Медный радиатор для светодиодов

Радиатор для светодиодов: назначение, виды, делаем своими руками

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.

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 – 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.

Источник: http://ledno.ru/svetodiody/radiator-dlya-led.html

Какой нужен радиатор для охлаждения светодиода?

Светодиоды, которые появились на рынке радиоэлектроники сравнительно недавно, уже прочно заняли лидерские позиции по отношению к другим источникам света. Они наиболее экономичны в плане расхода электроэнергии, более компактны и удобны в использовании и обладают меньшим выделением тепла.

И все же, насколько бы высокотехнологичным ни был светодиод, повышения температуры при его работе не избежать. К тому же при нагреве подобный LED-элемент в силу своих конструктивных особенностей начинает терять силу светового потока.

Конечно, если это обычный DIP-светодиод с двумя ножками-контактами, ему вполне хватает внешнего охлаждения. Но если взять более мощные элементы, то тут уже стоит задуматься о радиаторе охлаждения для светодиодов, который бы помог отведению тепла от источника света.

Если обратить внимание на подобные устройства охлаждения в магазинах, то можно понять, насколько велика их стоимость. Что же тогда делать?

Остается разобраться, возможно ли самому, своими руками сделать радиатор для определенного светодиода или группы светодиодов, как это выполнить, и насколько это сложно. Вот сейчас мы постараемся решить этот вопрос.

А нужен ли радиатор?

Для начала есть смысл понять, нужен ли охлаждающий радиатор для светодиода и если да, то зачем.

Дело в том, что по эффективности, если брать слаботочные диодные излучатели, их коэффициент полезного действия составляет лишь 15–17%. При этом понятно, что остальная энергия уйдет на выделение тепла. Конечно, КПД более мощных светодиодов (больше 1 ватта) в 2 раза выше, но ведь и энергии они потребляют больше.

Так что любой подобный световой прибор в итоге выделяет некое количество тепла, которое должно куда-то уйти. К примеру, в световом диоде СМД2835 контакт анода составляет чуть меньше половины компонента, он-то и обеспечивает необходимый отток тепла, и это притом, что он является слаботочным. Получается, что он уже с радиатором. А вот мощные светодиоды требуют к себе большего внимания.

При постоянно повышенной температуре кристалла длина волн излучения смещается, в результате чего снижается яркость и сильно уменьшается срок службы. Выходит, что без радиатора при самостоятельном монтаже схемы с применением мощных светодиодов никак не обойтись.

Существующие виды радиаторов

Радиаторы для светодиодов

Охлаждающие устройства делятся по конструктивным особенностям на 3 основных типа и могут иметь круглую, квадратную или прямоугольную форму, независимо от того, пластинчатый это радиатор, стержневой или ребристый.

Выбирая охладитель или изготавливая его собственноручно, нужно обратить особое внимание на толщину его основания, ведь как раз оно примет на себя основное тепло, которое затем равномерно распределит по другим частям радиатора.

На выбор формы охлаждающего приспособления влияет устройство самого будущего прибора, а именно то, как он будет охлаждаться, будет ли вентиляция принудительной или естественной.

А вот форма значения для охлаждения не имеет. Примером могут послужить светодиодные лампы. Проектировщикам приходится, наверное, изрядно потрудиться, придумывая вариант, при котором теплоотвод не будет выходить за размеры и форму самой лампочки, не испортит внешнего вида и при этом эффективно выполнит свою работу. Иногда в таких случаях охлаждающее устройство крепится специальным теплопроводящим клеем непосредственно к печатной плате.

Исходный материал

Для изготовления теплоотвода в наши дни чаще всего используется алюминий. Все дело в том, что этот материал очень удобен для подобных целей, и при этом достаточно дешев. Но если имеют значение габариты изделия, тогда лучше меди вряд ли удастся что-то найти, т. к. она обладает большей проводимостью тепла, а значит и теплоотвод по размеру получится в 2 раза меньше.

Но ведь не только эти два материала подходят для изготовления охлаждающего устройства? Имеет смысл понять, из какого еще сырья можно сделать теплоотвод и в чем их различия.

Алюминий

По уровню теплопроводности средний показатель колеблется в диапазоне от 200 до 240 Вт/м*К, что превышает тот же параметр латуни и железа почти в 3 раза. В основном он зависит от наличия и количества примесей в алюминии. Конечно, это удобный в обработке металл, потому и столь распространен, но все же при условии, что корпус устройства мал, а охлаждение требуется приличное, алюминиевый радиатор уступает меди.

