Радиатор для светодиодной матрицы 50w своими руками. Расчет и изготовление радиатора для светодиодов. Материалы для изготовления
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 .
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.
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.
Алюминиевые радиаторы для светодиодов 1 вт
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.
Медные радиаторы
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.
Лампочка с керамическим радиатором
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.
Лампочка с радиатором из термопластика
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.
Радиаторы игольчатого типа для мощных и смд светодиодов
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.
LED-лампа с ребристым радиатором
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.
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.
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 = 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.
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 1 – самодельный радиатор из алюминия
Вариант 2
Радиатор для светодиода можно изготовить своими руками из куска трубы прямоугольного сечения и алюминиевого профиля.
Необходимые материалы:
- 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 .
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.
Есть примерные данные Тайваньских специалистов для алюминиевых ребристых радиаторов:
- 1Вт 10-15кв/см
- 3Вт 30-50кв/см
- 6Вт 150-250кв/см
- 15Вт 900-1000кв/см
- 24Вт 2000-2200кв/см
- 60Вт 7000-73000кв/см
Эти данные для пассивного охлаждения .
Но эти данные были высчитаны для их климатических условий и все же они примерны т.к. значения не точны, есть разбег в площади.
Для расчета нужно знать следующие параметры:
1. Нужно понимать какой тип радиатора вы собралисьиспользовать:
пластинчатый, штыревой, ребристый
- Пластинчатый
- Штыревой (игольчатый)
- Ребристый
2. Также нужно учитывать материал, из которого состоит радиатор. Чаще всего это медь или алюминий, но в последнее время появились и гибриды.
У гибридов идет встроенная медная пластина, которая соприкасается с рабочим элементом(элементом который требует охлаждения, в данном случае светодиод), далее алюминий.
3. Радиатор рассчитывается не по площади поверхности, а по полезной площади рассеивания.
4. Следующим фактором является, каким способом происходит теплоотвод от рабочего элемента на радиатор, т.е. применена термопаста или термоскотч, или же просто припаян.
5. Полезным будет знать сопротивление кристалл – корпус светодиода
6. Будет ли дополнительное охлаждение радиатора, и какое оно будет:
- С помощью кулера (небольшого вентилятора):
- Водяное охлаждение:
Конечно водяное охлаждение будет более эффективно, нежели просто кулером, но и охлаждение им в зависимости от мощности позволит вам снизить площадь радиатора в 3-5 раз. А с водяным могут возникнуть другие проблемы, как не герметичность системы например.
7. Так же необходимо учитывать и подводимую мощность, т.е. если светодиод будет работать на максимуме своих возможностей, то и в охлаждении он будет нуждаться сильнее, избыточная мощность вовсе будет переходить в тепло, если же в нагрузку снизить, допустим, в половину, то и перегрев будет намного ниже.
Так же следует учитывать место расположения устройства в помещении или на улице оно будет эксплуатироваться.
Так же в интернете есть формула, полученная экспериментальным путем, возможна будет полезна:
S охладителя = (22-(M х 1.5)) х W
S
– площадь радиатора (охладителя)
W
– подведенная мощность в ваттах
M
– оставшаяся не задействованная мощность светодиода
При полученной площади не требуется дополнительного устройства охлаждающего радиатор, охлаждение происходит естественным путем и даст хороший теплоотвод в любых условиях.
Формула применима для алюминиевого радиатора. Для медного же площадь будет снижена почти в 2 раза.
Теплопроводность в Вт / м * °C различных материалов
серебро - 407
золото - 308
алюминий - 209
латунь - 111
платина - 70
серый чугун - 50
бронза - 47-58
Сейчас купить россыпь мощных светодиодов не проблема, а вот радиатор для них дорогой, т.к. имеет уже ощутимые размеры и массу. Предлагаю свое решение этой проблемы. Как известно, в радиаторе главное — площадь поверхности, поэтому игольчатые — самые эффективные. Зная золотую формулу радиатора 1 Вт = 10-30 кв.см. можно прикинуть, что для 10 Вт LED понадобится примерно 200 кв.см. площади. Набрать эту площадь решено за счет алюминиевой пластины, которую можно найти в любом крупном хозяйственном магазине. Вот что получилось у меня.
