Рятівна прохолода, або тепловідвід для потужних світлодіодних матриць

  1. примусове охолодження
  2. Кілька прикладів розрахунку тепловідведення

Завдяки високому світловому потоку і тривалого терміну життя (порядку десятків тисяч, а то і сотень тисяч годин), світлодіодні світильники є дуже конкурентоспроможним рішенням. Проте, у багатьох постачальників і виробників світлодіодних світильників виникають труднощі при роботі з новими потужними світлодіодами (від 20 Вт). І особливо частою проблемою є проектування правильного і надійного відведення тепла. Невірно обраний тепловий режим роботи світлодіода може привести до небажаних наслідків. В першу чергу, перегрів може привести до виходу світлодіода з ладу. У всіх світлодіодів компанії CREE критична температура переходу - 150 ° С перевищення цього порога призведе до вигоряння кристала світлодіода і довгому процесу ремонту.

По-друге, робота при підвищених температурах значно зменшує термін служби світлодіодів (рисунок 1). На графіку зображено залежність для трьох температур в «точці пайки» світлодіода: 55, 85 і 105 ° С. Графіки з позначкою LM-80 показують час, протягом якого проводилися випробування. Графіки з позначкою TM-21 відображають зниження світлового потоку від початкового рівня в залежності від часу. Як видно з графіків, при підвищеній температурі роботи термін служби світлодіодів значно скорочується: при 105 ° С термін служби світлодіодів на 200 тисяч годин менше, ніж при температурі 85 ° С.

Також від температури залежать наступні параметри світлодіода:

Величина світлового потоку. На малюнку 2 зображено залежність величини відносного світлового потоку від температури для світлодіодів серії MKR компанії CREE. Як видно з графіка, із збільшенням температури переходу світлодіода величина світлового потоку зменшується, і навпаки - при гарному охолодженні потік зростає.

Пряме падіння напруги. Зі зміною температури змінюється і величина прямого падіння напруги на світлодіоді (Vf). Зі збільшенням температури напруга зменшується. Величина зміни напруги залежить від конкретної моделі. У таблиці 1 наведені значення коефіцієнтів залежності напруги від температури для серій світлодіодів MKR і MKR2. Важливо брати до уваги значення даного параметра і вибрати драйвер для освітлювальної системи так, щоб він міг забезпечувати необхідну напругу у всьому робочому діапазоні температур світлодіода.

Таблиця 1. Значення коефіцієнтів залежності напруги від температури для серій світлодіодів MKR і MKR2

НайменуванняКоефіцієнт залежності напруги від температури, мВ / ° СMKR

-7 MKR2 -28

Як видно з графіків (малюнки 1, 2), при температурах менше 100 ° С світловий потік зменшується незначно, а при температурі 85 ° С дорівнює 100%. Останнім часом тестування світлодіодів проходить при температурі переходу 85 ° С, тому при температурах нижче 85 ° С на графіках спостерігається збільшення світлового потоку. Дану температуру і будемо вважати робочою температурою для світлодіодів компанії CREE.

Мал. 1. Час життя світлодіодів XPG, в залежності від температури

Мал. 2. Залежність світлового потоку від температури переходу на прикладі світлодіода серії MKR

А тепер опишемо методику розрахунку і підбору тепловідведення для потужних світлодіодів. Світлодіод, як і будь-який інший електронний прилад, не володіє значенням ККД 100%, а це значить, що частина споживаної потужності перетворюється в тепло. Сучасні світлодіоди мають ККД близько 30 ... 40%, тобто в середньому 60 ... 70% споживаної потужності перетворюється в тепло. Наприклад, при використанні 20 ватної світлодіодної матриці необхідно розсіювати 12 Вт тепла, а це досить багато. Компанія CREE в документі «XLampThermalManagement» рекомендує користуватися допущенням, що в тепло перетворюється 75% споживаної потужності, дане припущення дозволяє перестрахуватися при розробці тепловідведення. Потужність, яку потрібно розсіювати, можна розрахувати за формулою:

(1) (1)

де:

Pt - теплова потужність (Вт);

Vf - пряме падіння напруги на світлодіоді (В);

If - струм через світлодіод (А).

Перед описом методики розрахунку системи охолодження скажемо кілька слів про теорію теплопередачі.

