Типы радиаторов
Некоторые соображения относительно пассивных тепловых конструкций, т.е радиаторов для светодиодов, для обеспечения хорошего управления температурой при работе светодиодов высокой мощности включают в себя:
Клей
Клей обычно используется для склеивания светодиодов и платы, а также платы и радиаторов. Использование теплопроводящего клея может дополнительно оптимизировать тепловые характеристики.
Радиатор
Радиаторы обеспечивают путь для прохождения тепла от светодиодного источника к внешней среде. Радиаторы могут рассеивать энергию тремя способами: проводимость (передача тепла от одного тела к другому), конвекция (передача тепла от твердого тела к движущейся жидкости, которая для большинства применений СИД будет воздухом) или излучение (передача тепла от двух тел различных температур поверхности через тепловое излучение ).
- Материал – Теплопроводность материала, из которого сделан радиатор, напрямую влияет на эффективность рассеивания за счет теплопроводности. Обычно это алюминий , хотя медь может использоваться с преимуществом для плоских радиаторов. Новые материалы включают термопласты, которые используются, когда требования к теплоотдаче ниже, чем нормальные, или сложная форма получит преимущество от литья под давлением, а также решения из натурального графита, которые обеспечивают лучшую теплопередачу, чем медь, с меньшим весом, чем алюминий, плюс возможность формования в комплекс. двумерные фигуры. Графит считается экзотическим решением для охлаждения и имеет более высокую стоимость производства.
- Форма – Термический перенос происходит на поверхности радиатора. Поэтому радиаторы должны иметь большую площадь поверхности. Эта цель может быть достигнута путем использования большого количества мелких ребер или увеличения размера самого радиатора.
Зависимость теплопроводности радиатора для светодиодов от формы
Хотя большая площадь поверхности приводит к лучшей эффективности охлаждения, между ребрами должно быть достаточно места, чтобы создать значительную разницу температур между ребром и окружающим воздухом. Когда ребра стоят слишком близко друг к другу, воздух между ними может стать почти такой же температуры, как ребра, так что передача тепла не произойдет. Следовательно, большее количество ребер не обязательно приводит к лучшей производительности охлаждения.
- Отделка поверхности – тепловое излучение радиаторов является функцией отделки поверхности, особенно при более высоких температурах. Окрашенная поверхность будет иметь большую излучательную способность, чем яркая, неокрашенная. Эффект наиболее заметен в плоских радиаторах, где около трети тепла рассеивается излучением. Кроме того, идеально плоская область контакта позволяет использовать более тонкий слой термопласта, что уменьшит тепловое сопротивление между радиатором и светодиодным источником. С другой стороны, анодирование или травление поверхности контакта также уменьшает тепловое сопротивление.
- Способ монтажа – крепления радиатора с помощью винтов или пружин часто лучше, чем обычные зажимы, теплопроводящий клей или клейкая лента.
Для теплообмена между светодиодными источниками мощностью более 15 Вт и радиатором рекомендуется использовать материал теплопроводности интерфейса с высокой теплопроводностью (TIM), который создаст тепловое сопротивление на границе раздела ниже 0,2 К / Вт. В настоящее время наиболее распространенным решением является и материал с фазовым переходом , который наносится в виде твердой прокладки при комнатной температуре, но затем превращается в густую желатиновую жидкость, когда она поднимается выше 45 ° C.
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.
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.
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.
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.
Что влияет на яркость ленты
Насколько яркой будет светодиодная лента при подключении к источнику питания, влияет несколько факторов:
- Габариты лед-кристалла.
- Плотность расположения светодиодов.
- Честность производителя.
Существует несколько типоразмеров лэд-элементов, применяемых в самых ярких моделях светодиодных лент, и все они различаются по светимости:
- Уровень яркости – не более 5 Лм. Применяются, как правило, в качестве дополнительного освещения, например, для декора потолка, шкафа-купе или рабочей площади стола.
- 5050, 5055, 5060. Уровень светимости у таких лед-кристаллов достигает порядка 15 Лм, чего уже достаточно, чтобы использовать светодиодные полоски на их основе, как самостоятельные светильники. Мотка изделия достаточно на 7-9 кв. метров помещения.
- Показатель яркости достигает значения почти в 30 люмен. Кроме того, поток света, создаваемый лентой на их основе, отличается узконаправленностью и большей мощностью. 5-метровый рулон расходуется на 11-13 м2 комнаты.
- 5630 или 5730. Диоды этого типа отличаются самым ярким показателем светимости – до 75 Лм. Светодиодные ленты на их основе служат основным источником освещения в местах с просторным помещением – магазинах, выставках, залах.
Показатель плотности размещения диодов также влияет на уровень яркости светодиодной ленты. Например, изделия на базе лед-кристаллов 3528 степень светимости варьируется в следующих соответствующих пределах (количество лед – светимость в люменах):
- 60 – 300.
- 120 – 600.
- 240 – 1200.
Как уже отмечалось, далеко не все производители идут честным путем, но пытаются сэкономить на комплектующих путем уменьшения или замены основных компонентов. При одинаковых внешних характеристиках и цене подделка будет отличаться в худшую сторону от оригинала яркостью, сроком службы и общим эксплуатационным качеством.
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.
