Электрификация

Справочник домашнего мастера

Радиатор для светодиода

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.

Содержание

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:

  • Слишком большой ток;
  • плохая стабилизация питающего напряжения;
  • плохое охлаждение.

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 см2/Вт.

Это значит, что на каждый ватт LED света нужно использовать радиатор площадью порядка 30 см2.

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

Допустим мы имеем светильник мощностью 3Вт. Площадь радиатора для светодиода 3Вт, согласно описанному выше правилу будет равна 70-100см2. С первого взгляда может показаться большой.

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.

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:

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.

Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:) (3 оценок, среднее: 4,67 из 5)

Светодиоды появились всего несколько лет назад. Но они уже успели закрепить за собой лидерские позиции на рынке осветительной продукции. Они могут применяться не только в системах освещения, но и в различных поделках или любительских схемах. Когда имеешь дело с led, нужно обязательно позаботиться о вариантах охлаждения. Одним из способов охлаждения светодиодов является установка радиатора.

Радиаторы для охлаждения светодиодов

Наша статья раскроет вам все тайны, как можно правильно и при этом своими руками собрать устройство для охлаждения.

Зачем необходим теплоотводник

Прежде чем приступить к самостоятельной сборке теплоотводника для светодиодов, необходимо знать особенности самого источника света.
Светодиоды представляют собой полупроводники, которые имеют две ножки (“+” и “-”) т.е. они обладают полярностью.

Светодиоды

Чтобы правильно изготовить для них радиатор, необходимо провести определенный расчет. В первую очередь этот расчет должен включать измерения напряжения, а также силу тока. Кроме этого необходимо помнить, что любое электроемкое устройство, включая светодиоды, отличает тенденцией к нагреванию. Поэтому здесь и нужна система охлаждения.
Проводя расчет, помните — лишь 1/3 от указанной мощности источника света будет преобразоваться в световой поток (например, 3-3,5 из 10w). Поэтому основная часть составит тепловые потери. Для того чтобы минимизировать теплопотери и используют радиаторы.

Обратите внимание! Перегревание светодиода приводит к уменьшению его срока эксплуатации. Поэтому использование радиатора позволяет еще и продлить «жизнь» источнику света.

Поэтому схемы светодиодов иметь комплекс охлаждения всех основных элементов.
Сегодня для охлаждения элементов электросхемы, в которую входят светодиоды, можно использовать три варианта теплоотведения:

  • через корпус прибора (не всегда можно реализовать);
  • через печатную плату. Охлаждение ведется через неосновные проводящие дорожки, по которым течет ток;
  • с помощью радиатора. Он подходит как к платам, так и к светодиодам.

Обратите внимание! В последней ситуации необходимо правильно провести расчет того, какой именно площади он должен быть.

Радиатор на светодиодах

Самым эффективным способом охлаждения светодиодов является использование радиатора, который легко можно соорудить самостоятельно. Главное помните, что на работу теплоотводчика влияет форма и количество ребер.

Особенности конструкции теплоотводчиков

Озадачившись собственноручно собрать радиатор, подходящий для светодиодов, многие задаются вполне закономерным вопросом «какой лучше?». Ведь сегодня существуют две группы теплоотводчиков, которые различаются по своим конструкционным особенностям:

  • игольчатые. Чаще применяются для системы охлаждения естественного типа. Такие модели применяются для мощных светодиодов;

Игольчатый радиатор

  • ребристые. Используются в системах принудительного охлаждения. Их выбирают в зависимости от геометрических параметров. При этом они могут применяться и для охлаждения мощных светодиодов.

Ребристый радиатор

Выбирая тип теплоотводчика необходимо помнить, что игольчатый пассивный аппарат превышает эффективность ребристой модели на 70%.
Радиатор любой конструкции (ребристой или игольчатой) может иметь различную форму:

  • квадратную;
  • круглую;
  • прямоугольную.

Вариант радиатора, подходящего для светодиодов, следует выбирать в зависимости от потребностей в системе охлаждения.

