Как отвести тепло от светодиода

9

Охлаждение и регулирование температурных режимов светодиодов

Общеизвестно, что срок службы светодиода
зависит от используемого
полупроводникового материала,
а также отношения тока светодиода к количеству
выделяемого тепла. Световая отдача
постепенно снижается, и после того как она
достигнет 50% от начального значения, ожидаемый
срок службы светодиода по определению
истекает. Достижимый срок службы
светодиодов может составлять от нескольких
десятков тысяч до 100 000 часов, но только
в отсутствие воздействия высоких температур,
которые радикально его сокращают.

Мощность излучения, или световой поток
светодиода, сильно зависит от температуры p-n-перехода
кристалла. Это значит, что КПД существенно
уменьшается с ростом температуры.
Хотя светодиод и называют «холодным излучателем», в свет преобразуется не вся его электрическая
энергия. Как и в других полупроводниковых
устройствах, большая ее часть (70–80%)
превращается в тепло. Именно поэтому, в отличие
от тепловых излучателей (например, ламп
накаливания), светодиоды нуждаются в обязательном
регулировании температурных режимов
(охлаждении). Эффективность светодиода
определяется как отношение светового потока
к общему количеству подаваемой на светодиод
электрической мощности и выражается в люменах
на ватт (лм/Вт).

При всех великолепных характеристиках
высокоэффективных белых светодиодов
их длительная и бесперебойная работа, а значит,
воплощение в жизнь новых технологий освещения возможны только при соблюдении
граничных условий, накладываемых на температурные
режимы.

На рынке представлено множество вариантов
конструкций, ориентированных на различные
способы применения. Это светодиоды
с проволочными выводами, используемые в качестве
индикаторов, SMT-светодиоды в корпусах
PLCC, шести- и восьмигранные светодиоды
с различными характеристиками, а также
представляющие особый интерес светодиоды
в исполнении COB (Chip on Board — «кристалл
на плате»), которые припаиваются непосредственно
на печатную плату.

От высокоэффективных светодиодов, применяемых
для освещения, требуется максимально
возможный световой поток; ввиду
технических принципов работы полупроводниковых
компонентов, новых конструктивных
решений, размещения нескольких кристаллов
в одном корпусе и других факторов
возникает необходимость в оптимальном
регулировании температурных режимов.

Тепловые соотношения

Характеристики излучения полупроводниковых
светодиодов меняются со временем,
и интенсивность излучаемого света постепенно
уменьшается. Это явление известно под
названием «старение» и связано с концентрацией
и объемом примесей в полупроводниковом
кристалле. Слишком интенсивный световой
поток, обусловленный повышенной
потребляемой электрической мощностью,
также увеличивает температуру светодиода,
а большие перепады температур существенно
сокращают срок его службы. Подвержены
старению и синтетические материалы, из которых
изготавливаются корпуса и линзы
светодиодов (эпоксидная смола, силикон и т. п.),
что может приводить к их помутнению.

Неисправности, связанные
с воздействием высоких
температур

Температура кристалла, определяющая параметры
светового потока, цвет излучения и напряжение
прямого смещения светодиода, зависит
от температуры окружающей среды и нагрева
протекающим электрическим током.

Световой поток Ф как функция температуры
рассчитывается по следующей формуле:

где T₁ — световой поток при T_j 1; T₂ — световой
поток при T_j 2; k — температурный коэффициент;
ΔT — разность температур T_j (T₂–T₁).

Пример старения в результате повышения
температуры приведен на рис. 1. Кривая показывает,
что при росте температуры с 25 до 75 °C
световой поток уменьшается почти вдвое.

Рис. 1. Зависимость светового потока
от окружающей температуры
для красного светодиода
при неизменном токе (по документам,
предоставленным компанией Lumileds)

Известные формулы теплотехники и экспериментальные
наблюдения за регулированием
температурных режимов позволили глубже
понять механизм потерь мощности излучения,
обусловленных разностью температур:

где T_j = ΔT_j+T; R_thja — потери, обусловленные
разностью температур между переходом и окружающей
средой; T_j — температура p-n-перехода;
T_a — температура окружающей среды; P — полная
мощность светодиода (I_f×V_f).

На практике фактическое значение температуры
p-n-перехода рассчитывается следующим
образом:

Регулирование
температурных режимов

Теплоинженерные расчеты для оптимального
охлаждения чрезвычайно сложны, поскольку
необходимо учесть конструкцию
светодиода и общее тепловое сопротивление
как сумму тепловых сопротивлений отдельных
материалов и переходов. Как уже было сказано,
лишь около 20–35% номинальной мощности
светодиода преобразуется в свет —
остальная мощность теряется в виде
выделяемого тепла, которое должно рассеиваться
в окружающую среду с компонентов
системы во время работы светодиода.

