Зачем радиатор маломощным светодиодам. Вопросы охлаждения.

 

После опубликования отчета по переделке салонных плафонов, у некоторых пытливых товарищей возник вопрос характера, а зачем маломощным SMD светодиодам радиатор? Вопрос обширный и я решил написать небольшую статейку, где простым языком попробую раскрыть тему.

Начнем очень издалека. Первое, что вспомним, это закон сохранения энергии. Энергия не берется из неоткуда и не исчезает бесследно, она только переходит из одно вида в другой, бла, бла, бла. Электрические источники света преобразуют электрическую энергию в оптическую (полезная энергия) и тепловую (бесполезная).

Двигаемся дальше.

Способы переноса тепла. Их три: конвекция, тепловое излучение и теплопроводность. Конвекция, это когда воздух, скажем, над батареей нагревается, становится легче и поднимается вверх. На его место приходит холодный воздух и так до бесконечности. Тепловое излучение – это когда нагретое тело излучает тепло в окружающее пространство напрямую в виде инфракрасного излучения (сокращенно ИК). Например, тепло Солнца, тепло рядом с костром (только не над костром, там еще и конвекция) это в чистом виде ИК изучение. Ну и теплопроводность, это перенос тепла через материал. Например, вы лежите на теплом песке, и он передает вам свое тепло. Ну или сковородку голыми руками с плиты взяли, она вам тепло передала ))) Думаю все просто, понятно и легко можно привести примеры из быта.

Теперь начнем обсасывать наши источники света и сравнивать лампы накаливания и светодиоды. Лампа накаливания, это нагретая спираль в стеклянной колбе. Раз нагретая, то не излучать ИК она не может. Она, в основном, его и излучает, ну и немного (

5%) видимого света. Т. е. основное охлаждение обычной лампочки осуществляется через инфракрасное излучение. На счет теплопроводности сами прикиньте, что там может передаться через тонкие проволочки, которые держат нить. Что-то передается, конечно, но это мизер. Воздух вообще не в счет – плохой проводник тепла. С конвекцией немного сложнее. Стекло горячее, оно греет воздух и создает конвекцию, но стекло горячее потому, что оно поглощает ИК излучение. Короче, лампочку охлаждать не надо, она и так все тепло наружу отдаст. Да и если её охладить, то, как она светить-то будет ;-)

Светодиоды. Разбираем по порядку. Свет они излучают не за счет нагрева, копать глубже не буду, нам важно то, что инфракрасное излучение, т. е. тепло светодиоды НЕ ИЗЛУЧАЮТ. Они излучают только видимый свет, а тепло выделяется внутри кристалла. Значит, этот способ теплопередачи исключается. Кристалл находится внутри светодиода, под линзой (прозрачную часть любого светодиода принято называть линзой, даже если она ничего не делает со светом) Значит, и конвекции никакой не может быть. Остается только один способ отвести тепло от кристалла – посредством теплопроводности. Вот вам главное отличие светодиодов от ламп накаливания в плане охлаждения, сами по себе светодиоды не могут охлаждаться, они просто корпус расплавят. Это тоже самое, что засунуть лампу накаливания в пенопласт и включить её. Теплу (энергии) деваться просто некуда будет, и оно пойдет на расплавление пенопласта.

Теперь коротко о том, как конструктивно устроен светодиод. Есть полупроводниковый кристалл, который излучает свет, при этом он нагревается. Для вывода тепла наружу, кристалл сажают на теплопроводящую подложку. Сам корпус, как правило, не проводит тепло. Обычные SMD светодиоды, эмиттеры, все они имеют пластиковый корпус. Сверху – линза. Понятно, что она тоже плохой теплопровод. Исключение составляют только мощные светодиоды Cree, у них корпус и подложка это пластина из керамики. И вот дальше есть ровно два варианта. От подложки наружу тепло может выводиться либо через выводы, либо подложка физически выводится наружу. Первый случай, это маломощные светодиоды (не более 0,3Вт, на сколько мне встречались). Обычные светодиоды с выводами и маломощные SMD, например популярные корпуса SMD3528, SMD5050. У них тепло выводится наружу через контакты.