Особенности вычислений

Расчет схемы для создания своими руками радиатора всегда следует начинать с подбора элементной базы. Не забывайте, что номинал здесь должен отвечать не только потенциалу собираемого теплоотводчика, но и предотвращению создания дополнительных потерь. Иначе самодельный аппарат будет иметь низкую эффективность. И в первую очередь для этого необходимо провести расчет площади радиатора.
Что должен включать расчет такого параметра, как площадь:

  • модификация аппарата;
  • какая имеется площадь рассеивания;
  • показатели окружающего воздуха;
  • материал, из которого изготавливается теплоотводчик.

Такие нюансы необходимо учитывать тогда, когда проектируется новый радиатор, а не переделывается старый. Самым важным для самостоятельно сборки теплоотводника будет показатель максимально допустимого рассеивания мощности теплообменного элемента.
Чтобы рассчитать площадь радиатора существует два способа.
Первый метод расчета. Для того чтобы определить требуемую площадь, нужно использовать формулу F = а х S х (T1 – T2), где:

  • F — тепловой поток;
  • S – площадью поверхности теплоотводчика;
  • T1 — показатель температуры среды, которая отводит тепло;
  • T2 — температура, которую имеет нагретая поверхность;
  • а – коэффициент, отражающий теплоотдачу. Данный коэффициент для неполированных поверхностей условно принимается равным 6-8 Вт/(м2К).

Длина окружности

Используя этот способ расчета необходимо помнить, что пластина или ребро имеют две поверхности для отвода тепла. При этом расчет поверхности иглы проводится с помощью длины окружности (π х D), которую нужно умножить на показатель высоты.
Второй метод расчета. Здесь используется несколько упрощенная формула, выведенная экспериментальным путем. В данном случае используется формула S = x W, где:

  • S — площадь теплообменника;
  • M – незадействованная мощность светодиода;
  • W – подведенная мощность (Вт).

При этом если будет изготавливаться ребристый алюминиевый аппарат, можно использовать в расчетах данные, которые получили тайванские специалисты:

  • 60 Вт – от 7000 до 73000 см2;
  • 10 Вт – около 1000 см2;
  • 3 Вт – от 30 до 50 см2;
  • 1 Вт – от 10 до 15 см2.

Но в такой ситуации необходимо помнить, что приведенные выше данные подходят к климатическим условиям Тайваня. В нашем случае их стоит брать только лишь при проведении предварительных вычислений.

Материал для изготовления теплоотводчика

Срок службы светодиодов непосредственно зависит от того, какой материал задействован в полупроводнике, а также от качественности работы системы охлаждения.
При выборе материала для теплоотводчика, необходимо руководствоваться следующим:

  • материал должен иметь теплопроводность не менее 5-10 Вт;
  • уровень теплопроводности должен быть выше 10 Вт.

В связи с этим, для изготовления теплоотводчика стоит использовать такие материалы:

  • алюминий. Алюминиевый вариант на сегодняшний день для охлаждения светодиодов используют чаще всего. Но при этом алюминиевый теплоотводчик имеет существенный минус – состоит из ряда слоев. В результате такого строения алюминиевый аппарат провоцирует тепловые сопротивления. Их преодолеть можно только с помощью дополнительных теплопроводных материалов, в роли которых может выступать изоляционные пластины;

Обратите внимание! Алюминиевый радиатор, несмотря на свой недостаток, отлично справляется с отводом тепла. Здесь используется алюминиевая пластинка, которая обдувается вентилятором.

Алюминиевый радиатор

  • керамика. Керамические теплоотводчики имеют специальные трассы, по которым проводится ток. К этим же трассам припаиваются светодиоды. Такие изделия способны отводить в два раза больше тепла;
  • медь. Здесь имеется медная пластинка. Ее отличает более высокая теплопроводность, нежели у алюминия. Но медь уступает алюминию в технических характеристиках и весе. При этом медь — не податливый металл, а после обработки остается много обрезков;

Радиатор из меди

  • пластмасса. К достоинствам стоит отнести доступную стоимость, а также высокий уровень технологичности. При этом в минусах здесь меньшая теплопроводность.

Как видим, самым оптимальным вариантом по цене и качеству будет изготовление своими руками радиатора для светодиодов из алюминия. Рассмотрим несколько способов того, как можно сделать теплоотводчик для светодиодов.

Каким образом изготавливаются теплоотводчики

Не все радиолюбители с охотой берутся за изготовление подобных устройств. Ведь оно будет выполнять ведущую роль. От того, насколько качественно будет сделан своими руками теплоотводчик, зависит срок эксплуатации осветительной установки, выполненной из светодиодов. Поэтому многие предпочитают не рисковать и покупать аппараты для системы охлаждения в специализированных магазинах.

