Монтаж мощных светодиодов

Эффективные решения для теплоотвода в светодиодной светотехнике

17 Февраля 2011

Известно, что КПД мощных светодиодов на порядок выше, чем у ламп накаливания. В то же самое время, большая часть энергии, потребляемой светодиодами (около 75%), все-таки уходит в рассеиваемое тепло. С ростом светового потока от светодиодных источников растет тепловыделение.

По оценкам некоторых международных и отечественных экспертов, обеспечение эффективного теплоотвода в светодиодной (LED) светотехнике – одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед разработчиками и производителями данной продукции.

Настоящая статья посвящена решению задач теплоотвода в современной светодиодной светотехнике при помощи эффективных теплопроводящих материалов.

Почему важен эффективны отвод тепла в светодиодной светотехнике

В отличие от традиционных ламп накаливания и газоразрядных ламп современные светодиоды чувствительны к высоким температурам:

• во-первых, при перегреве светодиода уменьшается его эффективность, падает световой поток, изменяется цветовая температура, а срок службы может сокращаться в разы;
• во-вторых, при температуре 80°С интенсивность свечения падает примерно на 15% в сравнении с интенсивностью при комнатной температуре. Как результат, светильник с двадцатью светодиодами при температуре 80°С может иметь световой поток, эквивалентный потоку от семнадцати светодиодов при комнатной температуре. При температуре перехода в 150°С, интенсивность света светодиодов может упасть на 40%!
• в-третьих, у светодиодов присутствует отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения, т.е. при повышении температуры происходит уменьшение прямого напряжения светодиодов. Обычно этот коэффициент составляет от -3 до -6 мВ/K, поэтому прямое напряжение типичного светодиода может составлять 3,3В при +25°C и не более 3В при +75°C. Если источник питания не позволяет снижать ток на светодиодах, то это может привести к ещё большему перегреву и выходу светодиодов из строя. Кроме того, многие источники питания для светодиодных светильников рассчитаны на температуру эксплуатации до +70°С.

Таким образом, для эффективной работы многих светодиодных устройств важно обеспечить температуру не более 80°С как в области p-n-перехода светодиодов, так и в области источника питания. Несоблюдение рекомендуемого температурного режима может приводить к потере количества и качества света, увеличению стоимости света от светодиодного устройства, а также сокращению жизни прибора.

Реализация теплоотвода в светодиодной светотехнике

Наиболее распространённым способом отведения избыточного количества тепла от мощных светодиодов и микросхем является его передача на печатную плату (в том числе и платы с металлическим основанием — MC PCB, AL PCB, IM PCB), подложку или другие конструктивные элементы электронного устройства.

Также применяется установка радиатора на перегревающийся компонент (или перегревающегося компонента на радиатор), что увеличивает площадь лучистого и конвекционного обмена. Затем тепло передается в окружающую среду преимущественно при помощи конвекции.

Это относительно недорогие и эффективные методы, однако в каждом случае эффективность теплоотвода будет зависеть от эффективности передачи тепла в области контакта двух поверхностей.

Дело в том, что поверхности источника тепла и теплоприемника имеют шероховатости и неровности. При контакте плоскостей в большинстве случаев возникают зазоры (микрополости), в которых содержится воздух (рис. 1). Как результат – контакт между плоскостями происходит точечно, что существенно увеличивает тепловое сопротивление перехода.

Рис. 1 Схематичное изображение контакта двух поверхностей

Таким образом, в связи с наличием воздуха между контактирующими поверхностями возникает высокое сопротивление тепловому потоку, и эффективность отвода тепла существенно падает.

Чтобы избежать этого негативного эффекта от присутствия воздуха используют теплопроводящий материал, который заполняет зазоры. Тип материала выбирают, исходя из рассеиваемой мощности, конструктивных особенностей изделия и уровня теплопередачи.

Уровни теплопередачи в типовом светодиодном устройстве

Рассмотрим несколько уровней передачи тепла в типичном LED светильнике (рис. 2).

Рис. 2 Уровни теплопередачи в светодиодном устройстве

Уровень 1: передача тепла от светодиода на печатную плату или основание. Этот уровень характеризуется очень малой площадью теплового потока и относительно большим количеством передаваемого тепла.

Таким образом, для обеспечения эффективной теплопередачи нужен материал, который обеспечит минимальное тепловое сопротивление в области контакта поверхностей. Часто для обеспечения теплопередачи на первом уровне теплоотводящее основание светодиодов припаивают к плате.

Пайка – хороший вариант для теплопередачи, так как коэффициент теплопроводности типичного припоя – 85 Вт/м*К, но использование данного способа в ряде случаев ограничено из-за технологических соображений.

Альтернативой пайке может служить применение теплопроводящих клеев или паст с высокой теплопроводностью (до 7 Вт/м*К для материалов Dow Corning).

