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.
Для производства радиаторов, как правило, применяют алюминий, медь и керамику. Выпускают приборы на основе пластмассы, рассеивающей тепло.
Алюминиевые приспособления
Радиатор для светодиодов, пользующийся наибольшей популярностью, выполнен из алюминия. Главным минусом прибора является то, что он состоит из ряда слоев. Это неизбежно вызывает переходные тепловые сопротивления, преодоление которых возможно посредством дополнительных теплопроводных материалов: веществ на клею, изоляционных пластин, материалов для заполнения воздушных промежутков.
Алюминиевый радиатор для светодиодов используется чаще других. Он подвержен прессовке и прекрасно справляется с отводом тепла.
Для активного уровня охлаждения, как правило, требуется плоский лист из алюминия, размер которого не больше, чем размер светильника. Лист обдувается вентилятором.
Подходящей температурой для функционирования светодиода считается показатель 65 °С. Однако чем ниже температура, тем выше уровень КПД устройства и больше его ресурс. Оптимальной температурой поверхности радиатора считается показатель 45 °С, но не выше. Для диода мощностью 1 W надо произвести установку на радиатор из алюминия. Площадь радиатора составляет 30-35 см2. Радиатор светодиода 3 W потребует увеличения площади вдвое и будет составлять 60-70 см2.
В качестве радиатора лучше всего подходит устройство из алюминия как наиболее легкое и относительно недорогое. При расчете прибора для светодиодных матриц берется пропорция 35 см на 1 W.
Для систем охлаждения активного характера площадь радиатора может быть меньше в 10 раз. На светодиод 1 W хватает 3-3,5 см2.
Для примера рассмотрим радиатор «звезда» для светодиодов. Устройство используется для отведения тепла от светодиода и представляет собой небольшой радиатор. Его основу составляет пластина из композитного материала — использован алюминий, отводящий тепло от светодиода, и фольга из меди с контактными площадками. Радиатор монтируют на светодиоды с высоким показателем мощности (1-3 Вт).
Радиаторы из меди
Устройства содержат медную пластину. Медь имеет более высокую теплопроводность, нежели алюминий. Ее включение в схему оправдано.
Но в общем, металл уступает алюминию в плане веса и технических характеристик. Медь не является податливым металлом. Изготовление устройства из меди методом прессования является экономичным. А обработка резкой оставляет большое количество отходов дорогого материала.
Радиаторы из керамики
Удачной моделью является керамический радиатор для светодиодов, на который изначально наносятся трассы, проводящие ток. Непосредственно к ним и происходит подпайка светодиодов. Такая конструкция отходит тепло в два раза больше по сравнению с устройствами из алюминия.
Радиаторы из пластмассы
Рассеивающие тепло устройства из пластмассы вызывает определенный интерес. И это вполне объяснимо, так как стоимость этого материала ниже цены алюминия, а уровень технологичности выше.
Но уровень теплопроводности обыкновенной пластмассы не выше 0,1-0,2 Вт/(м·К). Достичь приемлемого показателя удается при помощи разных наполнителей. При замене радиатора из алюминия на устройство на основе пластмассы (равной величины) уровень температуры в области подвода температур поднимается на 4-5 %. Исходя из того что показатель теплопроводности теплорассеивающей пластмассы ниже, чем у алюминия (8 Вт/(м·К) против 220-180 Вт/(м·К)), делаем вывод: пластик может составить конкуренцию алюминию.
Конструктивные особенности радиаторов
Многие задаются вопросом: какой радиатор для светодиода лучше?
Существует две группы модификаций:
- игольчатые;
- ребристые.
К примеру, радиатор для светодиода 10W представлен ребристым LED-устройством.
Первый вид, как правило, используется для естественного метода охлаждения светодиодов, а второй - для принудительного. При одинаковых показателях габаритов пассивное игольчатое устройство на 70 % превышает эффективность ребристого вида.
Радиаторы для мощных светодиодов обладают игольчатой конструкцией. Они рассчитаны на мощные светодиоды, но это совсем не означает, что ребристые приборы на основе пластин пригодны только для функционирования вместе с вентилятором. В зависимости от геометрических параметров, они используются и для охлаждения пассивного характера.
Радиатор для светодиодов любой конфигурации может обладать квадратной, прямоугольной или круглой формой.
Как рассчитать площадь радиатора. Методы получения точных показателей параметров устройства
В данном случае за основу берется ряд важных факторов:
- показатели окружающего воздуха;
- уровень площади рассеивания;
- модификация радиатора;
- особенности материала, из которого сделано теплообменивающее устройство.
Но все эти нюансы нужны для проектировщика, который занимается разработкой теплоотвода.
За основу радиолюбителями, как правило, берутся использованные радиаторы. Все, что требуется, - это знание показателя максимального рассеивания мощности теплообменного устройства.
Первый метод
Подсчет площади проводится по формуле F = а х Сх (T1 – T2), где Ф является тепловым потоком, а S – площадью поверхности радиатора (сумма площадей всех ребер или иголок и подложки в кв. м), T1 — показателем температуры среды, отводящей тепло, а T2 — температуры нагретой поверхности.
Производя подсчет площади, следует обратить внимание и на то, что ребро или же пластина обладает двумя поверхностями для отвода тепла.
Расчет поверхности иглы производится по длине окружности (π х D), умноженной на показатель высоты.
Для поверхностей, не подвергшихся полировке, коэффициентом теплоотдачи является показатель, равный 6-8 Вт/(м2·К).
Второй метод вычисления
Существует и другая простая формула, котрая получена путем экспериментов.
S = [22 – (M x 1,5)] x W, где S является показателем площади теплообменника,W – подведенной мощностью (Вт), а M – незадействованной мощностью светодиода.
Для ребристого типа радиатора, сделанного на основе алюминия, можно использовать данные, предоставленные инженерами из Тайваня. Данные не обладают точностью, так как указаны в диапазонах с большим показателем разбега. К тому же определение подходит для климатических условий Тайваня. Их можно брать за основу только при проведении предварительных подсчетов.
Как сделать радиатор своими руками?
Радиолюбители редко принимаются за изготовление теплоотводчиков своими руками, поскольку этот элемент требует особой ответственности. Ведь данный прибор имеет влияние на долгосрочную службу светодиода. Но бывает так, что мастера прибегают к изготовлению теплообменника из подручных средств.
Первый вариант
Конструкция унифицированная. Представляет собой круг, который вырезан из алюминия. В нем имеются надрезы. Полученные секторы слегка отогнуты. В результате получается деталь, похожая на крыльчатку вентилятора. По осям устройства отгибаются четыре усика, служащие креплением устройства. Светодиод можно закрепить посредством термопасты и саморезов.
Вариант 2
Радиатор для светодиодов своими руками можно сделать из фрагмента алюминиевой трубы с прямоугольным сечением.
Нужные материалы:
- труба размером 30х15х1,5 мм;
- пресс-шайба диаметр которой составляет 16 мм;
- термический клей;
- термическая паста КТП-8;
- Ш-образный профиль 265;
- саморезы.
Для оптимизации конвенции просверливаются три отверстия, диаметр которых равен 8 мм, а в профиле — отверстия диаметром 3,8 мм для крепежа посредством саморезов.
Светодиоды приклеивают к трубе — основной части радиатора - при помощи термического клея. В местах, где соединяются детали радиатора, наносят слой термической пасты КТП-8.
Затем приступают к сборке конструкции при помощи саморезов с пресс-шайбой.
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.