Основний внесок в охолодження світлодіодних світильників вносять теплопровідність і конвекція.

Теплопровідність - це процес передачі тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. У світильниках за рахунок прямого контакту тепло передається від світлодіода в друковану плату, а потім - в радіатор, або, якщо світлодіод встановлений безпосередньо на радіатор, то відразу в радіатор. Для розрахунку кількості тепла, переданого за рахунок теплопровідності, можна скористатися формулою:

(2) (2)

де:

Qcond - кількість тепла, переданого через матеріал (Вт);

k - коефіцієнт теплопровідності матеріалу (Вт / (м * К));

A - площа перетину матеріалів, через яку проходить тепло (м2);

DT - градієнт температури (К);

Dx - відстань, яке проходить тепло (м).

Конвекція - це передача за рахунок руху потоків рідин або газів. Зазвичай в світлодіодних світильниках це передача тепла від радіатора в навколишнє середовище (як правило, повітря). Існує два варіанти конвекції: природна і примусова. При природної конвекції тепло передається за рахунок вже існуючих потоків повітря, викликаних перепадом температур. В примусової конвекції рух потоків рідини або газів створюється за рахунок додаткових пристроїв, таких як вентилятор, насос і т.п.

Кількість тепла, розсіяного за допомогою конвекції, можна розрахувати за формулою:

(3) (3)

де:

Qconv - кількість тепла, розсіяного за допомогою конвекції (Вт);

h - коефіцієнт теплопередачі (Вт / (м2 * К));

A - площа поверхні випромінюючого елемента (м2);

DT - різниця між температурою випромінюючого елемента і температурою навколишнього середовища (К).

Основна проблема в підрахунку кількості тепла, розсіяного за допомогою конвекції - це визначення коефіцієнта h. Значення коефіцієнта h може значно змінюватися, в залежності від геометрії радіатора, граничних умов і інших параметрів. Наприклад, при природній конвекції коефіцієнт h знаходиться в межах 5 ... 20 Вт / (м2 * К). А для систем з примусовою конвекцією коефіцієнт теплопередачі може досягати значень 100 Вт / (м2 * К) при повітряному охолодженні, і аж до 1000 Вт / (м2 * К) - при рідинному. У світлодіодному освітленні зазвичай використовується природне повітряне охолодження, для розрахунків таких систем значення коефіцієнта теплопередачі можна прийняти рівним 10 Вт / (м2 * К).

Систему охолодження світлодіодів можна представити у вигляді еквівалентної схеми послідовно і паралельно підключених теплових опорів. Як приклад для складання еквівалентної ланцюга візьмемо матрицю з n світлодіодів, встановлених на друкованій платі, прикріпленою до радіатора (рисунок 3).

Мал. 3. Еквівалентна схема теплових опорів

В даному випадку еквівалентна схема буде складатися з n теплових опорів «перехід світлодіода - контакт» (на схемі позначені як Qj-sp), з'єднаних паралельно. Потім - з n теплових опорів «контакт - друкована плата» (Qsp-pcb). Також необхідно врахувати теплові опору між друкованою платою і теплопроводящим матеріалом (Qpcb-tim), між теплопроводящим матеріалом і радіатором (Qtim-hs) і, нарешті, між радіатором і навколишнім середовищем (Qhs-a).

У вузлах цієї еквівалентної схеми можна виміряти температуру, наприклад, в точці Theatsink можна виміряти температуру радіатора.

У разі, якщо в освітлювальному пристрої використовується всього один світлодіод, еквівалентна схема буде являти собою ланцюжок теплових опорів, з'єднаних послідовно. У свою чергу, тепловий опір всієї системи охолодження - це сума всіх теплових опорів. Для світильника з одного світлодіода, встановленого на друковану плату і на радіатор, тепловий опір всіх системи охолодження вираховується за такою формулою:

Для світильника з одного світлодіода, встановленого на друковану плату і на радіатор, тепловий опір всіх системи охолодження вираховується за такою формулою:

Чим менше значення повного теплового опору, тим краще тепло відводиться від світлодіода. Тепловий опір між елементами a і b розраховується за формулою:

(4) (4)

де:

Qa-b - тепловий опір між елементами a і b (° С / Вт);

Ta - температура елемента a (° С);

Tb - температура елемента b (° С);

Pt - потужність, що розраховується за формулою 1.