Уровень 2: передача тепла от платы (модуля) со светодиодами на радиатор или другую рассеивающую тепло поверхность. Этот уровень характеризуется большой площадью передачи и менее мощным удельным тепловым потоком, в сравнении с рассмотренным ранее первым уровнем.

Для обеспечения теплопередачи на втором уровне можно использовать материалы с относительно невысокой теплопроводностью (в пределах 2 Вт/м*К).

В качестве теплопроводящего материала (в зависимости от конструкции изделия) могут использоваться силиконовые теплопроводящие пасты, клеи, подложки или компаунды.

Когда светодиоды устанавливаются непосредственно на радиатор, первый и второй уровни теплопередачи совпадают. В этом случае в качестве теплопроводящего материала можно использовать теплопроводящие пасты или клеи с высокой теплопроводностью.

Применение теплопроводящих паст

Важно учитывать, что для использования в современных светодиодных устройствах теплопроводящие пасты должны иметь широкий диапазон рабочих температур. Для уличного светильника такой диапазон может составлять от -50°С до +100°Си выше.

Опыт показывает, что широко распространенные и популярные на отечественных производствах традиционные теплопроводящие пасты в ряде случаев не отвечают таким жестким требованиям.

Поэтому через относительно короткий период времени паста может высохнуть, потерять свои полезные свойства и, как следствие, теплопередача будет нарушена.

Теплопроводность 0,8 Вт/м*К дает возможность использовать её во многих светодиодных конструкциях, а диапазон рабочих температур от -45°С до +200°С обеспечивает эффективную и надежную теплопередачу практически при любых возможных температурах эксплуатации светильника.

Для более эффективного отвода тепла от теплонагруженных компонентов (задачи первого уровня теплопередачи), можно использовать пасты Dow Corning с более высоким коэффициентом теплопроводности вплоть до 7 Вт/м*К (Dow Corning TC-5600).

Применение теплопроводящих клеев

Избавиться от дополнительных элементов крепления можно, используя силиконовые теплопроводящие клеи. В дополнение к теплоотводу они обеспечивают ещё и механическую фиксацию, что дает возможность упростить процесс сборки светильника.

Силиконовые теплопроводящие клеи прекрасно работают в широком диапазоне температур и обладают высокой теплопроводностью, что обуславливает их широкое применения в современной светодиодной технике.

В качестве примера можно привести несколько силиконовых теплопроводящих клеев Dow Corning и рассмотреть их особенности (таблица 1).

Рис. 3 Применение теплопроводящих клеевТаблица 1 Сравнительные характеристики теплопроводящих клеев** Dow Corning

Применение теплопроводящих силиконовых компаундов

Часто светодиодная техника оказывается подвержена неблагоприятным воздействиям окружающей среды: влажность, соляной туман, кислотные осадки, загрязнение пылью и т.п. Это информационные LED экраны, светильники уличного освещения, светильники взрыво-безопасного исполнения, светофоры и т.п.

Рис. 4 Варианты защиты светодиодного светильника

Есть несколько способов защиты LED устройств от воздействия внешней среды. Традиционно используют стекло, которым закрывают устройство. Однако тепловой режим устройства и его оптические характеристики при таком способе защиты не становятся лучше.

Очевидно, что современный светильник требует более современных решений для защиты устройства.

Многие производители для защиты устройства всё чаще используют теплопроводящие заливочные компаунды (рис. 5, 6). В этом случае плата или светильник заливается с внешней стороны до уровня оптических элементов (светодиодов). Таким образом, при помощи одного материала обеспечивается отвод тепла от светодиодов, защита светодиодного устройства от негативного воздействия внешней среды и дополнительная механическая прочность светильника.

Такое решение может повысить эффективность сборки, надежность и конкурентоспособность светодиодного устройства.

Хорошим решением для заливки светодиодного устройства могут быть силиконовые компаунды Sylgard 160 и Sylgard 170. Материалы характеризуются теплопроводностью до 0,6 Вт/м*К и возможностью полимеризации при любой глубине заливки.

Основные различия озвученных материалов в том, что Sylgard 170 более текучий (2000сП против 6000сП у Sylgard 160). Это определяет выбор компаунда для решения конкретной задачи.

Рис. 5 Пример заливки светодиодной панели и светильника теплопроводящими компаундами Dow Corning

Кроме того, таким же образом можно поступить при защите источника питания (драйвера) от негативных внешних воздействий. Принцип тот же: компаунд заполняет объём, в котором ранее был воздух, при этом улучшается тепловой баланс всего блока. Такое решение является общепринятой мировой практикой.

В некоторых конструкциях светильников драйвер оказывается заключенным в корпусе светильника. Из-за ограниченного теплообмена драйвер может перегреться и переключиться в режим «защита от перегрева».

Для примера можно рассмотреть тепловую модель светодиодного светильника, где красная зона в центре показывает перегретый драйвер (рис. 6). В ряде случаев воздух, окружающий источник питания, может выступать в роли теплоизолятора и ограничивать теплопередачу на корпус светильника.