Самодельный радиатор для диодов

Но бывают ситуации, когда нет возможности купить, но его можно изготовить из подручных средств, которые без проблем отыщутся в домашней лаборатории любого радиолюбителя. И здесь подходят два способа изготовления.

Первый способ самостоятельной сборки

Самой простой конструкцией для самодельного радиатора, конечно же, будет круг. Его можно вырезать следующим образом:

  • из листа алюминия вырезаем круг и делаем на нем необходимое количество надрезов;

Разрезаный круг из алюминия

  • далее отгибаем немного сектора. В результате получается некое подобие вентилятора;
  • по осям необходимо отогнуть 4 усика. С их помощью устройство будет крепиться к корпусу лампы;
  • светодиоды на таком радиаторе можно закрепить при помощи термопасты.

Готовый радиатор для диодов круглой формы

Как видим, это достаточно простой способ изготовления.

Второй способ самостоятельной сборки

Охлаждающий аппарат, который будет подключаться к светодиодам, можно самостоятельно сделать их куска трубы, которая имеет прямоугольное сечение, а также из алюминиевого профиля. Здесь вам понадобятся:

  • пресс-шайба с диаметром 16 мм;
  • труба 30х15х1,5;
  • термопаста КТП 8;
  • Ш-образный профиль 265;
  • термоклей;
  • саморезы.

Делаем радиатор следующим образом:

  • в трубе просверливаем три отверстия;

Вариант трубы для радиатора

  • далее сверлим профиль. С его помощью будет осуществляться крепление к лампе;
  • светодиоды крепим к трубе, которая будет выступать в качестве основания теплоотводчика, с помощью термоклея;
  • в местах соединения элементов радиатора наносим слой термопасты КТП 8;
  • осталось собрать конструкцию с помощью саморезов, оснащенных пресс шайбой.

Данный способ будет несколько сложнее в реализации, чем первый вариант.

Зная, что собой представляет радиатор, подключаемый к светодиодам, его вполне можно изготовить своими руками из подручных средств. Его правильная сборка поможет вам не только эффективно охлаждать осветительную установку, но и избежать ситуации снижения сроков эксплуатации светодиодов.

Радиаторы для светодиодов: расчет площади, выбор материала, изготовление своими руками

Заявленный срок службы светодиодов исчисляется десятками тысяч часов. Чтобы достичь столь высокого показателя, не ухудшив при этом оптические характеристики, мощные светодиоды необходимо использовать в паре с радиатором. Данная статья позволит читателю найти ответы на вопросы, связанные с расчётом и выбором радиатора, их модификациями и факторами, влияющими на отвод тепла.

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.

Виды

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.

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.

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.

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=k*UПР*IПР, где:

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

Rθja= Rθjc+ Rθcs+ Rθsa, где:

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.

Рассчитать по формуле Rθja=(Tj-Ta)/Pт, где:

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

Rθsa= Rθja-Rθjc-Rθcs, где Rθjc и Rθcs – справочные параметры.

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 см2.

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.

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.

Дешевые теплоотводчики для любительских самооделок

Специально для радиолюбителей, которые любят экспериментировать с разными материалами для отвода тепла и при этом не хотят тратить деньги на дорогостоящие готовые изделия, дадим несколько рекомендаций по поиску и изготовлению радиаторов своими руками. Для охлаждения светодиодных лент и линеек прекрасно подойдёт мебельный профиль из алюминия. Это могут быть направляющие для шкафов-купе или кухонная фурнитура, остатки которой можно купить по себестоимости в мебельном магазине.

Для охлаждения светодиодных матриц 3-10 Вт подойдут радиаторы из советских магнитофонов и усилителей, которых более чем достаточно на радиорынках каждого города. Также можно использовать запчасти от старой оргтехники.

Самодельное охлаждение для 50 Вт светодиода можно сделать из радиатора от неисправной бензопилы, газонокосилки, распилив его на несколько частей. Купить такие запчасти можно в ремонтных мастерских по цене лома. Конечно, про эстетические качества светодиодного светильника в этом случае можно забыть.

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 .

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.

