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
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.

От этого зависит расстояние между пластинами. При условии отсутствия принудительной вентиляции оно не может быть меньше 4 миллиметров. Если же условие не соблюдено, то толку от подобного устройства охлаждения не будет.

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

Алюминиевый радиатор
Алюминиевый радиатор

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.

Медный радиатор
Медный радиатор

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.

Выходит, что человек ставится перед выбором – либо тяжелый и габаритный, но сравнительно дешевый охлаждающий элемент, либо установка компактного радиатора, имеющего малый вес, с кулером, устройством питания и автоматикой отключения.

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.

 

Радиатор с кулером
Радиатор с кулером

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.

Ну а по следующей формуле можно вычислить параметры мощности рассеивания: Pт = (Tj-Ta)/Rθja.

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.

Похожие публикации