Как сделать теплоотвод для светодиодов
Hawk82 › Блог › Зачем радиатор маломощным светодиодам. Вопросы охлаждения.
После опубликования отчета по переделке салонных плафонов, у некоторых пытливых товарищей возник вопрос характера, а зачем маломощным SMD светодиодам радиатор? Вопрос обширный и я решил написать небольшую статейку, где простым языком попробую раскрыть тему.
Начнем очень издалека. Первое, что вспомним, это закон сохранения энергии. Энергия не берется из неоткуда и не исчезает бесследно, она только переходит из одно вида в другой, бла, бла, бла. Электрические источники света преобразуют электрическую энергию в оптическую (полезная энергия) и тепловую (бесполезная).
Двигаемся дальше.
Способы переноса тепла. Их три: конвекция, тепловое излучение и теплопроводность. Конвекция, это когда воздух, скажем, над батареей нагревается, становится легче и поднимается вверх. На его место приходит холодный воздух и так до бесконечности. Тепловое излучение – это когда нагретое тело излучает тепло в окружающее пространство напрямую в виде инфракрасного излучения (сокращенно ИК). Например, тепло Солнца, тепло рядом с костром (только не над костром, там еще и конвекция) это в чистом виде ИК изучение. Ну и теплопроводность, это перенос тепла через материал. Например, вы лежите на теплом песке, и он передает вам свое тепло. Ну или сковородку голыми руками с плиты взяли, она вам тепло передала ))) Думаю все просто, понятно и легко можно привести примеры из быта.
Теперь начнем обсасывать наши источники света и сравнивать лампы накаливания и светодиоды. Лампа накаливания, это нагретая спираль в стеклянной колбе. Раз нагретая, то не излучать ИК она не может. Она, в основном, его и излучает, ну и немного (
5%) видимого света. Т.е. основное охлаждение обычной лампочки осуществляется через инфракрасное излучение. На счет теплопроводности сами прикиньте, что там может передаться через тонкие проволочки, которые держат нить. Что-то передается, конечно, но это мизер. Воздух вообще не в счет – плохой проводник тепла. С конвекцией немного сложнее. Стекло горячее, оно греет воздух и создает конвекцию, но стекло горячее потому, что оно поглощает ИК излучение. Короче, лампочку охлаждать не надо, она и так все тепло наружу отдаст. Да и если её охладить, то, как она светить-то будет 😉
Светодиоды. Разбираем по порядку. Свет они излучают не за счет нагрева, копать глубже не буду, нам важно то, что инфракрасное излучение, т.е. тепло светодиоды НЕ ИЗЛУЧАЮТ. Они излучают только видимый свет, а тепло выделяется внутри кристалла. Значит, этот способ теплопередачи исключается. Кристалл находится внутри светодиода, под линзой (прозрачную часть любого светодиода принято называть линзой, даже если она ничего не делает со светом) Значит, и конвекции никакой не может быть. Остается только один способ отвести тепло от кристалла – посредством теплопроводности. Вот вам главное отличие светодиодов от ламп накаливания в плане охлаждения, сами по себе светодиоды не могут охлаждаться, они просто корпус расплавят. Это тоже самое, что засунуть лампу накаливания в пенопласт и включить её. Теплу (энергии) деваться просто некуда будет, и оно пойдет на расплавление пенопласта.
Теперь коротко о том, как конструктивно устроен светодиод. Есть полупроводниковый кристалл, который излучает свет, при этом он нагревается. Для вывода тепла наружу, кристалл сажают на теплопроводящую подложку. Сам корпус, как правило, не проводит тепло. Обычные SMD светодиоды, эмиттеры, все они имеют пластиковый корпус. Сверху – линза. Понятно, что она тоже плохой теплопровод. Исключение составляют только мощные светодиоды Cree, у них корпус и подложка это пластина из керамики. И вот дальше есть ровно два варианта. От подложки наружу тепло может выводиться либо через выводы, либо подложка физически выводится наружу. Первый случай, это маломощные светодиоды (не более 0,3Вт, на сколько мне встречались). Обычные светодиоды с выводами и маломощные SMD, например популярные корпуса SMD3528, SMD5050. У них тепло выводится наружу через контакты.
А дальше тепло нужно передать воздуху. Штука, которая передает тепло от чего-либо воздуху, называется воздушным радиатором. Радиатор – любая железяка, лучше цветная, лучше максимально возможной площади. Отдает тепло тем лучше, чем больше его площадь и обдув. В обычном, пассивном варианте обдув идет за счет конвекции.
