Простой расчет площади теплоотвода для мощных транзисторов и тиристоров

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.

Конструктивно все радиаторы можно разделить на три большие группы: пластинчатые, стержневые и ребристые. Во всех случаях основание может иметь форму круга, квадрата или прямоугольника. Толщина основания имеет принципиальное значение при выборе, так как именно этот участок несёт ответственность за приём и равномерное распределение тепла по всей поверхности радиатора.

На форм-фактор радиатора оказывает влияние будущий режим работы:

• с естественной вентиляцией;
• с принудительной вентиляцией.

Радиатор охлаждения для светодиодов, который будет использоваться без вентилятора, должен иметь расстояние между рёбрами не менее 4 мм. В противном случае естественной конвекции не хватит для успешного отвода тепла. Ярким примером служат системы охлаждения компьютерных процессоров, где за счёт мощного вентилятора расстояние между рёбрами уменьшено до 1 мм.

При проектировании светодиодных светильников большое значение уделяется их внешнему виду, что оказывает огромное влияние на форму теплоотвода. Например, система отвода тепловой энергии светодиодной лампы не должна выходить за рамки стандартной грушевидной формы. Этот факт вынуждает разработчиков прибегать к различным ухищрениям: использовать печатные платы с алюминиевой основой, соединяя их с корпусом-радиатором при помощьи термоклея.

Система Толстопленочных Материалов.

• Аддитивный процесс
  – Толстая пленка – это процесс селективного осаждения добавки, при котором материал используется только там, где это необходимо. Обеспечивается более прямое подключение к алюминиевому радиатору; поэтому материал теплового интерфейса не требуется для построения схемы. Уменьшает теплорассеивающие слои и тепловой след. Стадии обработки сокращаются вместе с количеством материалов и количеством потребляемых материалов.
• Изолированная система алюминиевых материалов
  – увеличивает тепловую связь и обеспечивает высокую прочность на разрыв. Материалы можно обжигать при температуре менее 600 ° C. Цепи встроены непосредственно в алюминиевые подложки, что исключает необходимость в материалах для теплового интерфейса . Благодаря улучшенным тепловым связям температура соединения светодиода может быть уменьшена до 10 ° C. Это позволяет разработчику уменьшить количество светодиодов на плате, увеличив мощность каждого светодиода; или уменьшить размер подложки, чтобы управлять размерными ограничениями. Также доказано, что снижение температуры соединения светодиода значительно увеличивает срок его службы.

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 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.

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.

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.

Расчет площади радиатора

Существуют два метода расчёта радиатора для светодиода:

• проектный, суть которого состоит в определении геометрических размеров конструкции при заданном температурном режиме;
• поверочный, который предполагает действовать в обратной последовательности, то есть при известных параметрах радиатора можно рассчитать максимальное количество теплоты, которую он способен эффективно рассеивать.

Применение того или иного варианта зависит от имеющихся исходных данных. В любом случае точный расчёт – это сложная математическая задача с множеством параметров. Кроме умения пользоваться справочной литературой, брать необходимые данные из графиков и подставлять их в соответствующие формулы, следует учитывать конфигурацию стержней или рёбер радиатора, их направленность, а также влияние внешних факторов. Также стоит учитывать и качество самих светодиодов. Зачастую в светодиодах китайского производства реальные характеристики расходятся с заявленными.

Точный расчёт

Прежде чем перейти к формулам и расчётам, необходимо ознакомиться с основными терминами в области распространения тепловой энергии. Теплопроводность представляет собой процесс передачи тепловой энергии от более нагретого физического тела к менее нагретому. Количественно теплопроводность выражается в виде коэффициента, который показывает, сколько теплоты способен передать материал через единицу площади при изменении температуры на 1°K. В светодиодных светильниках все части, задействованные в обмене энергии, должны обладать высокой теплопроводностью. В частности это касается передачи энергии от кристалла к корпусу, а затем к радиатору и воздуху.

