Радиатор для светодиодов своими руками

Термоклей для светодиодов – алюминиевый радиатор своими руками

Устройство и принципы функционирования радиатора для светодиодов. Правила выбора материала и площади детали. Делаем радиатор своими руками легко и быстро.

Распространенное мнение, что светодиоды не нагреваются – заблуждение. Возникло оно потому, что маломощные светодиоды на ощупь не горячие. Все дело в то, что они оснащены отводчиками тепла – радиаторами.

Принцип действия теплоотвода

Главным потребителем тепла, выделяемого светодиодом, является окружающий воздух. Его холодные частицы подходят к нагретой поверхности теплообменника (радиатора), нагреваются и устремляются вверх, освобождая место новым холодным массам.

При столкновении с другими молекулами происходит распределение (рассеивание) тепла. Чем больше площадь поверхности радиатора, тем интенсивнее он передаст тепло от светодиода воздуху.

Подробнее о принципах работы светодиодов читайте здесь.

Количество поглощенного воздушной массой тепла с единицы площади не зависит от материала радиатора: эффективность естественного «теплового насоса» ограничено его физическими свойствами.

Материалы для изготовления

Радиаторы для охлаждения светодиодов различаются по конструкции и материалу.

Окружающий воздух может принять не более 5-10 Вт с единичной поверхности. При выборе материала для изготовления радиатора следует принять во внимание выполнение следующего условия: теплопроводность его должна быть не менее 5-10 Вт. Материалы с меньшим параметром не смогут обеспечить передачу всего тепла, которое может принять воздух.

Теплопроводность выше 10 Вт будет технически избыточной, что повлечет за собой неоправданные финансовые затраты без увеличения эффективности радиатора.

Для изготовления радиаторов традиционно используют алюминий, медь или керамику. В последнее время появились изделия, выполненные из теплорассеивающих пластмасс.

Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про импульсный блок питания своими руками.

Алюминиевые

Основным недостатком алюминиевого радиатора является многослойность конструкции. Это неизбежно приводит к возникновению переходных тепловых сопротивлений, преодолевать которые приходится с помощью применения дополнительных теплопроводящих материалов:

  • клейких веществ;
  • изолирующих пластин;
  • материалов, заполняющих воздушные промежутки и пр.

Алюминиевые радиаторы встречаются чаще всего: они хорошо прессуются и вполне сносно справляется с отводом тепла.

Медные

Медь обладает большей теплопроводностью, чем алюминий, поэтому в некоторых случаях ее использование для изготовления радиаторов оправдано. В целом же данный материал уступает алюминию в плане легкости конструкции и технологичности (медь – менее податливый металл).

Изготовление медного радиатора методом прессования – наиболее экономичным – невозможно. А обработка резанием дает большой процент отходов дорогостоящего материала.

Керамические

Одним из наиболее удачных вариантов теплоотводчика является керамическая подложка, на которую предварительно наносятся токоведущие трассы. Непосредственно к ним и подпаиваются светодиоды. Такая конструкция позволяет отвести в два раза больше тепла по сравнению с металлическими радиаторами.

Пластмассы теплорассеивающие

Все чаще появляется информация о перспективах замены металла и керамики на терморассеивающую пластмассу. Интерес к этому материалу понятен: стоит пластмасса намного дешевле алюминия, а ее технологичность намного выше. Однако теплопроводность обычной пластмассы не превышает 0,1-0,2 Вт/м.К. Добиться приемлемой теплопроводности пластмассы удается за счет применения различных наполнителей.

При замене алюминиевого радиатора на пластмассовый (равной величины) температура в зоне подвода температур возрастает всего на 4-5%. Учитывая, что теплопроводность теплорассеивающей пластмассы намного меньше алюминия (8 Вт/м.К против 220-180 Вт/м.К), можно сделать вывод: пластический материал вполне конкурентоспособен.