Есть три возможных способа охлаждения
светодиода: через корпус, через печатную плату
(токонесущие дорожки, плакированная печатная
плата) и с помощью радиаторов, приклеиваемых
или припаиваемых на плату или
монтируемых отдельно. При охлаждении
светодиода через корпус отводимое тепло
проходит два участка: между p-n-переходом
и выводами светодиода, а далее между выводами
и окружающей средой. В этом случае
отвод тепла минимален, и поэтому данный
метод ненадежен, в особенности при охлаждении
высокоэффективных светодиодов.

Другой метод охлаждения предполагает
монтаж радиатора на той же печатной плате,
на которой установлены светодиоды (если это
предусмотрено). Сложность конструкторской
задачи, стоящей перед разработчиком в этом
случае, может различаться. При малом тепловыделении
в очень ограниченном числе случаев
достаточно печатной платы из материала
FR-4 с дополнительным слоем теплопроводящей
пасты. При более интенсивном тепловыделении
используются печатные платы особой конструкции,
поскольку FR-4 является не очень
хорошим проводником. Широко применяются
для охлаждения светодиодов плакированные
печатные платы. Алюминиевое основание
позволяет отводить тепло от светодиодов
в окружающую среду через тепловые каналы
или вкладыши (с покрытием сплошным слоем
меди) — напрямую или через смонтированный
на плате дополнительный радиатор.

Помимо жестких печатных плат, данный
метод равно применим и к гибким печатным
платам, изготовленным из PET, PEN, PI, поскольку
к ним также можно приклеить алюминиевую
теплораспределительную пластину
и радиатор.

В случае высокоэффективных светодиодов
использование радиатора является обязательным
(рис. 2). Существуют различные базовые
подходы к конструированию радиаторов для
свободной конвекции.

Рис. 2. Пример стандартных радиаторов
из широкого ассортимента
Выбор подходящего радиатора

После того как установлены тепловые критерии
(с обязательным учетом характеристик
и рекомендаций производителей светодиодов),
рассчитано тепловое сопротивление, рассмотрены
возможные способы монтажа и оценен
размер доступного пространства, можно выбирать
радиатор. Особое внимание следует
уделить его пространственной ориентации.
Гребенчатые радиаторы следует монтировать
так, чтобы они не создавали препятствий естественным
конвективным потокам. При активном охлаждении необходимо обеспечить максимально
беспрепятственный впуск и выпуск воздуха.
Поставщики радиаторов для светодиодов указывают
тепловое сопротивление изделий на графиках
в документации к ним.

Рис. 3. График зависимости теплового сопротивления радиатора от его размеров

Пользуясь предоставленными производителем
графиками, по расчетному значению
теплового сопротивления пользователь может
определить параметры радиатора для конкретного
применения (рис. 3). В связи со стабильно
растущим спросом был разработан ряд
специальных конфигураций: помимо множества
стандартных радиаторов, которые можно
использовать для охлаждения светодиодов,
в настоящее время предлагаются специально
модифицированные версии радиаторов для
светодиодов и отдельных светодиодных систем
(рис. 4). Иногда для увеличения площади теплорассеивающей
поверхности на дно радиатора
наносится слой меди — в этом случае
светодиод можно будет непосредственно припаять
к радиатору.

Рис. 4. Пример использования
модифицированного стандартного
радиатора в качестве специального

Эффективность охлаждения можно повысить,
реализовав принудительную вентиляцию.
Вентилятор на радиаторе, в зависимости
от способа применения, может улучшить теплоотвод
примерно на 40%. Для этой цели
используются специально разработанные
радиаторы. Для выбора подходящего охлаждающего
элемента в схеме с принудительной
вентиляцией приводятся графики зависимости
теплового сопротивления от скорости воздушного
потока (рис. 5).