Конвекция – тоже процесс передачи тепла, который происходит за счёт движения молекул жидкостей и газов. Применительно к светодиодным светильникам принято рассматривать обмен энергией между радиатором и воздухом. Это может быть естественная конвекция, происходящая за счет естественного перемещения воздушного потока, или принудительная, организованная за счёт установки вентилятора.

В начале статьи указывалось, что около 70% потребляемой светодиодом мощности расходуется в тепло. Чтобы рассчитать радиатор для светодиодов, необходимо знать точное количество рассеиваемой энергии. Для этого воспользуемся формулой:

PТ – мощность, выделяемая в виде тепла, Вт; k – коэффициент, учитывающий процент энергии, переходящей в тепло. Это величина для мощных светодиодов принимается равной 0,7-0,8; UПР – прямое падение напряжения на светодиоде при протекании номинального тока, В; IПР – номинальный ток, А.

Пришло время посчитать количество препятствий, расположенных на пути прохождения теплового потока от кристалла к воздуху. Каждое препятствие представляет собой тепловое сопротивление (termal resistance), обозначаемое символом (Rθ, градус/Вт). Для наглядности всю систему охлаждения представляют в виде схемы замещения из последовательно-параллельного включения тепловых сопротивлений

Rθjc – тепловое сопротивление p-n-переход-корпус (junction-case); Rθcs – тепловое сопротивление корпус-радиатор (case-surfase radiator); Rθsa– тепловое сопротивление радиатор-воздух (surfase radiator-air).

Если предполагается устанавливать светодиод на печатную плату или использовать термопасту, то также нужно учесть их тепловые сопротивления. На практике значение Rθsa можно определить двумя способами.

Rθja – сопротивление p-n-переход-воздух; Tj – максимальная температура p-n-перехода (справочный параметр), °C; Ta – температура воздуха вблизи радиатора, °C.

Найти из графика «зависимость максимального теплового сопротивления от прямого тока».

По известному Rθsa выбирают стандартный радиатор. При этом паспортное значение теплового сопротивления должно быть немного меньше расчетного.

Приблизительная формула

Многие радиолюбители привыкли использовать в своих самоделках радиаторы, оставшиеся от старой электронной аппаратуры. При этом они не желают углубляться в сложные вычисления и покупать дорогие новинки импортного производства. Как правило, их интересует один только вопрос: «Какую мощность может рассеять имеющийся в наличии алюминиевый радиатор для светодиодов?»

Предлагаем воспользоваться простой эмпирической формулой, позволяющей получить приемлемый результат расчёта: Rθsa=50/√S, где S – площадь поверхности радиатора в см 2 .

Подставляя в данную формулу известное значение суммарной площади теплоотвода с учетом поверхности рёбер (стержней) и боковых граней, получаем его тепловое сопротивление.

Допустимую мощность рассеивания находим из формулы: Pт=(Tj-Ta)/Rθja.

Приведенный расчёт не учитывает много нюансов, влияющих на качество работы всей охлаждающей системы (направленность радиатора, температурные характеристики светодиода и пр.). Поэтому полученный результат рекомендуется умножать на коэффициент запаса – 0,7.

Почему необходимо управлять температурой перехода светодиодов?

При использовании мощных светодиодов крайне важно, чтобы вы отводили тепло с помощью эффективного управления температурой. Без хорошего отвода тепла температура соединения (внутренняя) светодиода повышается, что приводит к плохому изменению характеристик светодиода. Его ускоренной деградации и выхода из строя.

При увеличении температуры перехода светодиода уменьшается как прямое напряжение, так и выходной сигнал в просвете (см. Рисунок 1). Это не только снижает яркость и эффективность вашего светодиода, также температура перехода влияет на общий срок службы светодиода. Светодиоды обычно не выходят из строя катастрофически (хотя некоторые могут, особенно если вы перегреваете их); вместо этого световой поток светодиода будет со временем уменьшаться. Более высокие температуры перехода приводят к более быстрому износу светодиодов. Вот почему так важно поддерживать низкую температуру соединения светодиодов. Также учтите, что если вы перегружаете свой светодиод (подводя к нему больше тока, чем он рассчитан), это приведет к повышению температуры до такой степени, что может произойти необратимое повреждение.