Видеоинструкция по изготовлению
А получилось у меня почти 400 кв.см. площади радиатора из полоски 1000х20х2 мм. Такого хватит и на 20 Вт и даже 50W LED с небольшим вентилятором.
Температура
А для моих 10 Вт по известной зависимости (см. рисунок) получается дельта 30º.
Максимально допустимая температура светодиодов +80º, поэтому этот радиатор можно эксплуатировать без принудительного охлаждения при температуре окружающего воздуха до +50º. Не удивительно, что по факту радиатор практически не греется, т.к. создает естественную циркуляцию воздуха и можно смело брать пластину поуже или ставить LED мощнее, вплоть до 50 Вт. Уже купил себе несколько 1000х15х2 мм. Если бы продавали шириной по 10 мм, тоже можно было бы попробовать. Крепить кстати лучше двумя болтами или заклепками, которые легко сделать из того же куска аллюминиевой полоски.
Комплектующие
Кроме алюминиевой полосы из ближайшего строительного магазина/рынка может также понадобиться:
В последнем случае обращаем внимание на входное напряжение драйвера. Я использую для своей 24 В сети, но можно найти сразу на 220 В. Пачкой по 10 шт. будет дешевле.
Известно, что продолжительность службы светодиодов напрямую зависит от качества материала, используемого в полупроводнике, а также соотношения тока устройства к количеству выделяемого тепла. Отдача света постепенно понижается, а после того, как она будет составлять половину от изначального значения, срок службы светодиода начнет сокращаться. Продолжительность работы устройств может составлять до 100 000 часов, но только при условии, что на него не воздействуют высокие температуры.
Для охлаждения приборов, выделяющих тепло, в радиоэлектронике применяют такое устройство, как радиатор для светодиодов. Отвод тепла от агрегатов в атмосферу достигается двумя методами.
Первый способ охлаждения светодиодов
Этот метод основан на излучении тепловых волн в атмосферу, или тепловой конвекции. Способ относится к разряду пассивного охлаждения. Часть энергии поступает в атмосферу лучистым инфракрасным потоком, а часть уходит посредством циркуляции нагретого воздуха от радиатора.
Среди техники для светодиодов пассивная охлаждающая схема получила наибольшее распространение. Она не обладает вращающимися механизмами и не требует периодического обслуживания.
К минусам этой системы можно отнести необходимость установки крупного теплоотвода. Вес его достаточно большой, да и цена на него высокая.
Второй метод
Он получил название турбулентной конвекции. Этот способ является активным. В этой системе применимы вентиляторы или же другие механические приборы, которые могут создавать воздушные потоки.
Активный охлаждающий метод имеет более высокий уровень производительности, чем пассивный способ. Но неблагоприятные погодные условия, наличие большого количества пыли, в особенности в открытом пространстве, не позволяют инсталлировать подобные схемы повсеместно.
Изготовление радиаторов
При выборе материала следует руководствоваться следующими правилами:
- Показатель теплопроводности должен быть не меньше 5-10 Вт. Материалы с более низким показателем не могут передать все тепло, которое принимает воздух.
- Уровень теплопроводности выше 10 Вт с технической точки зрения будет избыточным, что повлечет за собой ненужные денежные затраты без повышения эффективности устройства.
Методы крепления светодиодов к радиатору
Светодиоды прикрепляются к устройству при помощи двух методов:
- механического;
- приклеивания.
Клеят светодиод термическим клеем. С этой целью на поверхность из металла наносится немного клея, затем на нее сажают светодиод. Для получения хорошего соединения светодиод придавливается грузом до полного высыхания клеящего вещества. Но большинство мастеров предпочитают использовать механический способ.
В настоящее время производятся специальные панели, посредством которых можно в кратчайшие сроки произвести монтаж диода. Некоторые модели предусматривают дополнительные зажимы для вторичной оптики. Монтаж весьма прост. На радиатор устанавливается светодиод, затем на него - панель, которую прикрепляют к основанию при помощи саморезов.
Заключение
Радиатор охлаждения для светодиодов высокого качества стал залогом долговечности устройства. Поэтому, подбирая прибор, следует быть предельно внимательным. Лучше прибегать к использованию заводских теплообменников. Они имеются в магазинах радиотоваров. Стоимость устройств высока, зато и монтаж светодиода на них проходит легко, а защита отличается качеством и надежностью.