Маломощный SMD светодиод

Представители второго типа, это все что от 0,5Вт и выше. Например, популярные эмиттеры. У них подложка представляет собой алюминиевый цилиндр, на котором с одной стороны сидит кристалл, а вторая сторона торчит из корпуса наружу.

Очень популярный корпус «эмиттер»

С этим разобрались. Корпус светодиода тепло не проводит, линза тоже. Тепло выводится наружу либо через выводы, либо через подложку. Тепло наружу вывели и теперь самое интересное, что с ним делать дальше.

А дальше тепло нужно передать воздуху. Штука, которая передает тепло от чего-либо воздуху, называется воздушным радиатором. Радиатор – любая железяка, лучше цветная, лучше максимально возможной площади. Отдает тепло тем лучше, чем больше его площадь и обдув. В обычном, пассивном варианте обдув идет за счет конвекции.

Если мы имеем дело с обычными выводными светодиодами, то все, что нужно сделать, чтобы охлаждение было в норме, это по возможности не обрезать эти самые выводы, а оставить их подлиннее, это и есть их радиатор.

Если мы имеем дело с мощными диодами, то подложка должна сидеть на радиаторе. Напрямую или через монтажную пластину, не важно, им нужно охлаждение.

Мощный светодиод на монтажной пластине. Она нужна для того, чтобы светодиод можно было, тупо, прикрутить к радиатору. Сама, при этом, радиатором не является, т. к. слишком маленькая

Этот способ работает, если у вас светодиоды посажены на плате не плотно. А если они сидят кучно, будьте уверены, хреново им, сдохнут они скоро.

Что делать, если нужно напаять светодиоды плотно. Делать платы не из текстолита, а вот из чего .

Здесь вместо текстолита использован алюминий, а медь изолирована от него тонким слоем диэлектрика. Плату из текстолита довольно таки бессмысленно прикручивать к радиатору, а вот из алюминия самое то. Не важно, 20мА у тебя потребляет светодиод или 2000мА, количество светодиодов и плотность посадки имеет значение. Например, в моих задних лампах получилась сборка на 1Вт площадью около 4,5см2, это очень мало. По этому и радиаторы я туда поставил. И греются у меня лампы потому, что тепло от светодиодов реально доходит до радиатора и его можно «потрогать».

Но и это еще не все. Есть такой параметр, как термическое сопротивление, измеряется в градусах/ватт. Применительно к светодиодам этот параметр дают для перехода кристалл-подложка. Что он значит. Возьмем популярный светодиод Cree XP-G. Для него производитель заявляет величину 6 град/Вт. Это значит, что при 1Вт тепловой мощности кристалл будет горячее радиатора на 6 градусов. При 2Вт – на 12 и так далее. Т. е. во втором случае если радиатор у вас имеет температуру 60 градусов, то кристалл все 72. Другими словами, светодиод всегда будет горячее, чем радиатор, на котором он сидит.

Напоследок несколько причин, по которым не стоит перегревать светодиоды. Максимально допустимая температура у разных производителей варьируется от 85 до 120 градусов. При этом остается только гадать, сколько проживут светодиоды при такой температуре, т. е. чем горячее, тем меньше они проживут. Это первая причина. И вторая причина это то, что с ростом температуры падает светоодача (люмен с ватта) Мало кто знает, при какой температуре, нормируется светоотдача. ВСЕ фирмы нормируют светоотдачу при 20 (!) градусах цельсия. Т. е. это даже ниже комнатной температуры. Это все есть в даташите на любой светодиод, никакого секрета здесь нет. Да и третья причина. Величину максимального тока производитель тоже указывает далеко не для максимальной температуры. То есть указанный в описании максимальный ток нельзя давать, если не обеспечено должное олаждение. В виде графика это тоже есть в любом даташите, но это, по-моему, вообще никто не учитывает в своих поделках. В общем, хорошее (желательно избыточное) охлаждение и заниженный ток являются желательными при эксплуатации светодиодов любой мощности. Ну и совсем напоследок. Многие отвечают на замечания по охлаждению, в духе «пол-года, полет нормальный». Ребята, полгода, год, это не срок для светодиодов, если только они не работают круглые сутки. Это тоже самое, как сказать, что у меня двигатель прошел 10000км, полет нормальный.

 



  • На главную