Медь

Показатель данного металла в 2 раза превышает теплопроводность алюминия, уступая пальму первенства лишь такому благородному металлу, как серебро, и составляет 400 Вт/м*К. Но при том, что медь так хорошо охлаждает, такие радиаторы встречаются довольно редко. Все дело в том, что она довольно дорога, если сравнивать с алюминием, да к тому же сложна в механической обработке и имеет большую массу.

Получается, если в лампу на светодиодах устанавливать медные охладители, то возрастет его цена, а это неприемлемо, т. к. в итоге фирма в условиях жесткого рынка станет неконкурентоспособна.

Керамика

Параметр теплопроводности близок к параметрам алюминия и составляет 175–235 Вт/м*К. Удобна керамика тем, что сама является диэлектриком, что немаловажно в электронных и электрических схемах.

И все же при подобной теплопроводности она проигрывает другому, очень удобному в обращении материалу.

Термопластик

Конечно, параметры теплопроводности термопластика немного ниже, чем у алюминия (от 5 до 40 Вт/м*К), но у него есть некоторые преимущества. Помимо диэлектрических свойств он еще очень легок и имеет низкую стоимость. Только вот при проектировке ламп на светодиодах мощнее 10 ватт он явно проигрывает алюминию и меди.

Охлаждение светодиодов большой мощности

Конечно, светодиоды, имеющие мощность выше 10 Вт и ниже 50 Вт, нет смысла обеспечивать принудительной вентиляцией – с их охлаждением могут вполне справиться радиаторы из меди или алюминия. А вот при большей мощности это становится проблематичным. Конечно, нет ничего невозможного, но имеет ли смысл оставлять естественное охлаждение при высокой мощности прибора, если вес только охлаждающего устройства будет 400 грамм и более?

В таком случае придется поразмышлять, как скомпоновать радиатор с небольшим кулером. Конечно, это создаст некоторые затруднения в плане оборудования отсечения питания в случае выхода из строя вентилятора, а также и его питания, но зато поможет снизить вес светодиодного светильника.

На это можно сказать, что как бы ни было хорошо устройство охлаждения, оно не обеспечит идеального теплового сопротивления. Вот как раз для его снижения и применяется специальная термопаста. Практическим опытом обосновано, что она достаточно эффективна, а потому и применяется повсеместно и в компьютерной технике, и в бытовой электронике. Если она хорошего качества, то у нее будет низкая вязкость и хорошая устойчивость к затвердеванию при повышении температуры.

Площадь элемента охлаждения

Рассчитать площадь охлаждающего элемента для светодиодной лампы можно двумя способами – проектным и поверочным.

Суть проектного состоит в том, чтобы определить геометрические размеры охлаждаемого прибора, а поверочный способ – действие от обратной точки, т. е. зная возможности радиатора по его размерам, нужно высчитать, на какой объем теплообмена он будет способен.

Конечно, решать, какой из вариантов наиболее приемлем, нужно отдельно в каждом конкретном случае, исходя из имеющихся данных, но при любом выборе необходимо понимать, что требуется решение точной математической задачи с формулами и множеством неизвестных. К тому же, кроме справочной литературы понадобятся данные графиков с подставлением к ним необходимых формул, а также учет не только размера и направленности решетки, которую имеет теплоотвод, но и внешних влияний.

А еще имеет смысл учесть страну-производителя светодиодов, т. к. китайцы часто «радуют» несоответствием заявленных характеристик реальным.

Формула расчета радиатора

Это естественно, что многим не хочется из-за пары приборов вникать в столь сложные дебри формул и таблиц, которых нужно пересмотреть огромное множество. Но как сделать расчет? Существует более упрощенный вариант вычислений. Конечно, он немного поверхностен и не учитывает некоторых факторов, но все же рассчитать размеры теплоотводящего элемента, хоть и примерно, поможет.

Если принять то, что S в данной формуле является площадью охлаждающего элемента (в кв. см), то выглядеть она будет следующим образом: Rθsa = 50/√S.

Необходимо подставить в нее площадь радиатора, не забывая учесть и ребра, и боковые грани, и можно получить данные элемента охлаждения по его теплопроводному сопротивлению.

Т. к. это наилегчайший способ вычисления, и он не учитывает множество нюансов, то получившиеся данные можно смело умножить на погрешность, т. е. на 0.7.

Источник: https://LampaGid.ru/vidy/svetodiody/radiator

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения: виды радиаторов

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.

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.

Источник: https://domodelie.ru/stroitelstvo-i-remont/elektrika-i-osveshchenie/svetodiodnye-lampy-s-radiatorom-okhlazhdeniya-vidy-radiatorov