Как подобрать и установить радиатор для светодиодов?

Светодиодные лампы считаются наиболее экономичными и эффективными источниками света. При правильной эксплуатации они служат не менее 50 тыс. часов. Считается, что такие элементы не нагреваются, однако это не так. Чтобы осветительный прибор служил долго, устанавливают радиаторы для светодиодов. Их покупают в готовом виде или делают самостоятельно.

Особенности применения радиатора для светодиодов

Полупроводниковые устройства не имеют 100%-ного КПД. Часть получаемой энергии преобразуется в тепло, которое выделяется в окружающую среду. Величина КПД определяется типом диода. Например, слаботочные приборы имеют эффективность 10-15%. У белых светодиодов КПД составляет 30%. Остальная энергия преобразуется в тепло.

При продолжительной работе температура элемента повышается. Для рассеивания лишнего тепла применяется радиатор. В маломощных системах его роль играют выводы. В мощные приборы устанавливается дополнительный теплоотвод. Такая технология увеличивает срок службы в 1,5-2 раза.

Разновидности радиаторов

Для отведения тепла применяется 3 типа устройств:

• стержневые;
• пластинчатые;
• ребристые.

Основания радиаторов имеют форму круга, квадрата или прямоугольника. При выборе учитывают толщину устройства. Основание отвечает за получение и рассеивание тепла. Охлаждающий радиатор может функционировать с естественной или искусственной вентиляцией. В первом случае расстояние между ребрами должно составлять более 4 мм. При наличии принудительной вентиляции его можно уменьшить до 1 мм.

Особенности конструкции

Приборы делятся на 2 типа: ребристые и игольчатые. Второй вариант используют для естественного отведения тепла, второй – для искусственного. При равных размерах игольчатая конструкция считается более эффективной. Однако из этого не следует, что пластинчатые устройства нормально работают только в паре с кулерами. С учетом размера они могут использоваться и для пассивного охлаждения.

Из чего изготавливаются?

Для охлаждения светодиодных элементов мощностью более 10W применяют алюминиевые радиаторы. Монтаж медного радиатора оправдан при изготовлении компактного светильника.

Из алюминия

Показатель теплопроводности этого металла составляет 200-235 Вт/м*К. Этот коэффициент у алюминия в 2 раза выше, чем у латуни и стали. Кроме того, материал легко поддается обработке. Для повышения теплопроводности радиаторную конструкцию анодируют (окрашивают в черный цвет).

Из керамики

Для производства радиаторов этот материал стал использоваться недавно. Керамика имеет среднюю теплопроводность, однако характеризуется низкой шероховатостью и не проводит электрический ток.

Из меди

Коэффициент теплопроводности металла достигает 400 Вт/м*К. В этом плане материал уступает только серебру. Однако медные радиаторы выпускаются намного реже, чем алюминиевые.

Это объясняется:

• большим весом конструкции;
• сложностью механической обработки;
• высокой стоимостью материала.

Использование меди повышает себестоимость осветительного прибора, делая его неконкурентоспособным.

Из термопластика

Теплопроводные полимеры уступают алюминию, однако имеют меньшие вес и стоимость. Производители светодиодных приборов используют материал для создания корпусов. При изготовлении светильников мощностью более 10 Вт термопластик не может конкурировать с металлами.

Охлаждение мощных светодиодов

Для отведения тепла применяются принудительные или естественные системы. Использование второго варианта при изготовлении осветительных приборов мощностью более 50W нецелесообразно. Габариты радиаторов достигают 20-30 см, вес – 0,5 кг. В таком случае устройства совмещают с компактными вентиляторами. Прибор требует подведения питающего кабеля. Кроме того, светильник снабжается системой аварийного отключения, которая срабатывает в случае поломки вентилятора.

Существует и другой метод охлаждения мощных светодиодных элементов – установка готового устройства SynJet.

Главными преимуществами модуля являются:

• увеличенная производительность;
• минимальное тепловое сопротивление;
• небольшой вес.

Габариты устройства зависят от модели. Недостатками считаются высокая цена и необходимость подключения дополнительного источника питания. Обеспечить самый лучший тепловой контакт модуля с подложкой диода невозможно, поэтому поверхности покрывают термопастой. Качественный состав характеризуется низкой вязкостью, неспособностью к затвердеванию.