Выходом из такой ситуации может быть заполнение пространства вокруг источника питания материалом с высокой теплопроводностью, например, теплопроводящим силиконовым компаундом.

Рис. 6 Тепловая модель светильника

Для повышения технологичности сборки и упрощения конструкции светодиодного светильника полезным решением могут быть теплопроводящие подложки. Этот класс материалов представляет собой заранее отвержденный силиконовый гель со специальными свойствами. Теплопроводность до 3,5 Вт/м*К и толщина от 0,25 до 5,0 мм позволяют решать широкий спектр задач по отводу тепла с поверхности печатных узлов (данные приведены для материалов Dow Corning, таблица 2).

Таблица 2 Линейка теплопроводящих подложек Dow Corning

С точки зрения конструкции изделия в дополнение к функции передачи тепла подложки могут выполнять еще и функцию заполнения воздушных зазоров до 4 мм и более (можно складывать подложки в несколько слоев). Эта возможность полезна как при производстве светодиодных устройств, так и при производстве источников питания. Дополнительно, благодаря высоким диэлектрическим свойствам и хорошей сжимаемости, одна подложка может обеспечить отвод тепла с любой площади печатного узла и от компонентов различных размеров и форм (рис. 7).

Рис. 7 Применение теплопроводящих подложек в светодиодной технике

С технологической точки зрения применение теплопроводящих подложек упрощает и сокращает процесс сборки светодиодной техники. Подложки не требуют процессов полимеризации, что исключает необходимость применения специального оборудования для отверждения, сокращает затраты времени на сборку, уменьшает потребление электроэнергии и человеческих ресурсов.

Применение теплопроводящих подложек способно повысить конкурентоспособность светодиодной техники как за счет обеспечения высокого качества продукции, так и за счет оптимизации себестоимости.

Заключение

Еще раз подчеркнем, что по оценкам экспертов, обеспечение эффективного теплоотвода в светодиодной светотехнике – одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед разработчиками и производителями данной продукции.

Вполне вероятно, что успешными производителями светодиодной светотехники завтрашнего дня будут именно те, кто раньше найдет и применит современные решения по обеспечению теплового режима работы устройств.

Применение современных теплопроводящих материалов является как раз одним из тех решений, которые помогут повысить конкурентоспособность светодиодной техники за счет обеспечения высокого качества продукции и оптимизации себестоимости. Специалисты Остека готовы помочь вам в поиске таких решений и применении их на практике!

Автор, должность: Вячеслав Ковенский, начальник отдела; Александр Савельев, ведущий инженер Отдел: Направление технологических материалов Email: materials@ostec-group.ru Издание: Информационный бюллетень «Поверхностный монтаж», февраль 2011, №1

Источник: https://ostec-materials.ru/tech_lib/publications_otm/sborka-elektronnykh-moduley/effektivnye-resheniya-dlya-teplootvoda-v-svetodiodnoy-svetotekhnike.php

Cветодиодное освещение своими руками: монтаж и расчет

Природные виды топлива, пригодные для массового производства энергии, постепенно истощаются. Альтернативная энергетика развивается недостаточно быстро и не успевает восполнить потребителям недостаток электроэнергии, что неизбежно приводит к постоянному росту ее стоимости. В таких условиях необходима альтернатива дорогостоящему и малоэффективному освещению лампами накаливания.

Частично проблему решили так называемые энергосберегающие лампы, достаточно быстро завоевавшие популярность. Однако их высокая цена и недостаточная долговечность не позволили им стать «палочкой-выручалочкой» для всех и войти в каждый дом.

Не так давно у них появилась достойная и значительно более эффективная замена — светодиоды. Удобство использования, простота монтажа, энергоэффективность, экологичность, невысокая стоимость — все это позволяет использовать светильники светодиодные для внутреннего освещения в каждом доме.

Особенности светодиодов

Изначально светодиоды не обладали необходимыми параметрами и использовались лишь в подсветке различных приборов или в маломощных системах аварийного освещения. Однако с развитием технологии они нарастили свои возможности и теперь массово используются и в бытовых, и в промышленных помещениях. Вариантов использования множество: от декоративных разноцветных подсветок, до основного освещения больших помещений.

Особенности монтажа светодиодных светильников значительно отличают их от классических ламп накаливания. Возможно, именно поэтому темпы их распространения не так стремительны, как можно было бы ожидать.

Однако нет ничего сверхсложного в том, чтобы сделать светодиодное освещение своими руками. Необходимо лишь обладать знанием определенных правил работы с такими источниками света. С этой целью стоит рассмотреть их плюсы и минусы, правила расчета, выбора и установки.

Преимущества и недостатки

Основными положительными качествами, которыми обладает светодиодный светильник, являются такие:

1. Самая высокая энергоэффективность из всех доступных на рынке источников свет;
2. Экологичность, полное отсутствие выделения вредных веществ в процессе эксплуатации и при утилизации отработавших элементов;
3. Чрезвычайно длительный срок эксплуатации, абсолютно несравнимый с лампами накаливания или люминесцентными — 10 лет и более.