Рис. 5. График зависимости теплового сопротивления от скорости воздушного потока

Однако активное охлаждение сопряжено
с шумом. Электродвигатели вентиляторов и сам
воздушный поток создают звуковые волны,
которые нежелательны во многих случаях —
например, при освещении жилых помещений,
концертных залов, учебных аудиторий и т. п.
С другой стороны, сегодня существует ряд
методов вентиляции, предусматривающих
использование низкооборотных электродвигателей
и лопастей крыльчатки специальной
формы, дающих очень малый уровень шума.
Мягкая подвеска вентилятора на радиаторе
при помощи специального кронштейна с использованием
резиновых опор со встроенным
крепежом вместо винтов ослабляет механическую
связь, способствующую распространению
звуковых волн, и уменьшает шум, возникающий
вследствие разбалансировки подшипника
вентилятора. Высококачественные вентиляторные
электродвигатели, уже прошедшие
апробацию, имеют существенно меньшую
частоту отказов, а их среднее время наработки
на отказ составляет около 200 000 ч, что превышает
расчетный срок службы светодиода.
Некоторые электродвигатели предусматривают возможность управления с помощью
широтно-импульсной модуляции и поэтому
особенно хорошо подходят для применения
в вентиляторах.

К другим преимуществам принудительной
вентиляции, помимо низких температур, относятся
меньшее загрязнение воздуха пылью,
а также более однородное распределение тепла
при частом включении и выключении.

Среди других методов охлаждения светодиодов
с большим тепловыделением можно
упомянуть термоэлектрическое (на базе элементов
Пельтье) и жидкостное охлаждение
(через микроканалы и т. п.). Однако эти методы
находят лишь ограниченное применение
по причине их дороговизны.

Монтаж светодиодов

Особое внимание необходимо уделить сопряжению
светодиода и радиатора. Если контакт
между ними будет неудовлетворительным, то за
счет ухудшения теплопередачи температура
светодиода заметно повысится. При этом могут
снизиться эффективность и световой поток,
а при достаточно высоких температурах наступит
необратимое повреждение светодиода.

Наилучший контакт между светодиодом
и радиатором достигается только при максимальной
ровности контактирующих поверхностей
и отсутствии воздушных пузырей,
препятствующих теплопередаче. Рекомендуется
использовать теплопроводящую пасту, особенно
при механическом креплении светодиодов
винтами. Приклеивание светодиодов
с помощью двусторонней клейкой ленты или
двухкомпонентного теплопроводящего эпоксидного
клея позволяет сгладить неоднородности
поверхностей. Используемые в этом

случае клеящие вещества должны содержать
как можно меньше летучих органических
соединений, так как последние при испарении
с последующей конденсацией на поверхности
светодиода могут снизить прозрачность пластмассовой
крышки/линзы. Очень хорошего
теплового контакта светодиода с радиатором
для ряда моделей светодиодов можно достичь,
монтируя светодиод на радиаторе путем пайки
оплавлением или инфракрасной пайки.

Но при любых способах крепления необходимо
принять меры к тому, чтобы никакие соседние
или дополнительные электронные компоненты,
выделяющие тепло (резисторы, транзисторы
и т. п.), не препятствовали отводу тепла от светодиода
и не вызывали приток тепла в систему.
Разные способы применения требуют разных
методов регулирования температурных режимов
(рис. 6).

Рис. 6. Пример различных вариантов
регулирования температурных режимов

Применение светодиодов
для освещения

Во многих случаях светодиоды предпочтительны
ввиду их малых размеров, высокой стабильности,
эффективности и длительного срока
службы. Отсутствие инфракрасных и ультрафиолетовых
составляющих в излучении светодиодов
благоприятствует их применению в медицине
и других областях, где требуется освещать
светочувствительные объекты (музеи, галереи).

Относительная устойчивость светодиодов
к тряске, ударам и вибрации является существенным
фактором, способствующим их применению
на транспорте — от велосипедного
и автомобильного до железнодорожного, водного
и воздушного.

Длительный срок службы светодиодов
является преимуществом при их применении
в редко используемом оборудовании (индикаторах),
труднодоступных областях (например,
во взрывоопасных зонах) и оборудовании
с большим объемом технического обслуживания
(светофорах, другом светосигнальном
оборудовании). К этому добавляются экологические
и ценовые преимущества, так как
светодиоды не содержат вредных для окружающей
среды веществ и очень экономичны.
Наконец, что не менее важно, светодиоды
позволяют реализовать множество новых
конструкторских решений в сфере освещения,
которые были невозможны при использовании
традиционных источников света.

Следует ожидать, что в будущем светодиод
утвердится на рынке как универсальный источник
света для всех типов освещения.
Во многих случаях условия монтажа светодиодов
требуют использования радиаторов.
Надлежащие методы регулирования температурных
режимов будут способствовать быстрой
разработке и обеспечивать длительную безотказную
работу светодиодов.