Таблица – Сравнение теплопроводности различных материалов

Материал Теплопроводность, Вт/м.К
Алюминий 120-240
Медь 401
Керамика 15-40; 100-200
Теплорассеивающие пластмассы 1 – 40
Термопаста 0,1 – 10

Конструктивные особенности

Конструктивные радиаторы делятся на две группы:

  • игольчатые;
  • ребристые.

Первый тип, в основном, применяется для естественного охлаждения светодиодов, второй – для принудительного. При равных габаритных размерах пассивный игольчатый радиатор на 70 процентов эффективнее ребристого.

Но это не значит, что пластинчатые (ребристые) радиаторы годятся только для работы в паре с вентилятором. В зависимости от геометрических размеров, они могут применяться и для пассивного охлаждения.

Обратите внимание на расстояние между пластинами (или иглами): если оно составляет 4 мм – изделие предназначено для естественного отвода тепла, если зазор между элементами радиатора всего 2 мм – его необходимо комплектовать вентилятором.

Оба типа радиаторов в поперечном сечении могут быть квадратными, прямоугольными или круглыми.

Рекомендуем Вам также ознакомиться с электромагнитным устройством – дроссель для ламп.

Расчет площади радиатора

Методики точного расчета параметров радиатора предполагают учет множество факторов:

  • параметры окружающего воздуха;
  • площадь рассеивания;
  • конфигурацию радиатора;
  • свойства материала, из которого изготовлен теплообменник.

Но все эти тонкости нужны для проектировщика, разрабатывающего теплоотвод. Радиолюбители чаще всего используют старые радиаторы, взятые из отслужившей свой срок радиоаппаратуры. Все, что им надо знать – какова максимальная рассеиваемая мощность теплообменника.

Подсчитать этот параметр можно по формуле:

Ф = а х Sх (Т1 – Т2), где

  • Ф – тепловой поток (Вт);
  • S – площадь поверхности радиатора (сумма площадей всех ребер или иголок и подложки в кв. м). Подсчитывая площадь, следует иметь в виду, что ребро или пластина имеет две поверхности отвода тепла. То есть площадь теплоотвода прямоугольника площадью 1 см2 составит 2 см2. Поверхность иглы рассчитывается как длина окружности (π х D), умноженная на ее высоту;
  • Т1 – температура теплоотводящей среды (граничной), К;
  • Т2 – температура нагретой поверхности, К;
  • а – коэффициент теплоотдачи. Для неполированных поверхностей принимается равным 6-8 Вт/(м2К).

Есть еще одна упрощенная формула, полученная экспериментальным путем, по которой можно рассчитать необходимую площадь радиатора:

S = [22 – (M x 1.5)] x W, где

  • S – площадь теплообменника;
  • W – подведенная мощность (Вт);
  • M – незадействованная мощность светодиода.

Для ребристых радиаторов, изготовленных из алюминия, можно воспользоваться примерными данными, представленными тайваньскими специалистами:

  • 1 Вт – от 10 до 15 см2;
  • 3 Вт – от 30 до 50 см2;
  • 10 Вт – около 1000 см2;
  • 60 Вт – от 7000 до 73000 см2.

Однако следует учесть, что вышеприведенные данные неточные, так как они указываются в диапазонах с достаточно большим разбегом. К тому же определены данные величины для климата Тайваня. Их можно использовать только для проведения предварительных расчетов.

Получить наиболее достоверный ответ об оптимальном способе расчета площади радиатора можно на следующем видео:

Сделать своими руками

Радиолюбители редко берутся за изготовление радиаторов, поскольку этот элемент – вещь ответственная, напрямую влияющая на долговечность светодиода. Но в жизни бывают разные ситуации, когда приходится мастерить теплоотводчик из подручных средств.

Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про изготовление диммера своими руками.

Вариант 1

Самая простая конструкция самодельного радиатора – круг, вырезанный из листа алюминия с выполненными на нем надрезами. Полученные сектора немного отгибаются (получается нечто, похожее на крыльчатку вентилятора).