Если мы имеем дело с обычными выводными светодиодами, то все, что нужно сделать, чтобы охлаждение было в норме, это по возможности не обрезать эти самые выводы, а оставить их подлиннее, это и есть их радиатор.
Если мы имеем дело с мощными диодами, то подложка должна сидеть на радиаторе. Напрямую или через монтажную пластину, не важно, им нужно охлаждение.
Но и это еще не все. Есть такой параметр, как термическое сопротивление, измеряется в градусах/ватт. Применительно к светодиодам этот параметр дают для перехода кристалл-подложка. Что он значит. Возьмем популярный светодиод Cree XP-G. Для него производитель заявляет величину 6 град/Вт. Это значит, что при 1Вт тепловой мощности кристалл будет горячее радиатора на 6 градусов. При 2Вт – на 12 и так далее. Т.е. во втором случае если радиатор у вас имеет температуру 60 градусов, то кристалл все 72. Другими словами, светодиод всегда будет горячее, чем радиатор, на котором он сидит.
Напоследок несколько причин, по которым не стоит перегревать светодиоды. Максимально допустимая температура у разных производителей варьируется от 85 до 120 градусов. При этом остается только гадать, сколько проживут светодиоды при такой температуре, т.е. чем горячее, тем меньше они проживут. Это первая причина. И вторая причина это то, что с ростом температуры падает светоодача (люмен с ватта) Мало кто знает, при какой температуре, нормируется светоотдача. ВСЕ фирмы нормируют светоотдачу при 20 (!) градусах цельсия. Т.е. это даже ниже комнатной температуры. Это все есть в даташите на любой светодиод, никакого секрета здесь нет. Да и третья причина. Величину максимального тока производитель тоже указывает далеко не для максимальной температуры. То есть указанный в описании максимальный ток нельзя давать, если не обеспечено должное олаждение. В виде графика это тоже есть в любом даташите, но это, по-моему, вообще никто не учитывает в своих поделках. В общем, хорошее (желательно избыточное) охлаждение и заниженный ток являются желательными при эксплуатации светодиодов любой мощности. Ну и совсем напоследок. Многие отвечают на замечания по охлаждению, в духе «пол-года, полет нормальный». Ребята, полгода, год, это не срок для светодиодов, если только они не работают круглые сутки. Это тоже самое, как сказать, что у меня двигатель прошел 10000км, полет нормальный.
Термоклей для светодиодов – алюминиевый радиатор своими руками
Устройство и принципы функционирования радиатора для светодиодов. Правила выбора материала и площади детали. Делаем радиатор своими руками легко и быстро.
Распространенное мнение, что светодиоды не нагреваются – заблуждение. Возникло оно потому, что маломощные светодиоды на ощупь не горячие. Все дело в то, что они оснащены отводчиками тепла – радиаторами.
Принцип действия теплоотвода
Главным потребителем тепла, выделяемого светодиодом, является окружающий воздух. Его холодные частицы подходят к нагретой поверхности теплообменника (радиатора), нагреваются и устремляются вверх, освобождая место новым холодным массам.
При столкновении с другими молекулами происходит распределение (рассеивание) тепла. Чем больше площадь поверхности радиатора, тем интенсивнее он передаст тепло от светодиода воздуху.
Подробнее о принципах работы светодиодов читайте здесь.
Количество поглощенного воздушной массой тепла с единицы площади не зависит от материала радиатора: эффективность естественного «теплового насоса» ограничено его физическими свойствами.
Материалы для изготовления
Радиаторы для охлаждения светодиодов различаются по конструкции и материалу.
Окружающий воздух может принять не более 5-10 Вт с единичной поверхности. При выборе материала для изготовления радиатора следует принять во внимание выполнение следующего условия: теплопроводность его должна быть не менее 5-10 Вт. Материалы с меньшим параметром не смогут обеспечить передачу всего тепла, которое может принять воздух.
Теплопроводность выше 10 Вт будет технически избыточной, что повлечет за собой неоправданные финансовые затраты без увеличения эффективности радиатора.
Для изготовления радиаторов традиционно используют алюминий, медь или керамику. В последнее время появились изделия, выполненные из теплорассеивающих пластмасс.
Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про импульсный блок питания своими руками.
Алюминиевые
Основным недостатком алюминиевого радиатора является многослойность конструкции. Это неизбежно приводит к возникновению переходных тепловых сопротивлений, преодолевать которые приходится с помощью применения дополнительных теплопроводящих материалов:
Алюминиевые радиаторы встречаются чаще всего: они хорошо прессуются и вполне сносно справляется с отводом тепла.