Важно! Большое время службы светодиодов напрямую зависит от их качества. То есть — самые дешевые китайские подделки могут проработать 1-2 месяца, а более дорогие высококачественные могут и через 15 лет не сгореть.

1. Светодиодная лампа допускает очень плавную регулировку уровня яркости, а также возможность менять цвет освещения (!);
2. Светодиод в своей конструкции не содержит бьющиеся элементы, не боится ударов и действия постоянной вибрации;
3. Знакомые всем скачки напряжения в домашней электросети приводят к «миганию» стандартных осветительных приборов — светодиоды лишены этого минуса, поскольку их светимость связана не с напряжением электротока, а с его силой;
4. В спектре излучения светодиодов отсутствует инфракрасное и ультрафиолетовое — краска обоев, стен, тканей не будет выгорать, как под лучами ламп накаливания.

Как всегда бывает с техническими приспособлениями, не обошлось и без ложки дегтя. Однако на сегодняшний день она обнаружена одна: достаточно высокая стоимость на качественные диоды. Но если учесть их срок службы, то, вероятно, стоит говорить о дороговизне именно ламп накаливания и люминесцентных, а не светодиодных.

Область применения

Есть два основных способа, которыми можно организовать подключение светодиодов для освещения:

• использование светодиодной ленты для распределенного освещения помещения: с ее помощью может быть создана декоративная подсветка отдельных участков — хорошо подходит для «скрытого» освещения, когда сам источник света не виден;
• использование готового светодиодного светильника в качестве источника света — более дорогой вариант, пригоден для «точечного» освещения.

Важно! Освещение с помощью готовых светодиодных светильников имеет более традиционный и привычный вид, особенно, если он выполнен в корпусе настенных бра либо как люстра для потолка. Точечный потолочный светильник ничем не отличается визуально от своих обычных собратьев, и работать с ним нужно так же.

Поскольку работа со светодиодными светильниками практически не отличается от аналогичной процедуры с обычными традиционными, то отдельного рассмотрения они не требуют. Разве что стоит знать, как правильно рассчитать мощность для достаточного освещения помещений. Но так как расчет мощности аналогичен такому же для светодиодной ленты, то именно ее и следует использовать.

Светодиодная лента позволяет создавать самые «изощренные» схемы освещения помещения, подсветки различных отдельных зон (например, сделать подсветку кухонного фартука или контуров шкафов), сделать скрытое освещение под потолком или подсветку стен по всему периметру комнаты. Ограничиваются возможности только фантазией дизайнера.

Скрытое освещение под потолком по периметру комнаты визуально увеличивает ее размер, что актуально для небольших городских квартир.

Распространенным способом использования светодиодной ленты является подсветка в шкафах, антресолях и прочих закрытых элементах интерьера. В комплекте с автоматически срабатывающим выключателем это добавляет им большую функциональность (особенно актуально для кухонных шкафчиков и больших шкафов-купе).

Расчет количества диодов

Для простого подсчета необходимой мощности светодиодов можно воспользоваться сравнением с привычными лампами накаливания, для этого нужно знать показатели светового потока, испускаемого этими источниками света:

• каждая лампа накаливания производит примерно 13 лм/Вт (люмен на ватт) светового потока;
• различные светодиоды могут выдавать различный уровень в пределах 75-90 лм/Вт (в среднем, 80 лм/Вт)

Зная эти данные, довольно просто подсчитать количество светодиодов, которые могут заменить лампу накаливания. Например, вместо 100-ваттной лампочки, которая испускает 13х100=1300 люмен, понадобится 16,25 Вт (17 — округляем в большую сторону) светодиодов. Таким образом, можно использовать 18 светодиодов по 1 ватту, или 9 штук по 2 Вт, или 2 мощных по 9 Вт. А можно воспользоваться одним мощным точечным светодиодным светильником на 20 ватт.

Важно! При приобретении светодиодов следует обратить внимание на показатель их светового потока. В среднем, он равен 75-90 лм/Вт, но некоторые экземпляры обладают значительно лучшими характеристиками. Так, например, светодиод Luminus CSM-360 имеет показатель в 115 лм/Вт, а модель Cree XLamp XHP70 — 150 люмен на ватт.

Для организации стандартного точечного освещения более рациональным является использование мощных светодиодов или светодиодных светильников. Если же планируется равномерно подсветить потолок или стены по всей площади, то оптимально взять много маломощных источников света (например, ленту со светодиодами).

Выбор источника питания

Необходимо также решить вопрос, как подключить светодиодное освещение к электросети, ведь напряжение светодиодов не 220, а 12 либо 24 вольт (встречаются ленты с напряжением питания 36 и 48 вольт, но это встречается редко).

Длина светодиодной ленты всегда стандартная и составляет 5 м, но может содержать разное количество диодов с разной мощностью. Для расчета следует исходить из суммарной мощности запитываемой ленты.