Основным недостатком алюминиевого радиатора является многослойность конструкции. Это неизбежно приводит к возникновению переходных тепловых сопротивлений, преодолевать которые приходится с помощью применения дополнительных теплопроводящих материалов:

  • клейких веществ;
  • изолирующих пластин;
  • материалов, заполняющих воздушные промежутки и пр.

Алюминиевые радиаторы встречаются чаще всего: они хорошо прессуются и вполне сносно справляется с отводом тепла.

Алюминиевые радиаторы для светодиодов 1 вт

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.

Медные радиаторы

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.

Лампочка с керамическим радиатором

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.

Лампочка с радиатором из термопластика

Таблица – Сравнение теплопроводности различных материалов

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:

  • игольчатые;
  • ребристые.

Первый тип, в основном, применяется для естественного охлаждения светодиодов, второй – для принудительного. При равных габаритных размерах пассивный игольчатый радиатор на 70 процентов эффективнее ребристого.

Радиаторы игольчатого типа для мощных и смд светодиодов

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.

LED-лампа с ребристым радиатором

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.

Методики точного расчета параметров радиатора предполагают учет множество факторов:

  • параметры окружающего воздуха;
  • площадь рассеивания;
  • конфигурацию радиатора;
  • свойства материала, из которого изготовлен теплообменник.

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

  • Ф – тепловой поток (Вт);
  • S – площадь поверхности радиатора (сумма площадей всех ребер или иголок и подложки в кв. м). Подсчитывая площадь, следует иметь в виду, что ребро или пластина имеет две поверхности отвода тепла. То есть площадь теплоотвода прямоугольника площадью 1 см2 составит 2 см2. Поверхность иглы рассчитывается как длина окружности (π х D), умноженная на ее высоту;
  • Т1 – температура теплоотводящей среды (граничной), К;
  • Т2 – температура нагретой поверхности, К;
  • а – коэффициент теплоотдачи. Для неполированных поверхностей принимается равным 6-8 Вт/(м2К).

Есть еще одна упрощенная формула, полученная экспериментальным путем, по которой можно рассчитать необходимую площадь радиатора:

S = x W, где

  • S – площадь теплообменника;
  • W – подведенная мощность (Вт);
  • M – незадействованная мощность светодиода.

Для ребристых радиаторов, изготовленных из алюминия, можно воспользоваться примерными данными, представленными тайваньскими специалистами:

  • 1 Вт – от 10 до 15 см2;
  • 3 Вт – от 30 до 50 см2;
  • 10 Вт – около 1000 см2;
  • 60 Вт – от 7000 до 73000 см2.

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 1 – самодельный радиатор из алюминия

Вариант 2

Радиатор для светодиода можно изготовить своими руками из куска трубы прямоугольного сечения и алюминиевого профиля.

Необходимые материалы:

  • труба 30х15х1,5;
  • пресс-шайба диаметром 16 мм;
  • термоклей;
  • термопаста КТП 8;
  • профиль 265 (Ш-образный);
  • саморезы.

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:

  • механическим;
  • приклеиванием.

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.

Все о радиаторах для светодиодов

При сборке светодиодного прибора немаловажно правильно выбрать, спроектировать и установить систему для его охлаждения — радиатор для светодиодов. Если тепловой режим для работы светодиода подобран неверно — это впоследствии приведет к его перегреву и выходу из строя.

Зачем нужно охлаждать светодиод

Мнение о том, что светодиод не нагревается ошибочно. Оно строится на том, что прикасаясь к такому маломощному прибору, не чувствуешь тепла. Согласно, закона сохранения энергии: энергия не появляется из ничего и не пропадает бесследно, а преобразуется из одного вида в другой. Светодиоды, как твердотельные источники света, излучают видимую часть спектра и выделяют при этом тепло. Вследствие термоэлектрических явлений, происходящих в полупроводниковых светодиодах, выделяется тепло. В прямой зависимости от температуры нагрева светодиодов меняются его показатели и характеристики. Такая сильная зависимость показателей от температуры приводит к тому, что:

Рис. 1. График зависимости показателя относительного светового потока от температуры перехода (светодиод MKR)

  • полупроводниковый переход при нагреве светодиодного кристалла деградирует, и он быстро изнашивается, а срок эксплуатации снижается;
  • тепловой рубеж у светодиодов, после которого наступает пробой, достигается после повышения температуры до 150°С. В зависимости от применяемых материалов, изменяется количество светового потока и срока износа;
  • постепенно уменьшается количество светового потока, что отражают кривые зависимости, изображенные на Рис.1;
  • с изменением температуры меняется и величина прямого падения напряжения на светодиоде. При нагреве источника света увеличивается показатель прямого падения напряжения. На графиках кривыми изображается такая зависимость.