По осям радиатора отгибаются 4 усика для крепления конструкции к корпусу лампы. Светодиод можно закрепить через термопасту саморезами.

Вариант 2

Радиатор для светодиода можно изготовить своими руками из куска трубы прямоугольного сечения и алюминиевого профиля.

  • труба 30х15х1,5;
  • пресс-шайба диаметром 16 мм;
  • термоклей;
  • термопаста КТП 8;
  • профиль 265 (Ш-образный);
  • саморезы.

В трубе для улучшения конвекции сверлятся три отверстия диаметром 8 мм, а в профиле – отверстия диаметром 3,8 мм – для его крепления саморезами.

Светодиоды приклеиваются к трубе – основанию радиатора – при помощи термоклея.

В местах соединения деталей радиатора наносится слой термопасты КТП 8. Затем производится сборка конструкции с помощью саморезов с пресс шайбой.

Способы крепления светодиодов к радиатору

Светодиоды прикрепляют к радиаторам двумя способами:

  • механическим;
  • приклеиванием.

Приклеить светодиод можно на термоклей. Для этого на металлическую поверхность наносится капелька клеящей массы, затем на нее садится светодиод.

Для получения прочного соединения светодиод необходимо на несколько часов придавить небольшим грузом – до полого высыхания клея.

Однако большинство радиолюбителей предпочитают механическое крепление светодиодов. Сейчас выпускаются специальные панели, с помощью которых можно быстро и надежно смонтировать светодиод.

В некоторых моделях предусмотрены зажимы для вторичной оптики. Монтаж выполняется просто: на радиатор устанавливается светодиод, на него – панелька, которая крепится к основанию саморезами.

Но не только радиаторы для светодиода можно изготовить самостоятельно. Любителям заниматься растениями рекомендуем ознакомиться со светодиодной лампой для рассады своими руками.

Качественное охлаждение светодиода является залогом долговечности светодиода. Поэтому к подбору радиатора следует подходить со всей серьезностью. Лучше всего использовать готовые теплообменники: они продаются в магазинах радиотоваров. Стоят радиаторы недешево, зато легко монтируются и светодиод защищает от избытка тепла надежнее.

Изготавливаем своими руками радиатор для светодиодов

Светодиоды появились всего несколько лет назад. Но они уже успели закрепить за собой лидерские позиции на рынке осветительной продукции. Они могут применяться не только в системах освещения, но и в различных поделках или любительских схемах. Когда имеешь дело с led, нужно обязательно позаботиться о вариантах охлаждения. Одним из способов охлаждения светодиодов является установка радиатора.

Радиаторы для охлаждения светодиодов

Наша статья раскроет вам все тайны, как можно правильно и при этом своими руками собрать устройство для охлаждения.

Зачем необходим теплоотводник

Прежде чем приступить к самостоятельной сборке теплоотводника для светодиодов, необходимо знать особенности самого источника света.
Светодиоды представляют собой полупроводники, которые имеют две ножки (“+” и “-”) т.е. они обладают полярностью.

Чтобы правильно изготовить для них радиатор, необходимо провести определенный расчет. В первую очередь этот расчет должен включать измерения напряжения, а также силу тока. Кроме этого необходимо помнить, что любое электроемкое устройство, включая светодиоды, отличает тенденцией к нагреванию. Поэтому здесь и нужна система охлаждения.
Проводя расчет, помните — лишь 1/3 от указанной мощности источника света будет преобразоваться в световой поток (например, 3-3,5 из 10w). Поэтому основная часть составит тепловые потери. Для того чтобы минимизировать теплопотери и используют радиаторы.

Обратите внимание! Перегревание светодиода приводит к уменьшению его срока эксплуатации. Поэтому использование радиатора позволяет еще и продлить «жизнь» источнику света.

Поэтому схемы светодиодов иметь комплекс охлаждения всех основных элементов.
Сегодня для охлаждения элементов электросхемы, в которую входят светодиоды, можно использовать три варианта теплоотведения:

  • через корпус прибора (не всегда можно реализовать);
  • через печатную плату. Охлаждение ведется через неосновные проводящие дорожки, по которым течет ток;
  • с помощью радиатора. Он подходит как к платам, так и к светодиодам.