Охлаждение светодиодных светильников. Теплоотведение

Светодиодные светильники прочно вошли в нашу жизнь, их можно встретить почти в каждом доме, на предприятиях, в различных учреждениях, на улице.

Они способствуют экономии электроэнергии, надежны, обладают продолжительным сроком эксплуатации, а также целым набором технических характеристик, обеспечивающих этим светильникам преимущество перед осветительными приборами предыдущих поколений.

Светодиодные светильники выделяют меньше тепла, чем большинство светильников с другими источниками света. Но, тем не менее, во время работы устройства происходит естественный нагрев светодиодов. При плохом теплоотводе температура светодиодов может быть выше допустимой для их нормальной работы. Если повышенная температура светодиодов будет сохраняться постоянно, через некоторое время произойдет деградация люминофора, изменится цветовая температура диодов. А так же снизится световой поток, при том что энергопотребление останется прежним, то есть снизится энергоэффективность, и заметно уменьшится продолжительность срока эксплуатации светильника.

Как избежать деградации светодиодов и продлить срок их службы

Ответ прост. Нужно обеспечить теплоотвод от светодиодного модуля. Как это сделать? Использовать радиатор. Радиатор — это конструктивный элемент светильника, который служит для отвода и рассеивания тепла от светодиодного модуля и, соответственно, его охлаждения.

Какие материалы используются для изготовления теплоотвода

Чаще всего для этих целей используется алюминий. Теплопроводность этого металла составляет от 200 до 240 Вт/(м·K), что почти в 3 раза превышает этот же показатель стали. Кроме того, алюминий удобен для обработки и выгоден по стоимости.

Реже для изготовления радиатора используется медь. Теплопроводность меди составляет 400 Вт/(м·K) и уступает только серебру. Но медные радиаторы встречаются редко. Дело в том, что этот металл значительно выше по стоимости, чем алюминий, к тому же он сложен в механической обработке и имеет большую массу. Соответственно, если использовать медный радиатор, конечная стоимость светильника сильно возрастет, что не на руку производителю. В качестве материала радиатора для охлаждения светодиодных ламп может использоваться керамика.

Теплопроводность керамики составляет 175–235 Вт/(м·K). Показатель неплохой, но этот материал встречается нечасто — буквально у нескольких моделей светодиодных ламп. В недорогих светодиодных лампах можно встретить радиатор из термопластика. Теплопроводность термопластика составляет от 5 до 40 Вт/(м·K), что намного ниже, чем теплопроводность алюминия или керамики, тем не менее, у него есть некоторые преимущества. Термопластик очень легок и имеет низкую стоимость. Но не стоит его использовать для охлаждения ламп мощнее 10 Вт и уж тем более светильников. Термопластик просто не справится с теплоотводом.

Система охлаждения источника света

Рассчитать площадь охлаждающего элемента для светодиодного светильника можно двумя способами: проектным и поверочным. Проектный способ заключается в том, что размер радиатора рассчитывается исходя из тепловой мощности охлаждаемого прибора. Поверочный способ основан на обратном действии: зная размеры радиатора, просчитывается, какую тепловую мощность он может рассеять. Выбор способа расчета и формы радиатора происходит отдельно в каждом конкретном случае, но это всегда точные математические расчеты, подкрепленные графиками. Кроме того, рассчитывается не только размер охлаждающего элемента, но и направленность теплоотвода.

Для охлаждения светодиодных светильников SDSBET используются алюминиевые радиаторы. Использование именно этого материала позволяет обеспечивать эффективный теплоотвод от светодиодного модуля и при этом поддерживать оптимальную стоимость светильников. Радиаторы могут выглядеть по-разному, но внешний вид не влияет на функциональность. Наоборот, для каждого конкретного светильника просчитан и разработан свой вариант радиатора, который обеспечивает наиболее эффективный теплоотвод.

Стоит отметить, что не в каждом светильнике радиатор явно выражен. Это определяется особенностями конструкции и мощностью осветительного прибора. Например, светильник малой мощности до 40 Вт в стальном корпусе хорошо отводит тепло самим корпусом, если светодиоды расположены на алюминиевой плате. К таким светильникам производства SDSBET относятся многие офисные светильники, светильники серии «Ритейл», светодиодные панели, некоторые ЖКХ-светильники.

Теперь вы знаете, что такое радиатор в светодиодном светильнике и зачем он нужен, и сможете применять свои знания при выборе светодиодного оборудования, чтобы не попасть в неприятную ситуацию из-за светильника ненадлежащего качества.

