Neleiskite karščiui užmušti šviesos diodų – perskaitykite tai prieš kitą užsakymą

Neleiskite karščiui užmušti šviesos diodų – perskaitykite tai prieš kitą užsakymą

Tarp „trijų pagrindinių LED lempos komponentų“ šilumos kriauklė yra ta, kurią lengviausia įvertinti pagal išvaizdą. Didelis aliuminio korpusas gali atrodyti „tvirtas“, bet gali prastai veikti, o kompaktiškas įtaisas su protinga šiluminės konstrukcijos konstrukcija gali tarnauti daugelį metų. Aušintuvas neturi CRI numerio, kaip LED lustas, nei nuolatinės srovės specifikacijų, kaip tvarkyklė. Tačiau tai tiesiogiai lemia šviesos diodų jungties temperatūrą – ir kas 10 laipsnių sankryžos temperatūros padidėjimas maždaug perpus sumažina šviesos diodo tarnavimo laiką.Šilumos kriauklė yra šviesos diodų veikimo trukmės vartai.

1. Kodėl šviesos diodams reikia šilumos šalinimo? – Lengvai nepastebimas fizinis faktas

Nors šviesos diodai yra daug efektyvesni nei kaitrinės lemputės, 60–85 % elektros energijos (priklausomai nuo lusto efektyvumo) vis tiek paverčiama šiluma. Kaip pavyzdį paimkite 100 W LED šviestuvą: net esant 150 lm/W efektyvumui, daugiau nei 50 W tampa šiluma. Jei tie 50 W būtų sutelkti ant nago dydžio lusto, sandūros temperatūra akimirksniu viršytų 150 laipsnių.

LED lusto jungties temperatūra (Tj) turi įtakos viskam:

• Per didelis Tj → šviesos srautas krenta (esant tokiai pačiai srovei šviesos diodas tampa silpnesnis)
• Per didelis Tj → spalvos temperatūra pasislenka (dažniausiai link šiltos baltos spalvos)
• Per didelis Tj → liumenų nusidėvėjimas pagreitėja (L70 tarnavimo laikas labai sutrumpėja)
• Per didelis Tj → terminis įtempis sulaužo pakuotę ir sendina fosforą
• Extreme Tj → lusto perdegimas, neveikiantis šviesos diodas

Gerai suprojektuota šiluminė sistema siekia išlaikyti lusto sandūros temperatūrą duomenų lape nurodytose ribose (paprastai žemiau 85–105 laipsnių, priklausomai nuo lusto) esant maksimaliai aplinkos temperatūrai.

2. Terminis kelias: kiekvienas sustojimas nuo mikroschemos iki oro

Šiluma iš LED lusto į aplinkinį orą keliauja per kelias sąsajas:

• Chip → Pakuotės termo padas– šiluminė varža Rth_j-s (sujungimas su litavimo tašku)
• Pakuotės šiluminis padas → Metalinės šerdies PCB (MCPCB)– per lydmetalą arba terminius klijus, Rth_s-b
• MCPCB → Šilumos kriauklė– per terminį tepalą arba terminį padą, Rth_b-h
• Aušintuvas → Aplinkos oras– per konvekciją ir spinduliuotę, Rth_h-a

Bendra šiluminė varža=Rth_j-s + Rth_s-b + Rth_b-h + Rth_h-a. Kiekviena sąsaja yra potencialiai silpna grandis.

Metalinės šerdies PCB (MCPCB)atlieka nepakeičiamą tilto vaidmenį. Plonas dielektrinis sluoksnis (dažniausiai užpildytas keramikos milteliais) elektriškai izoliuoja vario grandinę nuo aliuminio pagrindo, leisdamas šilumą. Be MCPCB, šiluma iš lusto turėtų eiti per mažą laidų skerspjūvį – toli gražu to nepakanka.