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.

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.

Первый метод

Подсчет площади проводится по формуле F = а х Сх (T1 – T2), где Ф является тепловым потоком, а S – площадью поверхности радиатора (сумма площадей всех ребер или иголок и подложки в кв. м), T1 — показателем температуры среды, отводящей тепло, а T2 — температуры нагретой поверхности.

Производя подсчет площади, следует обратить внимание и на то, что ребро или же пластина обладает двумя поверхностями для отвода тепла.

Расчет поверхности иглы производится по длине окружности (π х D), умноженной на показатель высоты.

Для поверхностей, не подвергшихся полировке, коэффициентом теплоотдачи является показатель, равный 6-8 Вт/(м2·К).

Что влияет на температуру перехода?

Температура окружающей среды и ток проходящий через светодиод влияют на температуру перехода светодиодов. Другие факторы влияют на природу света, будь то устойчивое состояние или импульсное и параметр, который нас действительно интересует, – мощность светодиодов на единицу площади радиатора (поверхность, которая рассеивает тепло).

Самая важная часть охлаждения светодиодов – это тепловой путь от соединения светодиодов к наружной стороне светильника. Тепло должно быть эффективно отведено от светодиода, а затем удалено из зоны с помощью какого-либо охлаждения или рассеивания.

Радиаторы являются важной частью светодиодного освещения, поскольку они обеспечивают путь для прохождения тепла от светодиодного источника света к внешним элементам. Радиаторы способны рассеивать энергию тремя способами: проводимость (передача тепла от твердого тела к твердому), конвекция (передача тепла от твердого тела к движущейся жидкости, воздух в большинстве случаев) или излучение (передача тепла от двух тел в различные температуры через тепловое излучение).

Перед тем, как приступить к выбору радиатора, вы должны знать, что когда вы покупаете светодиоды на металлической подложке, светодиодные звезды, это уже верный шаг к лучшему тепловому контролю. Светодиоды поставляются в катушках в виде оголенных излучателей, которые заключены в прозрачную смолу, которая, как правило, является плохим проводником тепла, поэтому, когда мы устанавливаем их на алюминиевую основу, они действуют как теплораспределитель и являются неотъемлемой частью печатной платы, которая помогает в теплопроводности.

Клей: Теплопроводящие кампаунды

При монтаже светодиодных плат на радиаторы лучше всего использовать тепло проводящий материал для дальнейших шагов по оптимальным тепловым характеристикам. Мы рекомендуем эту эпоксидную смолу Arctic Silver или теплопроводную липкую ленту Hexa Therm, которая по сути является просто тепло проводящей двухсторонней лентой точной формы светодиодных звездообразных плат. HexaTherm не такой теплопроводящий, как эпоксидная смола, но он все равно сделает свое дело.

Какую термопасту для светодиодов выбрать

Материал радиатора

Теплопроводность материала радиатора напрямую влияет на то, насколько эффективно тепло рассеивается за счет теплопроводности. Медь – лучше, но из-за своей цены алюминий используется более широко и является материалом для большинства радиаторов. Термопласты, как и композитный светодиодный радиатор , могут использоваться для небольших светодиодов с меньшими требованиями к рассеиванию тепла. Использование термопластов может быть очень полезным, так как они могут быть отлиты в большем количестве форм и имеют гораздо меньший вес.