Обратите внимание! В последней ситуации необходимо правильно провести расчет того, какой именно площади он должен быть.

Радиатор на светодиодах

Самым эффективным способом охлаждения светодиодов является использование радиатора, который легко можно соорудить самостоятельно. Главное помните, что на работу теплоотводчика влияет форма и количество ребер.

Особенности конструкции теплоотводчиков

Озадачившись собственноручно собрать радиатор, подходящий для светодиодов, многие задаются вполне закономерным вопросом «какой лучше?». Ведь сегодня существуют две группы теплоотводчиков, которые различаются по своим конструкционным особенностям:

  • игольчатые. Чаще применяются для системы охлаждения естественного типа. Такие модели применяются для мощных светодиодов;

  • ребристые. Используются в системах принудительного охлаждения. Их выбирают в зависимости от геометрических параметров. При этом они могут применяться и для охлаждения мощных светодиодов.

Выбирая тип теплоотводчика необходимо помнить, что игольчатый пассивный аппарат превышает эффективность ребристой модели на 70%.
Радиатор любой конструкции (ребристой или игольчатой) может иметь различную форму:

  • квадратную;
  • круглую;
  • прямоугольную.

Вариант радиатора, подходящего для светодиодов, следует выбирать в зависимости от потребностей в системе охлаждения.

Особенности вычислений

Расчет схемы для создания своими руками радиатора всегда следует начинать с подбора элементной базы. Не забывайте, что номинал здесь должен отвечать не только потенциалу собираемого теплоотводчика, но и предотвращению создания дополнительных потерь. Иначе самодельный аппарат будет иметь низкую эффективность. И в первую очередь для этого необходимо провести расчет площади радиатора.
Что должен включать расчет такого параметра, как площадь:

  • модификация аппарата;
  • какая имеется площадь рассеивания;
  • показатели окружающего воздуха;
  • материал, из которого изготавливается теплоотводчик.

Такие нюансы необходимо учитывать тогда, когда проектируется новый радиатор, а не переделывается старый. Самым важным для самостоятельно сборки теплоотводника будет показатель максимально допустимого рассеивания мощности теплообменного элемента.
Чтобы рассчитать площадь радиатора существует два способа.
Первый метод расчета. Для того чтобы определить требуемую площадь, нужно использовать формулу F = а х S х (T1 – T2), где:

  • F — тепловой поток;
  • S – площадью поверхности теплоотводчика;
  • T1 — показатель температуры среды, которая отводит тепло;
  • T2 — температура, которую имеет нагретая поверхность;
  • а – коэффициент, отражающий теплоотдачу. Данный коэффициент для неполированных поверхностей условно принимается равным 6-8 Вт/(м2К).

Используя этот способ расчета необходимо помнить, что пластина или ребро имеют две поверхности для отвода тепла. При этом расчет поверхности иглы проводится с помощью длины окружности (π х D), которую нужно умножить на показатель высоты.
Второй метод расчета. Здесь используется несколько упрощенная формула, выведенная экспериментальным путем. В данном случае используется формула S = [22 – (M x 1,5)] x W, где:

  • S — площадь теплообменника;
  • M – незадействованная мощность светодиода;
  • W – подведенная мощность (Вт).

При этом если будет изготавливаться ребристый алюминиевый аппарат, можно использовать в расчетах данные, которые получили тайванские специалисты:

  • 60 Вт – от 7000 до 73000 см2;
  • 10 Вт – около 1000 см2;
  • 3 Вт – от 30 до 50 см2;
  • 1 Вт – от 10 до 15 см2.

Но в такой ситуации необходимо помнить, что приведенные выше данные подходят к климатическим условиям Тайваня. В нашем случае их стоит брать только лишь при проведении предварительных вычислений.