3. Pagrindiniai radiatorių parametrai ir projektavimo principai

3.1 Šiluminė varža (Rth, laipsnis /W)

Aušintuvo našumas matuojamas pagal šiluminę varžą: kiek laipsnių karščiau šilumos kriauklės paviršius nei aplinkos oras vienam šilumos vatui. Pvz., 1 laipsnio /W šilumos kriauklė reiškia, kad kai šviesos diodas išsklaidys 10 W, šilumnešis bus 10 laipsnių virš aplinkos (pastovi būsena).

Mažesnė šiluminė varža yra geriau. 100 W armatūrai, 0,5 laipsnio / W šilumos šalintuvas užtikrina 30 + 100 × 0.5=80 laipsnių paviršiaus temperatūrą esant 30 laipsnių aplinkos temperatūrai. Lusto sandūra bus dar aukštesnė, todėl faktinis Tj gali viršyti 90–100 laipsnių.

3.2 Paviršiaus plotas ir pelekų dizainas

Pagrindinė fizika:Išsklaidyta šiluma ≈ šilumos perdavimo koeficientas × paviršiaus plotas × temperatūros skirtumas.Todėl:

• Didesnis paviršiaus plotas yra geresnis.
• Tūris ir kaina yra riboti, todėl turite maksimaliai padidinti efektyvų plotą turimoje erdvėje – tai yra pelekų vaidmuo.

Geri aušintuvai paprastai turi:

• Ploni, tankiai išdėstyti pelekai– Kol leidžia gamyba ir dulkių tolerancija, mažesnis pelekų žingsnis padidina bendrą plotą
• Vertikali orientacija– kad būtų užtikrintas natūralus konvekcinis oro srautas
• Storas pagrindas– greitai paskleisti šilumą iš šaltinio į visą pelekų masyvą, išvengiant karštų taškų

3.3 Medžiaga: dominuoja aliuminis, vario papildai, plastikas yra spąstai

• Aliuminio lydinys (dažniausiai paplitęs)– 6063, 6061, 1070 ir ktLietas aliuminisgali sudaryti sudėtingas formas, bet turi mažesnį laidumą (≈90–120);ekstruzinis aliuminisveikia geriau, bet apsiriboja tiesiniais profiliais.
• Varis– laidumas ≈400 W/(m·K), daug didesnis nei aliuminio. Tačiau varis yra brangus, sunkus ir linkęs oksiduotis. Jis kartais naudojamas aukščiausios klasės arba itin plonuose aušintuvuose kaip šilumos skirstytuvas kartu su aliuminio briaunomis.
• Plastikiniai/keraminiai aušintuvai– kai kuriuose pigiuose šviestuvuose naudojami plastikiniai korpusai su mažais metaliniais įdėklais arba „termoplastika“. Tokių plastikų šilumos laidumas paprastai yra tik 1–5 W/(m·K), daug mažesnis nei aliuminio. Jie veikia tik esant labai mažai galiai (<5W). Teiginiai, kad plastikinis aušintuvas gali vėsinti dešimčių vatų šviesos diodą, beveik visada yra klaidingas.

3.4 Paviršiaus apdaila: spalva ir šiurkštumas

Juodasis anodavimas skirtas dviem tikslams:

• Padidina radiacinį aušinimą. Juodųjų paviršių spinduliuotė yra 0,85–0,95, o poliruoto aliuminio – tik apie 0,05. Natūralios konvekcijos šilumnešiuose radiacija paprastai sudaro 10–30 % viso šilumos išsklaidymo – tai nėra nereikšminga.
• Apsaugo nuo korozijos ir pagerina išvaizdą.

Tačiau jei šviestuvas įrengiamas labai prastai vėdinamoje uždaroje patalpoje, radiacija atlieka mažesnį vaidmenį. Bet kuriuo atvejudažai arba miltelinis dažymas paprastai yra storesnis nei anodavimas ir padidina šiluminę varžą, todėl profesionalūs radiatoriai teikia pirmenybę anodavimui.

