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.
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.
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 %.
Радиатор ребристого типа в основном применяют при активном способе отвода тепла. Но при определенных геометрических параметрах его используют в пассивном способе.
Когда дистанция между иглами равна 4 мм, устройство предназначается для естественного теплоотвода, а при зазоре 2 мм радиатор укомплектовывают вентилятором.
Материалы для радиаторов
Для долгой и производительной работы светодиода очень важно подобрать качественный материал для радиатора. Его выбирают по определенным требованиям и показателям. Показатель теплопроводности должен находиться в пределах 6-10 Вт. При более низком показателе материал не проведет тепло, которое попадает в воздух. При показателе теплопроводности выше 10 Вт, эффективность работы устройства по техническим показателям не возрастет, а затраты на материал будут лишней тратой денег. Наиболее подходящими материалами при производстве считаются алюминий, керамика, медь. В редких случаях изготавливают прибор из материалов, включающих в состав пластмассы, способствующие рассеиванию тепла.
Светодиодный радиатор чаще всего изготавливают из прессованного алюминия, поскольку он лучше других материалов отводит тепло. Главным изъяном алюминиевого радиатора для светодиодов считают большое количество слоев в изделии, что способствует появлению переходного теплового сопротивления. Что бы преодолеть такое сопротивление, необходимо добавить в изделие материалы, обладающие теплопроводными свойствами и заполняющие воздушные прослойки: клеящие вещества, изоляционные пластины и др.
Преимущество медного радиатора, по сравнению с алюминиевым, в более высокой теплопроводности. Недостаток его в более тяжелом весе изделия и меньшей податливости металла. Метод прессования медного и обработка резанием очень затратные способы изготовления.
Более приемлемым вариантом отвода тепла является подложка из керамики. К ее токоведущим трассам припаивают светодиоды, что позволяет увеличить теплоотвод в два раза по сравнению радиаторами, изготовленными из металла.
Рассеивающая тепло пластмасса по стоимости дешевле алюминиевого изделия. Так как теплопроводность самой пластмассы составляет — 0,2 Вт/м, то достичь приемлемого показателя возможно, только за счет добавления наполнителей. Если алюминиевый радиатор заменить на пластмассовый, такого же размера, то температура в зоне подвода увеличится на 5%.
Проводим расчет площади радиатора
Обратите внимание, для правильного расчета площади радиатора учитывают параметры полезной площади рассеивания, а не поверхностной площади.
При подсчете полезной площади (S) включают сумму площадей ребер и подложки в квадратных метрах. Нужно учесть, что у каждого ребра две отводящие поверхности. В таком случае S теплоотвода прямоугольной формы S — 1 см2 составляет — 2 см2.
В результате проводимых экспериментов была выведена формула расчета требуемой площади теплоотвода:
S = (22 – (M x 1.5)) x W, в которой
S – площадь теплоотвода радиатора; W –мощность подведенная (Вт); M –мощность светодиода. Для пластинчатых радиаторов сделанных из алюминия можно применить следующие примерные данные рассчитанные специалистами из Тайвани:
- 1 Вт: 10 ÷ 15 см2;
- 3 Вт: 30 ÷ 50 см2;
- 10 Вт: приблизительно 1000 см2;
- 60 Вт: 7000 73000 см2.
Поскольку диапазон указанных данных имеет большой разбег и определены они в условиях для климата южной страны, то величины не являются абсолютно точными и подходят для предварительного подсчета.
Более подробную информацию о расчете площади радиатора можно получить, просмотрев видео.
Как сделать радиатор своими руками
Радиатор — важная деталь в работе LED, от его качества зависит долговечность светодиода. Сделать своими руками радиатор из подручных материалов можно следующим способом:
- 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. - 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.
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.