В общем случае следует произвести следующие шаги для подсчета нужной мощности блока питания для подключения светодиодной ленты:

1. Показатель мощности производитель обычно указывает в расчете на один метр (например, 6 Вт/м), а значит, для получения общей мощности нужно эту цифру умножить на длину — в примере это будет 6х5=30 Вт.;
2. Для блоков питания используется такой показатель как запас мощности. Если освещение планируется включать время от времени (например, подсветка в шкафчиках), то он принимается равным 1,3. Если же оборудуется постоянное основное освещение, которое будет работать длительное время без выключения, то запас мощности принимается равным 1,5. Мощность блока питания получается путем умножения потребляемой светодиодами на показатель запаса — в примере это будет 30х1,5=45 Вт (если планируется постоянное освещение) или 30х1,3=39 Вт (для периодического включения);
3. Рабочее напряжение диодов указывается на ленте, и блок питания следует подбирать такого же напряжения. Современный рынок предлагает огромное количество блоков питания, из которых легко подобрать с необходимыми параметрами — в примере это блок питания на 12 В и 45 Вт (либо 12 В и 39 Вт для периодического включения).

Важно! Не всегда получается подобрать блок питания именно расчетной мощности. В таком случае следует приобретать блок с большей мощностью: в примере это могут быть блоки на 50 и 40 Вт соответственно.

Как видно из описанного, расчеты несложны, и их легко произвести на ходу прямо в строительном магазине, если знать нужные параметры освещения. При покупке стоит также обратить внимание на вариант исполнения корпуса — они бывают герметичными и нет. Для работы в помещениях с повышенной влажностью стоит приобретать влагозащищенные, а для обычных помещений — нет (из-за разницы в цене).

Монтирование ленты и подключение к сети

Перед началом работ по размещению ленты на предназначенное ей место следует запомнить несколько общих обязательных правил:

• длина подключаемой ленты — не больше 5 метров, а при необходимости большего количества светодиодов нужно отдельные куски соединить параллельно;
• лента к месту размещения приклеивается (одна ее сторона покрыта клеевым составом), поэтому поверхность перед наклейкой нужно протереть от пыли и жира;
• если планируется размещение на металл, то его нужно изолировать диэлектриком;
• следует избегать контакта полосы с работающими электроприборами — диоды чувствительны к статическим разрядам;
• диодная полоса гибкая, но нельзя переусердствовать, слишком сильно перегибая ее, — могут нарушиться контакты на ней;
• ленту можно резать на части, но производить это можно только в специально отмеченных на ней местах (чаще всего — через каждые 2-3 диода);
• перед началом работ нужно убедиться, что светодиоды горят — просто подключить их к блоку питания и контроллеру цвета (если он есть в комплекте).

Установка светодиодной ленты на предназначенное ей место, например, на потолок, достаточно проста, но все же требует определенной последовательности действий:

1. При необходимости нужно скрепить ленты при помощи специальных соединителей (коннекторов) или аккуратно спаять (не рекомендуется, но допускается). Если используется не многоцветная лента, то следует сразу переходить к пункту 4;
2. Если к установке планируется многоцветная лента (RGB-светодиодная), то в первую очередь подключается контроллер цвета, для чего контактные дорожки ленты соединяются с соответствующими цветовыми портами контроллера: R — красный, G — зеленый, B — синий и V+ — плюс питания;
3. Если лента цветная, то теперь подключается контроллер цвета к блоку питания;
4. Подключение к блоку питания — для обычной ленты просто подключить ее с соблюдением полярности;
5. Последний шаг — включение блока питания в сеть 220 В.

На этом установка светодиодного освещения закончена, и осталось только щелкнуть выключателем и проверить результат. Если все было выполнено правильно, то ваше помещение имеет самый современный и экономичный вариант освещения. А если владелец задействовал фантазию и изобретательность, то он может наслаждаться полностью эксклюзивным светодизайном, которым украсил свой дом.

Источник: https://SuperProvodka.ru/blog/svetodiodnoe-osveshheniya.html

Теплоотводящие печатные платы для монтажа мощных светодиодов

Заказать этот номер

2012№1

За счет постоянного расширения области применения мощных светодиодов, особенно в области светотехники, проблема теплоотвода становится все более актуальной. В статье представлен обзор возможностей для теплоотвода, материалов и правил дизайна, а также приведены конкретные примеры.

Наряду с возможностями теплоотвода с помощью радиаторов, которые, как правило, устанавливаются конечным потребителем вручную после монтажа печатной платы, существует множество методов, предлагаемых производителем печатных плат:

• Теплопроводящая паста:
  • однокомпонентная паста;
  • нанесение методом трафаретной печати;
  • толщина: 100–500 мкм;
  • применение в комбинации с теплоотводящими сквозными отверстиями (thermal vias);
  • теплопроводность: примерно 2 Вт/м·K;
  • преимущество: не требует больших затрат;
  • недостаток: занимает площадь печатной платы.
• Печатные платы с толстым слоем меди:
  • толщина медного слоя: от 105 мкм;
  • применение преимущественно в силовой электронике с высокими токами;
  • теплопроводность меди: 400 Вт/м·K;
  • преимущество: отличная теплопроводность;
  • недостаток: ограничение по минимальной толщине проводников.
• Печатные платы IMS (изолированные металлические подложки).