4. Pasyvus vėsinimas prieš aktyvų vėsinimą

4.1 Pasyvus aušinimas

• Kaip tai veikia– remiasi tik natūralia konvekcija ir spinduliuote, jokių judančių dalių.
• Privalumai– nulis triukšmo, itin didelis patikimumas (nėra ventiliatoriaus gedimo rizikos), nenaudojamas papildomas energijos kiekis, tinka aukšto IP aplinkoje (atsparumas dulkėms/vandeniui).
• Trūkumai– reikalauja gana didelio tūrio ir paviršiaus ploto; mažesnis galios tankis.
• Programos– buitinės LED lemputės, apatiniai šviestuvai, skydiniai šviestuvai, gatvių šviestuvai (daugelis vis dar naudoja pasyvius), lauko prožektoriai.

4.2 Aktyvus aušinimas – paprastai pridedamas ventiliatorius

• Kaip tai veikia– ventiliatorius priverčia orą virš pelekų, smarkiai padidindamas konvekcinį šilumos perdavimo koeficientą (5–10 kartų didesnis).
• Privalumai– gali išsklaidyti didelius šilumos kiekius mažame tūryje; idealiai tinka kompaktiškiems, didelės galios šviestuvams.
• Trūkumai– triukšmas (tylus ventiliatorius gali būti 20–30 dBA, bet vis tiek yra); ventiliatorius yra judanti dalis, kurios eksploatavimo laikas ribotas (paprastai 20 000–50 000 valandų, palyginti su . 50 000–100,000+ šviesos diodų atveju); ventiliatoriaus gedimas sukelia greitą perkaitimą ir lustų pažeidimą; ventiliatoriai gali nuryti dulkes ir užsikimšti arba užstrigti.
• Programos– labai didelio galios tankio scenarijai, pvz., scenos sekimo taškai, automobilių priekiniai žibintai, projektoriaus šaltiniai, kai kurios didelės šviesos.

Rekomendacija: Jei vietos nėra labai mažai ir vartotojas gali sutikti su periodine priežiūra, rinkitės pasyvų vėsinimą. Pramoniniams šviestuvams, eksportuojamiems į Europos ar Šiaurės Amerikos rinkas, daugelis klientų aiškiai reikalauja pasyvaus aušinimo, kad jie veiktų ilgai nereikalaujant priežiūros.

5. Dažnos radiatorių projektavimo ir parinkimo klaidos

• Dėmesys tik svoriui, o ne plotui– sunkus vientisas aliuminio blokas turi labai mažą paviršiaus plotą ir didelę šiluminę varžą. Šilumos kriauklė turėtų būti "peleko" konstrukcija, o ne priekalas.
• Neteisinga pelekų orientacija– Natūrali konvekcija reikalauja vertikalių kanalų, kad karštas oras galėtų pakilti. Horizontalūs pelekai blokuoja konvekciją, todėl našumas sumažėja daugiau nei 30%.
• Nepakankamas sąlyčio plotas tarp šilumos šaltinio ir šilumos kriauklės– didelis COB šviesos diodas, liečiantis tik nedidelį šilumos kriauklės plotą, negali paskleisti šilumos į visą pelekų masyvą. Reikia storos pagrindo plokštės arba garų kameros.
• Nepaisoma sąsajos tarp MCPCB ir šilumos kriauklės– nėra terminio tepalo arba tinkamo storio šiluminio trinkelės arba nepakankama varžto suspaudimo jėga palieka oro tarpą (oro laidumas tik 0,026 W/(m·K)). Ši maža sąsaja gali sudaryti daugiau nei 30 % visos sistemos šiluminės varžos.
• Pasyviojo šilumnešio įrengimas uždaroje erdvėje– jei LED šviestuvas įdedamas į beveik sandarią jungiamąją dėžę arba nukritusias lubas, karštas oras negali išeiti, pakyla aplinkos temperatūra aplink aušintuvą ir nutrūksta šiluminė pusiausvyra. Visada užtikrinkite tinkamą ventiliacijos tarpą.
• Aklai naudojant šilumos vamzdžius– šilumos vamzdžiai yra naudingi perduodant šilumą iš taškinio šaltinio į atokią vietą, tačiau daugumai įprastų LED šviestuvų gerai suprojektuotas aušintuvas negauna naudos iš šilumos vamzdžių ir padidina daug išlaidų.