Компанія CREE в документації на свої світлодіоди пропонує графік залежності максимального струму від температури. Приклад такого графіка зображений на малюнку 4. Знаючи максимальний струм і імовірну температуру навколишнього середовища, можна розрахувати значення потужності, яку необхідно розсіювати, і, відповідно, можна отримати значення максимального теплового опору системи охолодження, що дозволить підібрати радіатор і теплопровідні матеріали.

Мал. 4. Залежність максимального струму від температури для світлодіодів MKR

Розглянемо більш докладно, який внесок вносять в загальний тепловий опір такі елементи як друкована плата, теплопровідні матеріали і радіатор.

Друкована плата. Більшість світлодіодів компанії CREE необхідно встановлювати на плату (для підведення ланцюгів харчування світлодіода і механічного монтажу). Від вибору матеріалу друкованої плати і топології в значній мірі залежить тепловий опір. Наприклад, для стандартних плат FR4 тепловий опір може становити 20 ... 80 ° С / Вт, в той час як для плат на металевій підкладці теплове опору становитиме одиниці ° С / Вт. Компанія CREE пропонує керівництво «optimizing pcb Thermal performance» з проектування друкованих плат для світлодіодів, в ньому викладені рекомендації до топології друкованої плати для зменшення теплового опору. Також можна використовувати світлодіоди, вмонтовуються безпосередньо на радіатор. В цьому випадку друкована плата не вноситиме вклад в сумарне теплове опір.

Теплопровідні матеріали необхідні для створення гарного теплового контакту між друкованою платою і радіатором або між світлодіодом і радіатором. Крім створення надійного теплового контакту, деякі теплопроводящие матеріали, в залежності від дизайну охолоджуючої системи, можуть виконувати й інші функції, такі як ізоляція електричних вузлів схеми або створення механічного кріплення. Нижче в таблиці 2 представлені характеристики основних теплопровідних матеріалів.

Таблиця 2. Характеристики теплопровідних матеріалів

Теплопровідні матеріалПеревагиНедолікиТермопасти

Високе значення об'ємної теплопровідності, маленька величина клейового шару, низька в'язкість, що не тверднуть Вважаються досить брудним при произвоства Матеріали зі зміною фази Висока в'язкість дає більш високу надійність в порівнянні з термопастою, набагато зручніше у використанні, немає розшарування Більш низька теплопровідність , в порівнянні з термопастою, поверхневий опір може бути більше, ніж у термопаст, необхідно додаток тиску для підвищення Ффективность Гелі Добре заповнюють нерівності поверхні Більш низька теплопровідність в порівнянні з термопастою, менше зчеплення, ніж у термоклеев термоклеї Добре заповнюють нерівності поверхні Необхідний процес очищення

При виборі теплопроводящей матеріалу необхідно врахувати багато параметрів, не тільки величину теплопровідності. Часто беруть до уваги товщину клейового шару матеріалу, а як випливає з формули (5), наведеної нижче, тепловий опір безпосередньо залежить від цього параметра. Виробники теплопровідних матеріалів надають інформацію про основні параметри в документації, і для вірного вибору теплопроводящей матеріалу дуже важливо розуміти вплив кожного з цих параметрів на роботу системи охолодження. Іноді більш тонкий клейовий шар з поганим значенням теплопровідності має більш низький тепловий опір в порівнянні з більш товстим шаром, але з кращим значенням теплопровідності. Обидва цих умови необхідно враховувати при виборі матеріалів. Тепловий опір теплопроводящей матеріалу описується формулою:

(5) (5)

де:

Qtim - тепловий опір теплопроводящей матеріалу (° С / Вт);

L - товщина шару (м);

K - теплопровідність (Вт / м * К);

A - площа контакту (м2).