Материал для изготовления теплоотводчика

Срок службы светодиодов непосредственно зависит от того, какой материал задействован в полупроводнике, а также от качественности работы системы охлаждения.
При выборе материала для теплоотводчика, необходимо руководствоваться следующим:

  • материал должен иметь теплопроводность не менее 5-10 Вт;
  • уровень теплопроводности должен быть выше 10 Вт.

В связи с этим, для изготовления теплоотводчика стоит использовать такие материалы:

  • алюминий. Алюминиевый вариант на сегодняшний день для охлаждения светодиодов используют чаще всего. Но при этом алюминиевый теплоотводчик имеет существенный минус – состоит из ряда слоев. В результате такого строения алюминиевый аппарат провоцирует тепловые сопротивления. Их преодолеть можно только с помощью дополнительных теплопроводных материалов, в роли которых может выступать изоляционные пластины;

Обратите внимание! Алюминиевый радиатор, несмотря на свой недостаток, отлично справляется с отводом тепла. Здесь используется алюминиевая пластинка, которая обдувается вентилятором.

  • керамика. Керамические теплоотводчики имеют специальные трассы, по которым проводится ток. К этим же трассам припаиваются светодиоды. Такие изделия способны отводить в два раза больше тепла;
  • медь. Здесь имеется медная пластинка. Ее отличает более высокая теплопроводность, нежели у алюминия. Но медь уступает алюминию в технических характеристиках и весе. При этом медь — не податливый металл, а после обработки остается много обрезков;

Радиатор из меди

  • пластмасса. К достоинствам стоит отнести доступную стоимость, а также высокий уровень технологичности. При этом в минусах здесь меньшая теплопроводность.

Как видим, самым оптимальным вариантом по цене и качеству будет изготовление своими руками радиатора для светодиодов из алюминия. Рассмотрим несколько способов того, как можно сделать теплоотводчик для светодиодов.

Каким образом изготавливаются теплоотводчики

Не все радиолюбители с охотой берутся за изготовление подобных устройств. Ведь оно будет выполнять ведущую роль. От того, насколько качественно будет сделан своими руками теплоотводчик, зависит срок эксплуатации осветительной установки, выполненной из светодиодов. Поэтому многие предпочитают не рисковать и покупать аппараты для системы охлаждения в специализированных магазинах.

Самодельный радиатор для диодов

Но бывают ситуации, когда нет возможности купить, но его можно изготовить из подручных средств, которые без проблем отыщутся в домашней лаборатории любого радиолюбителя. И здесь подходят два способа изготовления.

Первый способ самостоятельной сборки

Самой простой конструкцией для самодельного радиатора, конечно же, будет круг. Его можно вырезать следующим образом:

  • из листа алюминия вырезаем круг и делаем на нем необходимое количество надрезов;

Разрезаный круг из алюминия

  • далее отгибаем немного сектора. В результате получается некое подобие вентилятора;
  • по осям необходимо отогнуть 4 усика. С их помощью устройство будет крепиться к корпусу лампы;
  • светодиоды на таком радиаторе можно закрепить при помощи термопасты.

Готовый радиатор для диодов круглой формы

Как видим, это достаточно простой способ изготовления.

Второй способ самостоятельной сборки

Охлаждающий аппарат, который будет подключаться к светодиодам, можно самостоятельно сделать их куска трубы, которая имеет прямоугольное сечение, а также из алюминиевого профиля. Здесь вам понадобятся:

  • пресс-шайба с диаметром 16 мм;
  • труба 30х15х1,5;
  • термопаста КТП 8;
  • Ш-образный профиль 265;
  • термоклей;
  • саморезы.

Делаем радиатор следующим образом:

  • в трубе просверливаем три отверстия;

Вариант трубы для радиатора

  • далее сверлим профиль. С его помощью будет осуществляться крепление к лампе;
  • светодиоды крепим к трубе, которая будет выступать в качестве основания теплоотводчика, с помощью термоклея;
  • в местах соединения элементов радиатора наносим слой термопасты КТП 8;
  • осталось собрать конструкцию с помощью саморезов, оснащенных пресс шайбой.

