойствами. Теплопроводность до 3,5 Вт/м∙К и толщина 0,25…5,0 мм позволяют решать широкий спектр задач по отводу тепла с поверхности печатных узлов (данные приведены для материалов Dow Corning).

С точки зрения конструкции изделия, помимо передачи тепла подложки могут выполнять еще и функцию заполнения воздушных зазоров до 4 мм и более (можно складывать подложки в несколько слоев). Эта возможность востребована как при производстве светодиодных устройств, так и источников питания. Кроме того, благодаря высоким диэлектрическим свойствам и хорошей сжимаемости одна подложка обеспечивает отвод тепла с любой площади печатного узла и от компонентов различных размеров и форм (см. рис. 6).

С технологической точки зрения, применение теплопроводящих подложек упрощает и сокращает процесс сборки светодиодной техники. Подложки не требуют процессов полимеризации, что исключает необходимость применения специального оборудования для отверждения, сокращает затраты времени на сборку, уменьшает потребление электроэнергии и использование человеческих ресурсов.

Применение теплопроводящих подложек способно повысить конкурентоспособность светодиодной техники как за счет обеспечения высокого качества продукции, так и за счет оптимизации себестоимости.

Заключение

Еще раз подчеркнем, что по оценкам экспертов, обеспечение эффективного теплоотвода в светодиодной светотехнике — одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед разработчиками и производителями данной продукции. Вполне вероятно, что успешными производителями светодиодной светотехники завтрашнего дня будут именно те, кто раньше найдет и применит современные решения по обеспечению теплового режима работы устройств.

Применение современных теплопроводящих материалов является как раз одним из тех решений, которые позволят повысить конкурентоспособность светодиодной техники за счет высокого качества продукции и оптимизации себестоимости. Специалисты Остека готовы помочь вам в поиске таких решений и применении их на практике!

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.

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

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.

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,

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.

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.