Перечисленные выше причины являются серьезным поводом, чтобы обеспечить отвод тепла от светодиодного прибора.

Как охлаждать светодиод

Эффективным способом охлаждения кристалла будет отвод избыточного тепла, используя явление теплопроводности.

В радиоэлектронике для теплоотвода применяют радиаторы, с помощью которых тепло отводят в атмосферу двумя способами. При первом способе охлаждения – пассивном, одна часть тепловых инфракрасных волн излучается в атмосферу, а вторая уходит благодаря конвекции теплого воздуха от радиатора (Рис. 2). В светодиодах с невысокой мощностью при этом пассивном способе тепловой конвекции тепло проводится через металлические контакты, показатель теплопроводности которых позволяет в достаточном объеме отводить его излишки от кристалла. Более длинные контакты позволяют лучше отводить и рассеивать тепло по плате. Недостатком пассивного метода является большой размер, вес и высокая стоимость устанавливаемого теплоотвода.

Рис. 2. Пассивный способ тепловой конвекции

Турбулентная конвекция относится ко второму активному способу охлаждения. Для вывода тепла из мощных светодиодных приборов на радиаторе закрепляется смонтированный на подложке кристалл.

Размеры, форма и количество ребер радиатора напрямую зависят от мощности диода. В систему встроены механические устройства и вентиляторы, создающие активные потоки воздуха (Рис.3). К примеру, лампы мощностью 20 ватт в фарах автомашин бизнес-класса принудительно обдуваются встроенными куллерами. Этот способ более производительный, но применим только в условиях хорошей погоды и отсутствии большой запыленности помещения.

Рис.3. Вентиляторы для активного способа охлаждения

Установка радиатора снижает процесс перегрева светодиода, что позволяет в несколько раз увеличить срок его эксплуатации.

Типы радиаторов

Перед сборкой устройства необходимо определиться с типом используемого радиатора:

  • штыревой или игольчатый (Рис.5);
  • ребристый (Рис.4).

При необходимости естественного охлаждения источника света применяют первый тип, а в случае принудительного — второй. Обычно штыревой, при одинаковых размерах с ребристым, производительнее на 70 %.

Рис.4. Радиатор ребристый

Радиатор ребристого типа в основном применяют при активном способе отвода тепла. Но при определенных геометрических параметрах его используют в пассивном способе.

Рис.5. Радиатор игольчатый

Когда дистанция между иглами равна 4 мм, устройство предназначается для естественного теплоотвода, а при зазоре 2 мм радиатор укомплектовывают вентилятором.

Материалы для радиаторов

Для долгой и производительной работы светодиода очень важно подобрать качественный материал для радиатора. Его выбирают по определенным требованиям и показателям. Показатель теплопроводности должен находиться в пределах 6-10 Вт. При более низком показателе материал не проведет тепло, которое попадает в воздух. При показателе теплопроводности выше 10 Вт, эффективность работы устройства по техническим показателям не возрастет, а затраты на материал будут лишней тратой денег. Наиболее подходящими материалами при производстве считаются алюминий, керамика, медь. В редких случаях изготавливают прибор из материалов, включающих в состав пластмассы, способствующие рассеиванию тепла.

Светодиодный радиатор чаще всего изготавливают из прессованного алюминия, поскольку он лучше других материалов отводит тепло. Главным изъяном алюминиевого радиатора для светодиодов считают большое количество слоев в изделии, что способствует появлению переходного теплового сопротивления. Что бы преодолеть такое сопротивление, необходимо добавить в изделие материалы, обладающие теплопроводными свойствами и заполняющие воздушные прослойки: клеящие вещества, изоляционные пластины и др.

Преимущество медного радиатора, по сравнению с алюминиевым, в более высокой теплопроводности. Недостаток его в более тяжелом весе изделия и меньшей податливости металла. Метод прессования медного и обработка резанием очень затратные способы изготовления.