Данный способ будет несколько сложнее в реализации, чем первый вариант.

Заключение

Зная, что собой представляет радиатор, подключаемый к светодиодам, его вполне можно изготовить своими руками из подручных средств. Его правильная сборка поможет вам не только эффективно охлаждать осветительную установку, но и избежать ситуации снижения сроков эксплуатации светодиодов.

Все о радиаторах для светодиодов

При сборке светодиодного прибора немаловажно правильно выбрать, спроектировать и установить систему для его охлаждения — радиатор для светодиодов. Если тепловой режим для работы светодиода подобран неверно — это впоследствии приведет к его перегреву и выходу из строя.

  1. Зачем нужно охлаждать светодиод
  2. Как охлаждать светодиод
  3. Типы радиаторов
  4. Материалы для радиаторов
  5. Проводим расчет площади радиатора
  6. Как сделать радиатор своими руками

Зачем нужно охлаждать светодиод

Мнение о том, что светодиод не нагревается ошибочно. Оно строится на том, что прикасаясь к такому маломощному прибору, не чувствуешь тепла. Согласно, закона сохранения энергии: энергия не появляется из ничего и не пропадает бесследно, а преобразуется из одного вида в другой. Светодиоды, как твердотельные источники света, излучают видимую часть спектра и выделяют при этом тепло. Вследствие термоэлектрических явлений, происходящих в полупроводниковых светодиодах, выделяется тепло. В прямой зависимости от температуры нагрева светодиодов меняются его показатели и характеристики. Такая сильная зависимость показателей от температуры приводит к тому, что:

Рис. 1. График зависимости показателя относительного светового потока от температуры перехода (светодиод MKR)

  • полупроводниковый переход при нагреве светодиодного кристалла деградирует, и он быстро изнашивается, а срок эксплуатации снижается;
  • тепловой рубеж у светодиодов, после которого наступает пробой, достигается после повышения температуры до 150°С. В зависимости от применяемых материалов, изменяется количество светового потока и срока износа;
  • постепенно уменьшается количество светового потока, что отражают кривые зависимости, изображенные на Рис.1;
  • с изменением температуры меняется и величина прямого падения напряжения на светодиоде. При нагреве источника света увеличивается показатель прямого падения напряжения. На графиках кривыми изображается такая зависимость.

Перечисленные выше причины являются серьезным поводом, чтобы обеспечить отвод тепла от светодиодного прибора.

Как охлаждать светодиод

Эффективным способом охлаждения кристалла будет отвод избыточного тепла, используя явление теплопроводности.

В радиоэлектронике для теплоотвода применяют радиаторы, с помощью которых тепло отводят в атмосферу двумя способами. При первом способе охлаждения – пассивном, одна часть тепловых инфракрасных волн излучается в атмосферу, а вторая уходит благодаря конвекции теплого воздуха от радиатора (Рис. 2). В светодиодах с невысокой мощностью при этом пассивном способе тепловой конвекции тепло проводится через металлические контакты, показатель теплопроводности которых позволяет в достаточном объеме отводить его излишки от кристалла. Более длинные контакты позволяют лучше отводить и рассеивать тепло по плате. Недостатком пассивного метода является большой размер, вес и высокая стоимость устанавливаемого теплоотвода.

Рис. 2. Пассивный способ тепловой конвекции

Турбулентная конвекция относится ко второму активному способу охлаждения. Для вывода тепла из мощных светодиодных приборов на радиаторе закрепляется смонтированный на подложке кристалл.

Размеры, форма и количество ребер радиатора напрямую зависят от мощности диода. В систему встроены механические устройства и вентиляторы, создающие активные потоки воздуха (Рис.3). К примеру, лампы мощностью 20 ватт в фарах автомашин бизнес-класса принудительно обдуваются встроенными куллерами. Этот способ более производительный, но применим только в условиях хорошей погоды и отсутствии большой запыленности помещения.