Медные
Медь обладает большей теплопроводностью, чем алюминий, поэтому в некоторых случаях ее использование для изготовления радиаторов оправдано. В целом же данный материал уступает алюминию в плане легкости конструкции и технологичности (медь – менее податливый металл).
Изготовление медного радиатора методом прессования – наиболее экономичным – невозможно. А обработка резанием дает большой процент отходов дорогостоящего материала.
Керамические
Одним из наиболее удачных вариантов теплоотводчика является керамическая подложка, на которую предварительно наносятся токоведущие трассы. Непосредственно к ним и подпаиваются светодиоды. Такая конструкция позволяет отвести в два раза больше тепла по сравнению с металлическими радиаторами.
Пластмассы теплорассеивающие
Все чаще появляется информация о перспективах замены металла и керамики на терморассеивающую пластмассу. Интерес к этому материалу понятен: стоит пластмасса намного дешевле алюминия, а ее технологичность намного выше. Однако теплопроводность обычной пластмассы не превышает 0,1-0,2 Вт/м.К. Добиться приемлемой теплопроводности пластмассы удается за счет применения различных наполнителей.
При замене алюминиевого радиатора на пластмассовый (равной величины) температура в зоне подвода температур возрастает всего на 4-5%. Учитывая, что теплопроводность теплорассеивающей пластмассы намного меньше алюминия (8 Вт/м.К против 220-180 Вт/м.К), можно сделать вывод: пластический материал вполне конкурентоспособен.
| Материал | Теплопроводность, Вт/м.К |
|---|---|
| Алюминий | 120-240 |
| Медь | 401 |
| Керамика | 15-40; 100-200 |
| Теплорассеивающие пластмассы | 1 – 40 |
| Термопаста | 0,1 – 10 |
Конструктивные особенности
Конструктивные радиаторы делятся на две группы:
Первый тип, в основном, применяется для естественного охлаждения светодиодов, второй – для принудительного. При равных габаритных размерах пассивный игольчатый радиатор на 70 процентов эффективнее ребристого.
Но это не значит, что пластинчатые (ребристые) радиаторы годятся только для работы в паре с вентилятором. В зависимости от геометрических размеров, они могут применяться и для пассивного охлаждения.
Обратите внимание на расстояние между пластинами (или иглами): если оно составляет 4 мм – изделие предназначено для естественного отвода тепла, если зазор между элементами радиатора всего 2 мм – его необходимо комплектовать вентилятором.
Оба типа радиаторов в поперечном сечении могут быть квадратными, прямоугольными или круглыми.
Рекомендуем Вам также ознакомиться с электромагнитным устройством – дроссель для ламп.
Расчет площади радиатора
Методики точного расчета параметров радиатора предполагают учет множество факторов:
Но все эти тонкости нужны для проектировщика, разрабатывающего теплоотвод. Радиолюбители чаще всего используют старые радиаторы, взятые из отслужившей свой срок радиоаппаратуры. Все, что им надо знать – какова максимальная рассеиваемая мощность теплообменника.
Подсчитать этот параметр можно по формуле:
Ф = а х Sх (Т1 – Т2), где
Есть еще одна упрощенная формула, полученная экспериментальным путем, по которой можно рассчитать необходимую площадь радиатора:
S = [22 – (M x 1.5)] x W, где
Для ребристых радиаторов, изготовленных из алюминия, можно воспользоваться примерными данными, представленными тайваньскими специалистами:
Однако следует учесть, что вышеприведенные данные неточные, так как они указываются в диапазонах с достаточно большим разбегом. К тому же определены данные величины для климата Тайваня. Их можно использовать только для проведения предварительных расчетов.
Получить наиболее достоверный ответ об оптимальном способе расчета площади радиатора можно на следующем видео:
Сделать своими руками
Радиолюбители редко берутся за изготовление радиаторов, поскольку этот элемент – вещь ответственная, напрямую влияющая на долговечность светодиода. Но в жизни бывают разные ситуации, когда приходится мастерить теплоотводчик из подручных средств.
Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про изготовление диммера своими руками.
Вариант 1
Самая простая конструкция самодельного радиатора – круг, вырезанный из листа алюминия с выполненными на нем надрезами. Полученные сектора немного отгибаются (получается нечто, похожее на крыльчатку вентилятора).
По осям радиатора отгибаются 4 усика для крепления конструкции к корпусу лампы. Светодиод можно закрепить через термопасту саморезами.
Вариант 2
Радиатор для светодиода можно изготовить своими руками из куска трубы прямоугольного сечения и алюминиевого профиля.
В трубе для улучшения конвекции сверлятся три отверстия диаметром 8 мм, а в профиле – отверстия диаметром 3,8 мм – для его крепления саморезами.