6. Kaip išbandyti ir patvirtinti terminį sprendimą – praktiniai patarimai pirkėjams

Kaip pirkėjas ar specifikuotojas, negalite pasikliauti vien tik šilumos kriauklės išvaizda. Čia pateikiami veiksmingi bandymo metodai:

6.1 Termoporos temperatūros matavimas

Pritvirtinkite K tipo termoporą prie MCPCB galinės dalies arba ant radiatoriaus šalia šviesos diodo. Kai lempa veikia kambario temperatūroje (25 laipsniai ), palaukite, kol temperatūra stabilizuosis (paprastai 30+ min.) ir užrašykite temperatūrą. Tada apskaičiuokite sankryžos temperatūrą:

Tj ≈ T_litmetalis + (LED galia × Rth_j-s)

Pavyzdys: vienas šviesos diodas išsklaido 1,5 W, Rth_j-s=5 laipsnis /W, išmatuota litavimo taško temperatūra=85 laipsnis → Tj ≈ 85 + 1.5×5=92.5 laipsnis. Jei jis yra mažesnis už absoliutų maksimalų Tj duomenų lape (paprastai 110–125 laipsniai), tai paprastai yra saugu.

6.2 Šiluminio vaizdo kamera

A thermal camera shows the temperature distribution across the heat sink. In a good design, the area directly under the LED is hottest, and fin tips are cooler. If there is a local hot spot (e.g., >20 laipsnių karščiau nei aplinkinėse vietose), tai rodo prastą šilumos plitimą arba sąsajos problemą.

6.3 Senėjimas aukštoje temperatūroje

Įstatykite šviestuvą į kamerą, kurioje temperatūra reguliuojama ir nustatyta maksimaliai numatomai aplinkos temperatūrai (pvz., 40 laipsnių arba 50 laipsnių). Nepertraukiamai paleiskite šviesą šimtus valandų ir matuokite šviesos srautą kas 24 valandas, kad apskaičiuotumėte nusidėvėjimo normą. Plokštesnė liumenų palaikymo kreivė reiškia geresnį šilumos nuėmimą.

6.4 Imituotas ventiliatoriaus gedimo testas (aktyviam aušinimui)

Jei norite naudoti ventiliatoriumi aušinamą šviestuvą, paleiskite jį vardine aplinkos temperatūra, kol ji taps stabili, tada rankiniu būdu išjunkite ventiliatorių. Stebėkite LED temperatūrą. Jei jis per kelias sekundes viršija lusto ribą, pasyvioji saugos riba yra per maža – sugedus ventiliatoriui armatūra suges iš karto. Tai didelės rizikos dizainas.

7. Praktinis atrankos vadovas: Šilumos šalinimo sprendimai pagal galią ir pritaikymą

8. Santrauka: aušintuvas nėra puošmena – tai gyvenimo trukmės garantija

LED šviestuvuose šilumnešis dažnai užima didžiausią tūrį ir turi didžiausią svorį. Tai niekada nėra tik balastas. Kiekvienas aliuminio gramas, kiekvienas pelekas, kiekviena šiluminė sąsaja yra tylios kovos prieš Džaulio dėsnį dalis.

Gamintojams: kiekvienas sutaupytas centas šiluminiam dizainui sugrįš padauginus iš pretenzijų dėl garantijos ir žalos reputacijai. Pirkėjams: armatūros svėrimas, nuskaitymas naudojant terminę kamerą ir senėjimo aukštoje temperatūroje bandymas yra daug patikimesni, nei skaityti „didelio efektyvumo aušinimą“ brošiūroje.

Atminkite: šviesos diodo eksploatavimo laikas nėra duomenų lape įrašytas skaičius – jis įrašytas šilumos kriauklės konstrukcijoje.

Kai klientas klausia: „Kodėl jūsų šviesa brangesnė nei kitų su tokiais pat lustais? galite atsakyti: "Kadangi mano šilumos kriauklė leidžia lustams gyventi tiek, kiek jie buvo skirti."