Более приемлемым вариантом отвода тепла является подложка из керамики. К ее токоведущим трассам припаивают светодиоды, что позволяет увеличить теплоотвод в два раза по сравнению радиаторами, изготовленными из металла.

Рассеивающая тепло пластмасса по стоимости дешевле алюминиевого изделия. Так как теплопроводность самой пластмассы составляет — 0,2 Вт/м, то достичь приемлемого показателя возможно, только за счет добавления наполнителей. Если алюминиевый радиатор заменить на пластмассовый, такого же размера, то температура в зоне подвода увеличится на 5%.

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.

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 сделать радиатор своими руками

Радиатор — важная деталь в работе LED, от его качества зависит долговечность светодиода. Сделать своими руками радиатор из подручных материалов можно следующим способом:

  1. Самодельно. Вырезав круг из листового алюминия, по краям делают надрезы. Как показано на Рис.6, усики отгибают как у вентилятора. 4 усика отдельно отгибают по осям теплоотвода для последующего прикрепления конструкции к основанию светодиода. Закрепить конструкцию можно саморезами, предварительно нанеся термопасту. Рис.6. Самодельный алюминиевый радиатор.
  2. При втором способе используют профиль (из алюминия) и отрез трубы с прямоугольным сечением 30х15х1,5. (Рис.7). Дополнительные материалы: профиль 265, пресс-шайба 16 мм, термоклей, термопаста, саморезы. Сначала просверливают в трубе 3 отверстия 8 мм, потом в профиле – 3,8 мм – для последующего закрепления саморезами. Термоклеем клеят источник света к трубе, как к основанию, предварительно наносят термопасту в местах приклеиваемых частей. Используя саморезы и пресс-шайбы собирают всю конструкцию.

Чтобы соединение получилось прочным, светодиод после нанесения клея придавливают на четыре часа не тяжелым грузом.

Рис.7. Профильная труба для радиатора

Выбирая радиатор для светодиода стоит обязательно учесть тип материала из которого он состоит и его площадь. Не правильно подобранный радиатор существенно сократит срок службы светодиода, а в некоторых случаях может и вовсе вывести его из строя в первые часы работы.

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.

Маломощный SMD светодиод
Представители второго типа, это все что от 0,5Вт и выше. Например, популярные эмиттеры. У них подложка представляет собой алюминиевый цилиндр, на котором с одной стороны сидит кристалл, а вторая сторона торчит из корпуса наружу. Очень популярный корпус «эмиттер»
С этим разобрались. Корпус светодиода тепло не проводит, линза тоже. Тепло выводится наружу либо через выводы, либо через подложку. Тепло наружу вывели и теперь самое интересное, что с ним делать дальше.

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.

Мощный светодиод на монтажной пластине. Она нужна для того, чтобы светодиод можно было, тупо, прикрутить к радиатору. Сама, при этом, радиатором не является, т.к. слишком маленькая Какую площадь охлаждающей поверхности выбрать. Чтобы не заморачиваться, есть ориентировочная цифра 20 сантиметров квадратных на 1Вт «светодиодной» мощности. Кто-то пишет меньше, кто-то больше. cxdsee занимается этим вопросом, у него есть посты на эту тему. И теперь мы подошли к главному вопросу: зачем радиатор маломощным SMD светодиодам. Буду разжевывать на частных примерах. Мы разобрались, что у них тепло выводится через выводы, т.е. другими словами снаружи светодиода греются только выводы. Берем мы такой светодиод, припаиваем на плату из текстолита. Причем площадки под вывода светодиода ровно такие, чтоб можно было его припаять, дорожки узкие. Текстолит тепло проводит плохо, что у нас получается? Правильно, роль радиатора играют только вывода светодиода, т.е. этого мало. Здесь же разжую дальше. Приходит много комментариев, я, мол, спаял с узкими дорожками и ничего у меня не греется. Ну конечно не греется, как ты это определишь. Пластиковый чайник с кипятком тоже не особо горячий на ощупь. Надеюсь, метафора понятна? Корпус светодиода тепло проводит плохо, текстолит тоже, а трогаете вы именно их, не удивительно, что они не горячие. Попробуйте потрогать именно вывода светодиода, удивитесь. Хотя в аудюху давно еще ставил лампочку с 6ю SMD5050 в кучу, так там и до текстолита не дотронуться было. Правильный способ – оставлять дорожки максимально широкими, оставляйте даже целые площадки, это и будет радиатор. Потрогав такую плату уже можно более менее адекватно оценить реальный нагрев светодиодов. Повторю, трогая снаружи SMD светодиоды, вы не поймете, горячие они или нет. По этой же причине и ангельские глазки ни у кого не греются, типа. А потом у людей, почему-то, светодиоды в них дохнуть начинают и они про неон вспоминают. Уже сам смартус уклончиво написал, что есть определенные трудности с охлаждением, будем решать.
Этот способ работает, если у вас светодиоды посажены на плате не плотно. А если они сидят кучно, будьте уверены, хреново им, сдохнут они скоро.
Что делать, если нужно напаять светодиоды плотно. Делать платы не из текстолита, а вот из чего .
Здесь вместо текстолита использован алюминий, а медь изолирована от него тонким слоем диэлектрика. Плату из текстолита довольно таки бессмысленно прикручивать к радиатору, а вот из алюминия самое то. Не важно, 20мА у тебя потребляет светодиод или 2000мА, количество светодиодов и плотность посадки имеет значение. Например, в моих задних лампах получилась сборка на 1Вт площадью около 4,5см2, это очень мало. По этому и радиаторы я туда поставил. И греются у меня лампы потому, что тепло от светодиодов реально доходит до радиатора и его можно «потрогать».