Радіатор - це, мабуть, найважливіший елемент в системі охолодження світлодіода; він відводить тепло від друкованої плати або безпосередньо від світлодіода, і розсіює тепло в повітрі. До радіатора ставляться такі вимоги: матеріал радіатора повинен бути з високим значенням теплопровідності, площа поверхні радіатора повинна бути максимальною. Крім охолодження, радіатор може виконувати й інші функції, найбільш часто він може виступати в ролі корпусу або власника. У таблиці 3 вказані теплопровідності деяких матеріалів. Причому радіатори з одного і того ж матеріалу, але зроблені при різних способах обробки поверхні, можуть володіти різними коефіцієнтами теплопровідності. Наприклад, радіатор з анодованого алюмінію за рахунок випромінювання володіє великим коефіцієнтом теплопровідності, ніж звичайний алюмінієвий радіатор.

Таблиця 3. Теплопровідність деяких матеріалів

МатеріалТеплопровідність, Вт / (м * K)Повітря

0,024 Алюміній 120 ... 240 Кераміка 15 ... 40; 100 ... 200 Провідні полімери 3 ... 20 Мідь 401 Нержавіюча сталь 16 Термопаста / епоксидні смоли 0,1 ... 10 Вода 0,58

Часто до світлодіодних світильників пред'являються досить серйозні вимоги по габаритам, внаслідок чого може виникнути потреба в проектуванні радіатора під конкретні вимоги. При проектуванні радіатора потрібно врахувати вагу кінцевого виробу, вартість, теплові параметри, можливість подальшого виробництва.

Зазвичай використовуються литі або ковані алюмінієві радіатори. Анодований алюмінієвий радіатор має більший коефіцієнт випромінювання.

Проектування радіатора може бути досить складним заняттям, в якому необхідно враховувати габаритні обмеження, вартість, вага, можливість серійного виробництва. Нижче дано кілька рекомендацій з проектування радіаторів:

  • площа поверхні радіатора повинна бути максимально великою;
  • в якості грубої оцінки можна взяти наступне припущення: на 1Вт розсіюється тепла потрібно радіатор площею 32 ... 65 см2;
  • для вірного розташування радіатора, для забезпечення гарного потоку повітря між його ребрами необхідно добре уявляти, як, зрештою, буде кріпитися світлодіодний світильник;
  • необхідний матеріал з хорошою теплопровідністю;
  • використовуйте радіатори з хорошим коефіцієнтом випромінювання. Анодування різко збільшує коефіцієнт випромінювання тепла алюмінієвого радіатора;
  • використовуйте програми для моделювання систем охолодження;
  • виберіть метод виробництва радіатора. Деякі способи виробництва радіаторів можуть накладати обмеження на товщину і довжину ребер радіатора, використовувані матеріали. Найбільш поширені методи виробництва: штампування, лиття, кування. Кожен метод виробництва має свої плюси і мінусами.

примусове охолодження

Скажімо кілька слів про активному охолодженні, варіанти якого розглянуті в таблиці 4.

Таблиця 4. Види примусового охолодження

Типрозсіюється теплова потужність, ВтОписКулер

<170 Монтується безпосередньо на радіатор. Необхідно додаткове харчування. Теплові трубки <140 Теплові трубки не розсіюють тепло, вони переносять його в інше місце, так що радіатор все одно необхідний. Рідинне охолодження <200 Призначено для відводу великої кількості тепла, досить дороге рішення, приблизно в 10 разів дорожче, ніж теплові трубки. Модулі Пельтьє <80 Неефективні, обмежене охолодження, дорожнеча. Необхідно додаткове харчування. Струминне охолодження <80 Порівняно з кольором, але працює більш тихо і має високу надійність. Потрібен спеціальний дизайн радіатора. Системи охолодження SynJet <240 Менші габарити в порівнянні зі звичайними радіаторамі.Тіше в порівнянні з кулерами. Довгий термін служби. До мінусів можна віднести необхідність окремого джерела живлення.

Якщо природного охолодження недостатньо для відводу тепла, то потрібно використовувати примусове охолодження. Існує безліч варіантів активного охолодження - від кольорів до водяного охолодження. Якщо застосування активного охолодження неминуче, слід врахувати те, що світлодіоди можуть працювати протягом десятків ... сотень тисяч годин, тому слід передбачити наявність системи захисту світлодіодів від перегріву при виході з ладу пристроїв активного охолодження, інакше вихід з ладу пристроїв примусового охолодження практично відразу ж спричинить за собою вихід з ладу світлодіода через перегрів. Крім терміну служби, важливими параметрами є ефективність, надійність, низький рівень шуму, ціна, зручність при обслуговуванні, споживана потужність. Найчастіше пристрої примусового охолодження вимагають додаткового живлення, це призводить до зниження ККД системи в цілому.