Рис.3. Вентиляторы для активного способа охлаждения

Установка радиатора снижает процесс перегрева светодиода, что позволяет в несколько раз увеличить срок его эксплуатации.

Типы радиаторов

Перед сборкой устройства необходимо определиться с типом используемого радиатора:

  • штыревой или игольчатый (Рис.5);
  • ребристый (Рис.4).

При необходимости естественного охлаждения источника света применяют первый тип, а в случае принудительного — второй. Обычно штыревой, при одинаковых размерах с ребристым, производительнее на 70 %.

Рис.4. Радиатор ребристый

Радиатор ребристого типа в основном применяют при активном способе отвода тепла. Но при определенных геометрических параметрах его используют в пассивном способе.

Рис.5. Радиатор игольчатый

Когда дистанция между иглами равна 4 мм, устройство предназначается для естественного теплоотвода, а при зазоре 2 мм радиатор укомплектовывают вентилятором.

Материалы для радиаторов

Для долгой и производительной работы светодиода очень важно подобрать качественный материал для радиатора. Его выбирают по определенным требованиям и показателям. Показатель теплопроводности должен находиться в пределах 6-10 Вт. При более низком показателе материал не проведет тепло, которое попадает в воздух. При показателе теплопроводности выше 10 Вт, эффективность работы устройства по техническим показателям не возрастет, а затраты на материал будут лишней тратой денег. Наиболее подходящими материалами при производстве считаются алюминий, керамика, медь. В редких случаях изготавливают прибор из материалов, включающих в состав пластмассы, способствующие рассеиванию тепла.

Светодиодный радиатор чаще всего изготавливают из прессованного алюминия, поскольку он лучше других материалов отводит тепло. Главным изъяном алюминиевого радиатора для светодиодов считают большое количество слоев в изделии, что способствует появлению переходного теплового сопротивления. Что бы преодолеть такое сопротивление, необходимо добавить в изделие материалы, обладающие теплопроводными свойствами и заполняющие воздушные прослойки: клеящие вещества, изоляционные пластины и др.

Преимущество медного радиатора, по сравнению с алюминиевым, в более высокой теплопроводности. Недостаток его в более тяжелом весе изделия и меньшей податливости металла. Метод прессования медного и обработка резанием очень затратные способы изготовления.

Более приемлемым вариантом отвода тепла является подложка из керамики. К ее токоведущим трассам припаивают светодиоды, что позволяет увеличить теплоотвод в два раза по сравнению радиаторами, изготовленными из металла.

Рассеивающая тепло пластмасса по стоимости дешевле алюминиевого изделия. Так как теплопроводность самой пластмассы составляет — 0,2 Вт/м, то достичь приемлемого показателя возможно, только за счет добавления наполнителей. Если алюминиевый радиатор заменить на пластмассовый, такого же размера, то температура в зоне подвода увеличится на 5%.

Проводим расчет площади радиатора

Обратите внимание, для правильного расчета площади радиатора учитывают параметры полезной площади рассеивания, а не поверхностной площади.

При подсчете полезной площади (S) включают сумму площадей ребер и подложки в квадратных метрах. Нужно учесть, что у каждого ребра две отводящие поверхности. В таком случае S теплоотвода прямоугольной формы S — 1 см 2 составляет — 2 см 2 .

В результате проводимых экспериментов была выведена формула расчета требуемой площади теплоотвода:

S = (22 – (M x 1.5)) x W, в которой

S – площадь теплоотвода радиатора; W –мощность подведенная (Вт); M –мощность светодиода. Для пластинчатых радиаторов сделанных из алюминия можно применить следующие примерные данные рассчитанные специалистами из Тайвани:

  • 1 Вт: 10 ÷ 15 см 2 ;
  • 3 Вт: 30 ÷ 50 см 2 ;
  • 10 Вт: приблизительно 1000 см 2 ;
  • 60 Вт: 7000 73000 см 2 .