Изолированные металлические подложки (IMS)

Два термина всегда используются в связи с теплоотводом и печатными платами: теплопроводность и тепловое сопротивление.

Теплопроводность описывает способность материала транспортировать тепло (энергию) и зависит от плотности материала, переносящего энергию. В таблице 1 представлены значения теплопроводности для материалов, которые обычно используются при изготовлении печатных плат.

Таблица 1. Теплопроводность материалов печатных плат

Материал — переносчик энергии	Теплопроводность, Вт/м•K
FR4	~0,2
Воздух	~0,02
Алюминий	~220
Медь	~400
Спец. препреги	≥1

Материалы с теплопроводностью ниже 0,8 Вт/м·K считаются термоизоляторами. Так как печатная плата состоит из различных материалов, невозможно указать конкретное значение ее теплопроводности.

Для описания качества теплопроводности часто используется значение теплового сопротивления Rth (1). Это значение может быть определено на основе толщины слоя материала d, контактной площади A и теплопроводности λ:

Таким образом может быть рассчитано тепловое сопротивление каждого материала печатной платы. Общее сопротивление печатной платы IMS — это сумма отдельных сопротивлений:

Из этого следует, что чем тоньше слой материала и чем лучше теплопроводность, тем, соответственно, ниже тепловое сопротивление.

Отвод тепла с помощью металлического основания платы

В печатных платах этого типа вместо обычного базового материала используется металлическое основание или сердцевина из алюминия или меди. На это основание с помощью препрега закрепляется медная фольга. Металлическое основание является, таким образом, неотъемлемой частью печатной платы (рис. 1).

Рис. 1. Печатная плата IMS: a) конструкция односторонней платы; б) шлиф

При этом возможны следующие варианты таких плат:

• односторонняя плата с глухими отверстиями;
• двусторонняя плата с глухими и сквозными отверстиями;
• многослойная плата;
• жестко-гибкая плата.

Общие правила проектирования приведены в таблице 2 и на рис. 2.

Рис. 2. Схема конструкции: а) односторонняя плата с металлическим основанием; б) двусторонняя плата с металлической сердцевиной

Таблица 2. Параметры для проектирования печатных плат с металлической сердцевиной

Толщина металлической сердцевины	dKern = 0,5–2 мм
Толщина медной фольги	dCu = 35–105 мкм
Толщина препрега	dIsolation ~ 0,06–0,15 мм*
Минимальный диаметр металлизированного отверстия печатной платы	ddk ≥ 0,3 мм**
Минимальный диаметр неметаллизированного отверстия печатной платы	dndk ≥ 1 мм**
Минимальный диаметр отверстия в металлическом основании	dmin ≥ 1 мм**
Расстояние между двумя металлизированными отверстиями	a ≥ 1,2 мм**
Минимальная фреза	df ≥ 1,6 мм**
Цвет паяльной маски	Зеленый, белый, черный
Финишные покрытия	HAL, HAL бессвинцовый, OSP, химический Ni/Au, химическое Sn***

Примечания. * Толщина препрега зависит от размера отверстий (в двусторонних печатных платах IMS), которые должны быть заполнены. ** Зависит от толщины металлического основания.

*** Покрытие «химическое олово» принципиально не рекомендуется.

Примеры печатных плат с металлическим основанием различных конструкций

Надежность сквозного соединения может быть дополнительно повышена за счет его заполнения после сверления специальной пастой, а не избытком смолы препрега (рис. 3, 4).

Рис. 3. Односторонняя плата с металлическим основанием: а) жесткая печатная плата (топология CREE); б) специализированное применение; в) конечный продукт

Рис. 4. Двусторонняя плата с основанием из алюминия: a) фрагмент; б) шлиф; в) шлиф сквозного отверстия

Отвод тепла через металлическую подложку

При отводе тепла через металлическую подложку печатные платы изготавливаются как обычно, после чего они крепятся к подложке с помощью препрегов. Металлическая подложка является, таким образом, неотъемлемой частью печатной платы (рис. 5).

Рис. 5. Плата с металлической подложкой: a) конструкция; б) шлиф

Правила проектирования приведены в таблице 3 и на рис. 6.

Рис. 6. Схема конструкции платы с металлической подложкой

Таблица 3. Параметры для проектирования печатных плат с металлической подложкой

Толщина металлической подложки	dTräger = 0,5–2 мм
Толщина медной фольги	dCu = 35–105 мкм
Толщина препрега	dIsolation ~ 0,06–0,15 мм
Толщина печатной платы	dFR4 как можно тоньше (0,1–0,3 мм)
Минимальный диаметр отверстия в металлической подложке	dmin ≥ 1 мм*
Минимальная фреза	df ≥ 1,6 мм*
Цвет паяльной маски	Без ограничения
Финишные покрытия	Без ограничения

Примечание. * В зависимости от толщины металлической подложки.