Кілька прикладів розрахунку тепловідведення

Приклад розрахунку тепловідведення для CXA1304 . Дані світлодіоди монтуються безпосередньо на радіатор (малюнок 5).

Мал. 5. Монтаж світлодіода CXA1304 на радіатор

Еквівалентна схема розрахунку теплового режиму для даного випадку складається з теплового опору «перехід - контактна площадка світлодіода», теплового опору «контактна площадка - теплопровідні матеріал», опору «теплопровідні матеріал - радіатор» і, нарешті, з теплового опору «радіатор - повітря» ( рисунок 6).

Мал. 6. Еквівалентна схема для світлодіода CXA1304

Зробимо розрахунок для температур навколишнього повітря 25 ° С і 55 ° С. Припустимо, що світлодіод працює при максимальному струмі, і що температура переходу дорівнює 85 ° С. Використовуючи додаток PCT на сайті CREE ( http://pct.cree.com/ ), Отримаємо значення Vf для температури переходу при максимальному струмі, дані занесені в таблицю 5. Як теплопроводящей матеріалу будемо використовувати найпоширенішу термопасту КПТ-8, теплопровідність приймемо рівної 0,7 Вт / (м * ° С).

Таблиця 5. Дані для розрахунку світлодіода CXA1304

Температура переходу, ° С

85 If, A 0,25 Vf, В 43,7 P = Af х Vf, Вт 10,92 Pdiss = 0,75 х P, Вт 8,19 Площа контакту світлодіода, мм2 178,22

Для світлодіодів серії CXA в документації не вказано значення теплового опору «перехід - контактна площадка». Для визначення параметрів системи рекомендується використовувати графік, з якого можна отримати значення максимального теплового опору між контактом світлодіода і повітрям (малюнок 7).

Мал. 7. Значення максимального теплового опору між контактом світлодіода і повітрям

З даного графіка отримаємо, що для температури повітря 25 ° С максимальний опір становитиме 6 ° С / Вт, а для 55 ° С - 2 ° С / Вт. Розрахуємо тепловий опір теплопроводящей матеріалу, використовуючи формулу (5). Товщину шару термопасти приймемо рівної 0,1 мм. Тоді значення теплового опору буде наступним: Qtim = 0,8 ° С / Вт.

Отже, для випадку 25 ° С значення теплового опору радіатора має бути менше 5,2 ° С / Вт, для 55 ° С - менше або дорівнює 1,2 ° С / Вт. Для прикладу будемо використовувати радіатори компанії MechaTronix ( http://www.led-heatsink.com/ ). Для 55 ° С в якості радіатора підійде LPF11180-ZHE (рисунок 8). Тепловий опір даного радіатора - 1,07 ° С / Вт. Для випадку з температурою в 25 ° С вибір радіаторів ширший.

Мал. 8. Радіатор LPF11180-ZHE виробництва компанії MechaTronix

Тепер розглянемо розрахунок системи охолодження для світлодіодів MK-R2 і CXA3070 (Також для двох варіантів температур). Дані для розрахунків занесені в таблицю 6.

Таблиця 6. Розрахунок системи охолодження для світлодіодів MK-R2 і CXA3070 для двох варіантів температур

ПараметрНайменуванняMK-R2 CXA3070 Максимальний струм, А

0,42 0,7 Пряме падіння напруги, В 37,86 34,28 Температура переходу, ° С 85 85 Площа контактної поверхні, мм2 29,5 748 Потужність, що розсіюється, Вт 11,93 18 Тепловий опір Tj-sp , ° С / Вт 1,7 - Повний тепловий опір, ° С / Вт для 25 ° С 5 4,5 для 55 ° С 4,6 3 тепловий опір теплопроводящей матеріалу, ° С / Вт 0,8 0,2 тепловий опір друкованої плати, ° С / Вт 3 - Тепловий опір радіатора, ° С / Вт для 25 ° С 1,2 4,3 для 55 ° С 0,8 2,8