Как рассчитать площадь?

Применяют 2 способа вычисления параметра:

• проектный, при котором определяют геометрические размеры конструкции при требуемом температурном режиме;
• проверочный, предполагающий выполнение расчетов в обратной последовательности (при данных размерах радиатора вычисляют количество тепла, которое конструкция способна рассеивать).

Применение того или иного способа зависит от имеющихся исходных параметров. Точный расчет является более сложной задачей.

Точный расчет

Около 70% потребляемой мощности преобразуется в тепло. При расчете параметров радиатора нужно знать количество рассеиваемой энергии.

Для его вычисления применяют формулу Т=k*UПР*IПР, где:

• PТ – преобразующаяся в тепло мощность (Вт);
• UПР – снижение напряжения при прохождении номинального тока по светодиоду (В);
• k – процент энергии, превращающейся в тепло (для мощных приборов составляет 0,7-0,8);
• IПР – номинальный ток (А).

На следующем этапе рассчитывают количество препятствий, находящихся на пути теплового потока. Каждый из таких объектов является сопротивлением, обозначаемым символами Rθ.

Систему охлаждения представляют как схему из параллельно-последовательного включения Rθja= Rθjc+ Rθcs+ Rθsa, где:

• Rθjc – сопротивление корпус-переход;
• Rθsa – радиатор-воздух;
• Rθcs – корпус-теплоотвод.

Если диод монтируется на печатную плату с использованием термопасты, их сопротивления также учитывают. Для вычисления значения Rθsa последовательно используют несколько формул.

Сначала – Rθja=(Tj-Ta)/Pт, где

• Rθja – сопротивление переход-воздух;
• Tj – наибольшая температура (справочное значение);
• Ta – показатель нагрева расположенных возле радиатора областей.

На втором этапе применяют формулу Rθsa= Rθja-Rθjc-Rθcs, где Rθjc и Rθcs – справочные величины. По рассчитанному Rθsa выбирают радиатор. Заявленный производителем параметр должен быть меньше полученного.

Приблизительный

Некоторые домашние мастера применяют радиаторы, извлеченные из старых электронных устройств. Для подсчета рассеиваемой такими деталями энергии используют формулу, не отличающуюся высокой точностью вычислений: Rθsa=50/√S, где S – площадь поверхности радиатора. Подставляя значение, полученное с учетом ребер и боковых граней, рассчитывают тепловое сопротивление.

Максимальную мощность вычисляют по формуле Pт=(Tj-Ta)/Rja. При расчете не учитывают множество факторов, отражающихся на работе системы охлаждения, – температурный режим светодиодов, направление ребер радиатора. Поэтому полученное значение умножают на 0,7.

Как сделать радиатор для светодиода своими руками?

Собрать простую алюминиевую конструкцию для маломощного осветительного прибора несложно. Для этого потребуется металлическая лента толщиной 2-3 мм.

Радиатор изготавливают так:

1. Делают на пластине надрезы с шагом 5 мм. Полученные сектора загибают, придавая конструкции вид крыльчатки.
2. Формируют отверстия для фиксации радиатора.

Сделать радиатор для светильника мощностью 10 Вт сложнее. Для этого потребуется 1 м алюминиевого профиля толщиной 2 мм, шириной 2 см. Сначала полосу разрезают на 8 частей. Отрезки укладывают друг на друга, делают сквозное отверстие, закрепляют элементы болтом с гайкой. Одну грань шлифуют для фиксации светодиодной ленты. Разгибают пластины в разные стороны. В местах установки модуля проделывают отверстия. Обрабатывают самодельный радиатор термоклеем, устанавливают матрицу, которую закрепляют саморезами.

Как крепить светодиоды к радиатору?

Применяют 2 способа фиксации элементов:

1. Механический. Диоды прикручивают саморезами или болтами с использованием специальных подложек. К ним припаивают осветительные элементы, обработанные термопастой. Светодиод снабжен контактной площадкой диаметром около 5 мм. Некоторые элементы продаются прикрепленными к переходной подложке.
2. Клеевой. Выполняется как с использованием пластины, так и без нее. Для этого приобретают теплопроводный клей.

Первый способ считается более надежным.