При этом возможны следующие варианты конструкций таких плат:

• односторонняя плата с глухими отверстиями (нецелесообразно);
• двусторонняя плата с глухими и сквозными отверстиями;
• многослойная плата;
• жестко-гибкая плата;
• различные контуры печатных плат/подложек (рис. 7).

Для улучшения теплоотвода вместо FR4 может быть использован другой базовый материал с более высокой теплопроводностью. При использовании различных контуров печатной платы и металлической подложки последняя должна превышать размеры печатной платы как минимум с двух сторон для осуществления точного монтажа платы (рис. 8).

Рис. 7. Фрагмент печатной платы с металлической подложкой с различными контурами

Рис. 8. Расположение печатной платы: a) правильно; б) неправильно

Области применения печатных плат IMS:

• Высокомощные светодиоды.
• Силовая электроника.
• Распределительные устройства.

Рекомендации по теплопроводности и тепловому сопротивлению

Чем меньше эпоксидной смолы, тем лучше тепловое сопротивление. Для уменьшения сопротивления и улучшения теплопроводности используются смолы со специальными наполнителями. Однако это идет в ущерб адгезии: чем меньше эпоксидной смолы, тем хуже сцепление. Особенно важно учитывать это в процессах бессвинцовой пайки. В этом случае необходим разумный компромисс.

Рекомендации по толщине медной фольги

В печатных платах с металлической сердцевиной следует использовать медную фольгу не тоньше 70 мкм. Таким образом улучшается горизонтальный транспорт тепла, что приводит к лучшему охлаждению электронного компонента через печатную плату.

Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen. 2010. № 9. Германия).

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Источник: https://led-e.ru/articles/led-cooling/2012_1_32.php

Как самостоятельно сделать светодиодный светильник: описание процесса изготовления устройства своими руками

Светодиод являет собой полупроводниковое устройство, которое позволяет преобразовывать электрический ток в световое излучение. Конструктивно это полупроводниковый кристалл (чип), который собственно и излучает свет, подложка, корпус с контактными выводами и оптическая система.

Как вы уже знаете, они бывают разных цветов, это зависит от материала изготовления и разных добавок. В корпус, как правило, устанавливается один кристалл (чип), но если есть необходимость, производитель может установить несколько кристаллов.

Особенности видов светодиодных светильников

Применение у них крайне широкое, разделить их можно на 2 группы:

Индикаторные (светодиодные) — используются как индикаторы, из-за того, что они неяркие и маломощные. На вашем маршрутизаторе горят зелёные лампочки — это индикаторные светодиоды, на телевизоре горит лампочка в углу — тоже он.

Собственно много где применяются светодиоды. В различных электронных приборах, подсветке панели автомобилей, подсветка компьютерных дисплеев, жк-телевизоров и бесчисленном количестве других устройств.

Цвета могут быть разные: красный, жёлтый, зелёный, голубой, фиолетовый, белый, даже ультрафиолетовый. Запомните что цвет светодиода определяется не цветом пластика, из которого сделан корпус, а из типа полупроводникового материала, из которого он сделан. Но большинство светодиодов выполнено из бесцветного пластика, и цвет можно узнать, только включив его.

Осветительные конструкции — используются, как вы уже поняли, для освещения. В отличие от индикаторных отличаются своей яркостью и мощностью, со стремительно снижающейся ценой их применяют в бытовом и промышленном освещении, настольных лампах, светодиодных светильниках, освещении офисов и рабочих площадей, везде где только можно.

Так как это дешёвый, производительный и экологический вид освещения. Уровень развития технологий позволяет производить их с очень большим уровнем светоотдачи на 1 Вт. У мощных светодиодов, производимых серийно, это значение достигает 140-й Люмен (единица измерения светового потока в СИ). Это позволяет использовать их в очень широком спектре применения.

Использование светодиода для светильников

Прежде всего это их главный плюс — долговечность. Механически он надёжен и прочен. В теории, его срок работы может достигать до 100 000 часов. Это примерно в 100 раз больше срока работы, чем у ламп накаливания и в 10 раз больше чем у люминесцентных ламп.

Но срок службы светодиода напрямую зависит от него самого, силу подаваемого на него тока, охлаждения чипа (кристалла) непосредственно излучающего сам свет, и соответственно самого качества светодиода.

Фирменные изделия будут дороже, но и прослужат гораздо дольше обычных китайских безымянных светодиодов. Это напрямую сказывается на потребительских свойствах.

Люминесцентны лампы после выхода их из строя следует сдавать в специализированные пункты приёма. А в наших реалиях такие лампы мало кто сдаёт в соответствующие пункты, а попросту выбрасывает на свалку, где они наносят непоправимый вред окружающей среде.