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:

• 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 см 2 составляет — 2 см 2 .

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 см 2 ;
• 3 Вт: 30 ÷ 50 см 2 ;
• 10 Вт: приблизительно 1000 см 2 ;
• 60 Вт: 7000 73000 см 2 .

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:

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.

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.

Термоклей для светодиодов – алюминиевый радиатор своими руками

Устройство и принципы функционирования радиатора для светодиодов. Правила выбора материала и площади детали. Делаем радиатор своими руками легко и быстро.

Распространенное мнение, что светодиоды не нагреваются – заблуждение. Возникло оно потому, что маломощные светодиоды на ощупь не горячие. Все дело в то, что они оснащены отводчиками тепла – радиаторами.

Принцип действия теплоотвода

Главным потребителем тепла, выделяемого светодиодом, является окружающий воздух. Его холодные частицы подходят к нагретой поверхности теплообменника (радиатора), нагреваются и устремляются вверх, освобождая место новым холодным массам.

При столкновении с другими молекулами происходит распределение (рассеивание) тепла. Чем больше площадь поверхности радиатора, тем интенсивнее он передаст тепло от светодиода воздуху.

Подробнее о принципах работы светодиодов читайте здесь.

Количество поглощенного воздушной массой тепла с единицы площади не зависит от материала радиатора: эффективность естественного «теплового насоса» ограничено его физическими свойствами.

Материалы для изготовления

Радиаторы для охлаждения светодиодов различаются по конструкции и материалу.

Окружающий воздух может принять не более 5-10 Вт с единичной поверхности. При выборе материала для изготовления радиатора следует принять во внимание выполнение следующего условия: теплопроводность его должна быть не менее 5-10 Вт. Материалы с меньшим параметром не смогут обеспечить передачу всего тепла, которое может принять воздух.

Теплопроводность выше 10 Вт будет технически избыточной, что повлечет за собой неоправданные финансовые затраты без увеличения эффективности радиатора.

Для изготовления радиаторов традиционно используют алюминий, медь или керамику. В последнее время появились изделия, выполненные из теплорассеивающих пластмасс.

Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про импульсный блок питания своими руками.

Алюминиевые

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

• 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.

Медные

Медь обладает большей теплопроводностью, чем алюминий, поэтому в некоторых случаях ее использование для изготовления радиаторов оправдано. В целом же данный материал уступает алюминию в плане легкости конструкции и технологичности (медь – менее податливый металл).

Изготовление медного радиатора методом прессования – наиболее экономичным – невозможно. А обработка резанием дает большой процент отходов дорогостоящего материала.

Керамические

Одним из наиболее удачных вариантов теплоотводчика является керамическая подложка, на которую предварительно наносятся токоведущие трассы. Непосредственно к ним и подпаиваются светодиоды. Такая конструкция позволяет отвести в два раза больше тепла по сравнению с металлическими радиаторами.

Пластмассы теплорассеивающие

Все чаще появляется информация о перспективах замены металла и керамики на терморассеивающую пластмассу. Интерес к этому материалу понятен: стоит пластмасса намного дешевле алюминия, а ее технологичность намного выше. Однако теплопроводность обычной пластмассы не превышает 0,1-0,2 Вт/м.К. Добиться приемлемой теплопроводности пластмассы удается за счет применения различных наполнителей.

При замене алюминиевого радиатора на пластмассовый (равной величины) температура в зоне подвода температур возрастает всего на 4-5%. Учитывая, что теплопроводность теплорассеивающей пластмассы намного меньше алюминия (8 Вт/м.К против 220-180 Вт/м.К), можно сделать вывод: пластический материал вполне конкурентоспособен.

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.

Но это не значит, что пластинчатые (ребристые) радиаторы годятся только для работы в паре с вентилятором. В зависимости от геометрических размеров, они могут применяться и для пассивного охлаждения.

Обратите внимание на расстояние между пластинами (или иглами): если оно составляет 4 мм – изделие предназначено для естественного отвода тепла, если зазор между элементами радиатора всего 2 мм – его необходимо комплектовать вентилятором.

Оба типа радиаторов в поперечном сечении могут быть квадратными, прямоугольными или круглыми.

Рекомендуем Вам также ознакомиться с электромагнитным устройством – дроссель для ламп.

Расчет площади радиатора

Методики точного расчета параметров радиатора предполагают учет множество факторов:

• 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 = [22 – (M x 1.5)] 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 2

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

• 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.