Для світлодіода MK-R2 в разі, якщо температура навколишнього середовища буде 55 ° С, температура переходу буде вище, ніж 85 ° С. У таблиці 6 вказані дані, коли температура переходу світлодіода становитиме 110 ° С. Також, в силу того, що світлодіод MK-R2 спочатку монтується на друковану плату, а потім вже на радіатор, в еквівалентній схемі з'являється ще одне тепловий опір. У таблиці 6 зазначено тепловий опір для плати з металевою основою. В останньому рядку зазначено, яким тепловим опором повинен володіти радіатор. Для охолодження цих світлодіодів підійде радіатор SpotLight Led HeatSink 34W компанії Nuventix (nuventix.com).

Для даних світлодіодів CXA3070 запропонуємо кілька варіантів охолодження і порівняємо їх характеристики. Для охолодження цих світлодіодів візьмемо звичайний радіатор, радіатор з кулером і систему охолодження SynJet виробництва компанії Nuventix.

Варіант з пасивним охолодженням є найбільш простим, так як не вимагає додаткових джерел живлення, але для відводу значного тепла може знадобитися досить великий радіатор, а це веде до збільшення вартості і робить освітлювальний прилад досить потужним і великим. Тому пасивне охолодження найкраще застосовувати для малопотужних систем освітлення. Для охолодження ж світлодіода CXA3070 підійде радіатор LSB99. Даний радіатор має наступні габаритами: діаметр 100 мм висота 50 мм, вага радіатора 470 г, що значно важче в порівнянні з активним охолодженням.

Для активного охолодження з кулером використовуємо складання радіатора і кулера LA003-005 . Для живлення кулера буде потрібно додаткове джерело живлення на 12 В потужністю 0,3 Вт, габарити системи охолодження складуть 86 мм в діаметрі і 52 мм у висоту, вага в межах 300 м Наявність кулера створює додатковий шум, заявлений час роботи кулера при температурі 60 ° С - близько 70 тисяч годин.

Для охолодження системою SynJet потрібно модуль SynJet Par20 Cooler 24. Максимально можлива потужність розсіювання становить 24 Вт. Габарити всього світильника в зборі будуть лежати в межах 45 мм у висоту і 65,5 мм в діаметрі при вазі в 140 р Але для примусового охолодження потрібно додаткове джерело живлення на 12 або 5 В, потужністю 1 Вт, через це в цілому енергоефективність системи трохи знижується. Заявлений час роботи такої примусової системи охолодження - близько 100 000 годин.

Надійність і довговічність роботи світлодіодних пристроїв безпосередньо залежить від якості проектування системи охолодження, ось чому так важливо приділити особливу увагу проектування надійного тепловідведення. Для охолодження малопотужних світлодіодних систем буде цілком достатньо звичайного радіатора, для відводу тепла від потужних світильників в деяких випадках може знадобитися активне охолодження. Також при розробці нових освітлювальних пристроїв настійно рекомендується проводити розрахунки і моделювання системи охолодження. На сайті компанії CREE надається безліч методик розрахунків тепловідведення і корисних додатків для правильного підбору охолоджуючих елементів.

література

1. http://www.led-e.ru/articles/svetodiod/2011_2_12.php

2. www.cree.com/xlamp_app_notes/CXA_SH

3. http://www.nuventix.com/

4. http://www.led-heatsink.com/

5. XLamp Thermal Management

6. Optimizing PCB Thermal Performance.

Отримання технічної інформації, замовлення зразків, поставка - e-mail: [email protected]

Разделы

» Ваз

» Двигатель

» Не заводится

» Неисправности

» Обзор

» Новости


Календарь

«    Август 2017    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 

Архив

О сайте

Затраты на выполнение норм токсичности автомобилей в США на период до 1974 г.-1975 г произошли существенные изменения. Прежде всего следует отметить изменение характера большинства работ по электромобилям: работы в подавляющем большинстве стали носить чисто утилитарный характер. Большинство созданных в начале 70х годов электромобилей поступили в опытную эксплуатацию. Выпуск электромобилей в размере нескольких десятков штук стал обычным не только для Англии, но и для США, ФРГ, Франции.

ПОПУЛЯРНОЕ

РЕКЛАМА

www.school4mama.ru © 2016. Запчасти для автомобилей Шкода