Поскольку диапазон указанных данных имеет большой разбег и определены они в условиях для климата южной страны, то величины не являются абсолютно точными и подходят для предварительного подсчета.

Более подробную информацию о расчете площади радиатора можно получить, просмотрев видео.

Как сделать радиатор своими руками

Радиатор — важная деталь в работе LED, от его качества зависит долговечность светодиода. Сделать своими руками радиатор из подручных материалов можно следующим способом:

    Самодельно. Вырезав круг из листового алюминия, по краям делают надрезы. Как показано на Рис.6, усики отгибают как у вентилятора. 4 усика отдельно отгибают по осям теплоотвода для последующего прикрепления конструкции к основанию светодиода. Закрепить конструкцию можно саморезами, предварительно нанеся термопасту.

Рис.6. Самодельный алюминиевый радиатор.

  • При втором способе используют профиль (из алюминия) и отрез трубы с прямоугольным сечением 30х15х1,5. (Рис.7). Дополнительные материалы: профиль 265, пресс-шайба 16 мм, термоклей, термопаста, саморезы. Сначала просверливают в трубе 3 отверстия 8 мм, потом в профиле – 3,8 мм – для последующего закрепления саморезами. Термоклеем клеят источник света к трубе, как к основанию, предварительно наносят термопасту в местах приклеиваемых частей. Используя саморезы и пресс-шайбы собирают всю конструкцию.

    • Чтобы соединение получилось прочным, светодиод после нанесения клея придавливают на четыре часа не тяжелым грузом.

    Рис.7. Профильная труба для радиатора

    Выбирая радиатор для светодиода стоит обязательно учесть тип материала из которого он состоит и его площадь. Не правильно подобранный радиатор существенно сократит срок службы светодиода, а в некоторых случаях может и вовсе вывести его из строя в первые часы работы.

    Hawk82 › Блог › 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.

    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.

    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.

    Какую площадь охлаждающей поверхности выбрать. Чтобы не заморачиваться, есть ориентировочная цифра 20 сантиметров квадратных на 1Вт «светодиодной» мощности. Кто-то пишет меньше, кто-то больше. cxdsee занимается этим вопросом, у него есть посты на эту тему. И теперь мы подошли к главному вопросу: зачем радиатор маломощным SMD светодиодам. Буду разжевывать на частных примерах. Мы разобрались, что у них тепло выводится через выводы, т.е. другими словами снаружи светодиода греются только выводы. Берем мы такой светодиод, припаиваем на плату из текстолита. Причем площадки под вывода светодиода ровно такие, чтоб можно было его припаять, дорожки узкие. Текстолит тепло проводит плохо, что у нас получается? Правильно, роль радиатора играют только вывода светодиода, т.е. этого мало. Здесь же разжую дальше. Приходит много комментариев, я, мол, спаял с узкими дорожками и ничего у меня не греется. Ну конечно не греется, как ты это определишь. Пластиковый чайник с кипятком тоже не особо горячий на ощупь. Надеюсь, метафора понятна? Корпус светодиода тепло проводит плохо, текстолит тоже, а трогаете вы именно их, не удивительно, что они не горячие. Попробуйте потрогать именно вывода светодиода, удивитесь. Хотя в аудюху давно еще ставил лампочку с 6ю SMD5050 в кучу, так там и до текстолита не дотронуться было. Правильный способ – оставлять дорожки максимально широкими, оставляйте даже целые площадки, это и будет радиатор. Потрогав такую плату уже можно более менее адекватно оценить реальный нагрев светодиодов. Повторю, трогая снаружи SMD светодиоды, вы не поймете, горячие они или нет. По этой же причине и ангельские глазки ни у кого не греются, типа. А потом у людей, почему-то, светодиоды в них дохнуть начинают и они про неон вспоминают. Уже сам смартус уклончиво написал, что есть определенные трудности с охлаждением, будем решать.
    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.

    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.

    • 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.