Светодиоды приклеиваются к трубе – основанию радиатора – при помощи термоклея.
В местах соединения деталей радиатора наносится слой термопасты КТП 8. Затем производится сборка конструкции с помощью саморезов с пресс шайбой.
Способы крепления светодиодов к радиатору
Светодиоды прикрепляют к радиаторам двумя способами:
Приклеить светодиод можно на термоклей. Для этого на металлическую поверхность наносится капелька клеящей массы, затем на нее садится светодиод.
Для получения прочного соединения светодиод необходимо на несколько часов придавить небольшим грузом – до полого высыхания клея.
Однако большинство радиолюбителей предпочитают механическое крепление светодиодов. Сейчас выпускаются специальные панели, с помощью которых можно быстро и надежно смонтировать светодиод.
В некоторых моделях предусмотрены зажимы для вторичной оптики. Монтаж выполняется просто: на радиатор устанавливается светодиод, на него – панелька, которая крепится к основанию саморезами.
Но не только радиаторы для светодиода можно изготовить самостоятельно. Любителям заниматься растениями рекомендуем ознакомиться со светодиодной лампой для рассады своими руками.
Качественное охлаждение светодиода является залогом долговечности светодиода. Поэтому к подбору радиатора следует подходить со всей серьезностью. Лучше всего использовать готовые теплообменники: они продаются в магазинах радиотоваров. Стоят радиаторы недешево, зато легко монтируются и светодиод защищает от избытка тепла надежнее.
Расчет и изготовление радиатора для светодиодов
Светодиоды считаются одним из наиболее эффективных источников света, их световой поток доходит до фантастических значений, порядка 100 Лм/Вт. Люминесцентные лампы выдают в два раза меньше, а именно 50-70 Лм/Вт. Однако для долгой работы светодиода нужно выдерживать их тепловые режимы. Для этого применяются фирменные или самодельные радиаторы для светодиодов.
Зачем диодам нужно охлаждение?
Несмотря на высокие показатели светоотдачи светодиоды излучают света примерно на треть потребляемой мощности, а остальное выделяется в тепло. Если диод перегревается структура его кристалла нарушается, начинает деградировать, световой поток снижается, а степень нагрева лавинообразно увеличивается.
Причины перегрева светодиодов:
Первые две причины решаются применением качественного источника питания для светодиодов. Такие источники часто называют драйвер для светодиода. Их особенность заключается не в стабилизации напряжения, а именно в стабилизации выходного тока.
Дело в том, что при перегреве сопротивление светодиода снижается и ток, протекающий через него, возрастает. Если в качестве блока питания использовать стабилизатор напряжения – процесс получится лавинообразным: больше нагрев – больше ток, а больший ток – это больший нагрев и так по кругу.
Стабилизируя ток, вы отчасти стабилизируете и температуру кристалла. Третья причина – это плохое охлаждение для светодиодов. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
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.
Как подобрать радиатор?
Расчет радиатора для светодиода процесс не совсем простой, тем более для начинающего. Для его выполнения нужно знать тепловое сопротивление кристалла, а также перехода кристалл-подложка, подложка-радиатор, радиатор-воздух. Чтобы упростить решение многие пользуются соотношением 20-30 см 2 /Вт.
Естественно, такое решение не является уникальным. Если ваша осветительная конструкция будет использоваться в подвальном прохладном помещении можно взять меньшую площадь, но при этом убедитесь, что температура светодиода в пределах нормы.
Предыдущие поколения LED комфортно чувствовали себя при температуре кристалла 50-70 градусов, новые светодиоды могут переноситьтемпературу до 100 градусов. Проще всего определить – прикоснуться рукой, если рука едва терпит – всё в порядке, а если кристалл может вас обжечь – принимайте решение для улучшения условий его работы.
Считаем площадь
Но рассмотрим расчет площади радиатора для светодиода. Для плоского пластинчатого радиатора площадь считается:
a * b * 2 = S
Где a, b – длины сторон пластины, S – полная площадь радиатора.
Откуда взялся коэффициент 2? Дело в том, что у такого радиатора две стороны и они равносильно отдают тепло окружающей среде, поэтому полная полезная площадь радиатора равна площади каждой из его сторон. Т.е. в нашем случае нужна пластина с размерами сторон 5*10см.
Для ребристого радиатора полная площадь равна – площади основания и площадям каждого из рёбер.
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.
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.
Еще один интересный вариант изготовления радиатора из листов алюминия. Такой метод позволит набрать практически любую необходимую площадь охлаждения. Смотрим 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.
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.