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.

Какие светодиодные лампы не стоит покупать? Подскажем как не купить плохие LED-лампы

Всем привет. Сегодня, дорогие друзья, хочу поговорить о светодиодных лампах, которые прочно входят в нашу жизнь. Всемирный бойкот обычным лампам накаливания достиг своего апогея, и светодиодная оптика уже никого не удивляет. Лазерные фары, матричная оптика все это — уже реальность, однако пока технология мало изучена и очень дорога, встречаются такие экземпляры исключительно на супердорогих авто.

Как это часто бывает все новинки успешно копируют наши «азиатские братья», которые в погоне за прибылью не стесняются подделывать все, что только, что появилось у крупных автопроизводителей. То же самое касается и светодиодных ламп, которых сегодня нереальное количество, поэтому купить подделку вместо оригинальных светодиодных ламп довольно просто. Также многие автомобилисты не понимают, чем может обернуться покупка и установка светодиодных ламп в фары головного света и слепо доверяют продавцам такой продукции.

Актуально: Можно ли ставить светодиодные лампы в фары головного света? Какой штраф за LED-светодиоды?

В конечном итоге покупатель получает либо некачественные светодиодные лампы, либо лампы, которые слепят автомобили, движущиеся по встречной полосе. В особо сложных случаях страдает сама блок фара из-за использования плохой светодиодной лампы. В этой статье я хочу рассказать вам, дорогие посетители fara-info.ru о том, какие светодиодные лампы не стоит покупать и почему.

Почему светодиоды так популярны?

Ответ простой, и я, думаю, каждый из вас знает на него ответ. Прежде всего светодиоды обеспечивают гораздо более яркий свет, потребляя при этом меньше энергии. Свет диодов позволяет глазам водителя меньше напрягаться, что существенно увеличивает производительность самого водителя. За рулем такого авто со светодиодными фарами можно преодолеть гораздо большее расстояние и при этом меньше устать. Фары такого типа быстрее загораются, экономя при этом драгоценные секунды, от которых порою зависит все. В общем плюсов у светодиодной оптики довольно много, однако есть и минусы, о которых я писал в этой статье, кому интересно переходите по ссылке.

Чем отличаются светодиодные лампы друг от друга?

Диодные лампы, как правило, отличаются между собой:

  • Формой;
  • Типом охлаждения;
  • Количеством светодиодов;
  • Мощностью и цветовым спектром.

Охлаждение

Форма LED-лампы играет второстепенную роль, более важными являются остальные пункты. Начну с охлаждения, так как от него зависти очень много.

Охлаждение может быть: пассивным, активным (кулер, вентилятор).

Пассивное охлаждение LED-ламп предусматривает естественное охлаждение за счет использования специальных материалов с высокой теплопроводностью. Все выглядит следующим образом, в задней или нижней части лампы располагается радиатор, который естественным путем отводит тепло от нагревающегося диода. Радиаторы бывают гибкими в виде лент, нередко такие просто не помещаются в корпус фары, в итоге приходится покупать более глубокие защитные крышки.