Форма радиатора

Термический перенос происходит на поверхности радиатора. Именно поэтому лучшие радиаторы имеют большую площадь поверхности. Это может быть достигнуто путем увеличения размера радиатора или использования ребристого радиатора. Одобренные радиаторы помогают, поскольку они обеспечивают намного больше поверхностей для передачи тепла. Принимая во внимание, что ребра рассеивают тепло, между ребрами все еще должно быть достаточно места для перемещения воздуха, чтобы создать разницу в температуре между ребрами и воздухом. Когда ребра сделаны слишком близко друг к другу, воздух между ними не охладится и станет почти такой же температуры, как ребра, которые остановят теплопередачу все вместе. Поэтому больше рёбер не означает автоматически лучшее охлаждение, вам нужны хорошо продумать конструкцию радиатора.

Отделка радиатора

Поверхность вашего радиатора также оказывает непосредственное влияние на теплопроводность. Окрашенная поверхность будет работать лучше, чем яркая, неокрашенная. Это также относится к анодированию и травлению радиаторов, которые уменьшат тепловое сопротивление и улучшат теплоотвод в целом.

Принудительная конвекция (воздушное охлаждение)

Как я уже говорил ранее, для больших светодиодных матриц или светильников, которые находятся в корпусе, где их поток воздуха невелик, вы можете рассмотреть какую-то систему вентиляции. Это поможет, поскольку воздух, окружающий ваш радиатор, в свою очередь, станет более холодным и позволит лучше переносить тепло от поверхности радиатора к наружной стороне.

Резюме

Вот и все, теперь вы должны знать, зачем вам светодиодный радиатор. Выбирая свой радиатор и находя, какой радиатор использовать, не забудьте учесть все факторы, которые влияют на тепло и процесс охлаждения:

1. Светодиодная мощность
2. Количество светодиодов, которые вы включаете
3. Температура среды, в которой будут работать светодиоды
4. Установлены ли светодиоды в закрытом или открытом пространстве.
5. Плотность установки светодиодных чипов.

Линзы для светодиодов.

Второй метод вычисления

Существует и другая простая формула, котрая получена путем экспериментов.

S = [22 – (M x 1,5)] x W, где S является показателем площади теплообменника,W – подведенной мощностью (Вт), а M – незадействованной мощностью светодиода.

Для ребристого типа радиатора, сделанного на основе алюминия, можно использовать данные, предоставленные инженерами из Тайваня. Данные не обладают точностью, так как указаны в диапазонах с большим показателем разбега. К тому же определение подходит для климатических условий Тайваня. Их можно брать за основу только при проведении предварительных подсчетов.

Конструктивные особенности радиаторов

Многие задаются вопросом: какой радиатор для светодиода лучше?

Существует две группы модификаций:

• игольчатые;
• ребристые.

К примеру, радиатор для светодиода 10W представлен ребристым LED-устройством.

Первый вид, как правило, используется для естественного метода охлаждения светодиодов, а второй — для принудительного. При одинаковых показателях габаритов пассивное игольчатое устройство на 70 % превышает эффективность ребристого вида.

Радиаторы для мощных светодиодов обладают игольчатой конструкцией. Они рассчитаны на мощные светодиоды, но это совсем не означает, что ребристые приборы на основе пластин пригодны только для функционирования вместе с вентилятором. В зависимости от геометрических параметров, они используются и для охлаждения пассивного характера.

Радиатор для светодиодов любой конфигурации может обладать квадратной, прямоугольной или круглой формой.

Вариант 2

Радиатор для светодиодов своими руками можно сделать из фрагмента алюминиевой трубы с прямоугольным сечением.

Нужные материалы:

• труба размером 30х15х1,5 мм;
• пресс-шайба диаметр которой составляет 16 мм;
• термический клей;
• термическая паста КТП-8;
• Ш-образный профиль 265;
• саморезы.

Для оптимизации конвенции просверливаются три отверстия, диаметр которых равен 8 мм, а в профиле — отверстия диаметром 3,8 мм для крепежа посредством саморезов.

Светодиоды приклеивают к трубе — основной части радиатора — при помощи термического клея. В местах, где соединяются детали радиатора, наносят слой термической пасты КТП-8.

Затем приступают к сборке конструкции при помощи саморезов с пресс-шайбой.