Монтаж светодиодного светильника своими руками

А теперь давайте приступим к созданию нашего светодиодного светильника, который мы сделаем своими руками.

Светодиод (осветительный) — как уже упоминалось выше, состоит из кристалла, подложки, корпуса с контактными выводами и оптической системой (линзой). Для лампы мы используем 8 шт. мощных 1W светодиодов. Это позволит сделать большую площадь освещения.

Драйвер (блок питания) — для преобразования переменного тока 220V в постоянный ток для подачи на схему. Нужно определить основные критерии для выбора драйвера, они заключаются в мощности используемых светодиодов, это 1W, 3W, 5W. Также это заключается в количестве светодиодов, требованию к защите от внешних воздействий.

Обратите внимание, что при отсутствии драйвера можно использовать ограничительные резисторы, но драйвер будет предпочтительнее. Почему спросите вы не сэкономить на драйвере? Достаточно посмотреть на рынок, куча недорогих светодиодных ламп с кучей светодиодов и относительно недорого.

Но как правило, такие лампы живут недолго, 4–5 месяцев, и за это время ещё умудряются потерять чуть ли не половину яркости, все это из-за того, что в этой лампе сэкономили на драйвере, эго просто не поставили. А так как мы настроены на долгую работу нашей лампы, сделанную своими руками, то будем использовать драйвер как необходимый компонент устройства.

Материал для корпуса осветительного прибора

Для изготовления корпуса можно использовать старый светильник. Желательно взять именно металлический корпус, так как светодиоды — это полупроводники, которые пропускают электрический ток, и соответственно греются.

Температура — один из основных показателей долговечности, так что нам важно чтобы было хорошее охлаждение.

У перегревающегося светодиода срок службы уменьшается в несколько раз. Корпус можно взять со старой люминесцентной лампы, или из другого подходящего нам по размеру объекта.

В случае если отсутствует металлический корпус, а есть только пластмассовый, то можно это положение немного исправить, наклеив непосредственно на пластмассовый корпус светильника алюминиевый скотч, который сможет немного отвести тепло.

Сборка конструкции светодиодного светильника

Приступим непосредственно к самой сборке осветительного устройства своими руками.

Светодиоды с заводской подложкой из алюминия крепим на радиатор, которым в этом случае выступает металлический корпус светильника или, если корпус пластмассовый, то алюминиевый скотч, наклеенный на корпус, главное тут-отвод тепла. Спаивать светодиоды в схеме необходимо последовательно.

Так как светодиод у нас с подложкой, то крепить его мы будем на радиатор с помощью термоклея, термоклей позволяет отводить тепло от светодиода, что увеличит срок жизни последнего. Светодиод мы возьмём сверхяркий 1W на подложке.

Приведём его краткие характеристики:

• Напряжение питания 3.2–3.4V (вольт).
• Потребляемый ток 350 ma (миллиампер).
• Длина волны 6500K (кельвинов), холодный свет.
• Световой поток 140 lm (люмен).

Для светильника следует использовать светодиодный драйвер 12W LED.

Характеристики драйвера:

1. Входное напряжение (AC): 100–240V.
2. Выходное напряжение (Output voltage): 18–46V.
3. Выходной ток (Output current):300 ma ± 5%.
4. Температура работы -45 +75 градусов по Цельсию.

Важное значение имеют два параметра — ток и рабочее напряжение светодиода. Рабочее напряжение ещё могут называть «падением напряжения». Этот термин обозначает, что после светодиода, напряжение в сети будет меньше на размер «падения напряжения».

Если по-простому, то если подать питание на светодиод, который имеет падение напряжения 3V, то для следующего элемента в сети это напряжение будет на 3V меньше. У нашего светильника будет 8 светодиодов с напряжением питания 3.2–3.4 вольта. В среднем — 3.3V.

В драйвере для нашего светильника диапазон этого значения 18–46V. Мы как раз в него попадаем, он нам подходит по этому показателю.

Следует помнить, что светодиод не способен контролировать потребление тока. Это также важная причина почему стоит использовать драйвер.

Обратите внимание, что светодиоды располагаются уже на подложке из алюминия, что также будет способствовать отводу тепла.

Осталось только спаять своими руками саму схему. Не забывайте, что слишком долго держать паяльник на контактах светодиода нельзя, чтобы не нанести вред в виде перегрева.

Драйвер также крепим внутри для компактности устройства. Закрыв рассеивательным стеклом корпус, мы получаем прекрасную лампу, излучающую в сумме 1120-й люмен, и потребляющую 8 Ватт.

Со временем при желании можно всё освещение в доме перевести на светодиодное, опять же своими руками, чтобы не переплачивать лишнее. Плюсы этого освещения явные: низкое энергопотребление, экологичность, приятный и чистый свет. Так что смелее беритесь за паяльник и делайте качественную светодиодную лампу своими руками.

Источник: https://elektro.guru/osveschenie/kak-sdelat-svetodiodnyy-svetilnik-svoimi-rukami.html