Второй тип охлаждения предусматривает наличие так называемого кулера, проще говоря вентилятора, который вращаясь отводит тепло от радиатора. Такой тип охлаждения несмотря на свою инновационность и обманчивую эффективность на самом деле менее надежный по сравнению с лампами первого типа. Пыль, влага и прочая грязь, проникая вовнутрь корпуса кулера, забивают вентилятор, после чего он выходит из строя. Без должного охлаждения светодиодная лампа быстро перегревается и может не только выйти из строя, но и оплавиться. В более тяжелых случаях все может закончиться пожаром.

Количество светодиодов. На первый взгляд может показаться, что этот параметр не имеет значения, однако при более детальном изучении количество кристаллов играет важную роль. Один большой диод — это не всегда хорошо, более приемлемым считается наличие нескольких диодов. Большой диод может нагреваться, поэтому требует большого радиатора, следовательно, лампа может иметь крупные габариты или плохое охлаждение. Кроме того, большой диод нередко создает слишком яркий световой луч, который не фокусируется и ослепляет водителей встречного потока. К тому же такие LED-лампы не имеют четкой световой границы.

Что касается мощности и цветового спектра, то здесь все индивидуально, подбирать нужно согласно собственных предпочтений.

LED-лампы, которые лучше не покупать

1. Итак, первый тип, о котором я уже вкратце рассказывал — это лампы с одним большим светодиодом. Большой светодиод сильнее светит, порою даже слишком, больше нагревается и не имеет четкого сфокусированного светового луча. Граница размыта. Порою из-за больших размеров диода свет попадает на те части отражателя, где его быть не должно, в результате свет слишком яркий и плохо регулируется, а также в подавляющем большинстве случаев ослепляет «встречку». Также следует учесть, что большой диод будет сильно нагреваться, без должного теплоотвода лампа быстро перегорит, причем не просто выйдет из строя, а ко всему прочему испортит оптику вашего авто.

2. Ко второму типу светодиодных ламп, которые не стоит покупать, хочу отнести лампу с большим количеством светодиодов, расположенным по кругу. Лампа выглядит и вправду очень неплохо, однако создавали ее маркетологи, а не инженеры, и главной их целью было заинтересовать покупателя большим количеством диодов. Сама же лампа светит мягко говоря не очень, так как все эти светодиоды находятся на разной высоте и с разных сторон, в итоге в отражателе отражаются не все. Причем из-за хаотичного расположения диодов световой луч получается нечетким, и как правило не обладает достаточной дальностью.

3. На третьем месте светодиодные лампы с кулером, которые также не советую покупать. Охлаждение этого типа весьма сомнительное и очень быстро выходит из строя, после чего кристалл или кристаллы диодов перегреваются и сгорают. В более продвинутых моделях предусмотрена «защита» от перегрева в виде температурного датчика. В случае критической температуры датчик понижает производительность лампы и предотвращает выход светодиодов из строя. Но как бы там ни было, я бы не рекомендовал данный тип охлаждения.

Также не советую покупать LED-лампы в сомнительных точках продаж, по слишком низким ценам, а также с рук или у лиц, которые не имеют должных документов, разрешений и т. д. Вместо выгодной сделки и экономии вы можете получить подделку, которая и света не даст и поработает кое-как несколько дней или недель.

В завершение этой длинной статьи хочу подвести итоги

Если же риск не для вас, и вы не желаете экспериментировать, рекомендую купить галогенные лампы высокого качества только с большей эффективностью и светоотдачей. Таким образом вы получите идеальную совместимость и более эффективный головной свет. Если же стандартные «галогенки» не для вас и проблемы со светом головной оптики вам порядком надоели, обратитесь за помощью к профессионалам. Они подберут для вас идеальный вариант за вменяемую цену, при этом обеспечат качество и гарантию. Только качественные светодиодные лампы и правильная регулировка позволят получить лучший результат, не ослепляя при этом встречную полосу и не нарушая требования ПДД.

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.

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. Фактическое наличие алюминиевого слоя позволяет производителям использовать маркетинговые уловки для повышения привлекательности своей продукции.

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.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх