Заявлений термін служби світлодіодів нараховує десятки тисяч годин. Щоб досягти такого високого показника, не погіршивши при цьому оптичні характеристики, потужні світлодіоди необхідно використовувати в парі з радіатором. Ця стаття дозволить читачеві знайти відповіді на питання, пов'язані з розрахунком та вибором радіатора, їх модифікаціями та факторами, що впливають на відведення тепла.

А навіщо він потрібний?

Поряд з іншими напівпровідниковими приладами світлодіод не є ідеальним елементом зі 100% коефіцієнтом корисної дії (ККД). Більшість споживаної ним енергії розсіюється в тепло. Точне значення ККД залежить від типу випромінюючого діода та технології його виготовлення. Ефективність слаботочних світлодіодів становить 10-15%, а й у сучасних білих потужністю понад 1 Вт її значення сягає 30%, отже, інші 70% витрачаються тепло.

Яким би не був світлодіод, для стабільної та тривалої роботи йому необхідне постійне відведення теплової енергії від кристала, тобто радіатор. У слаботочних led функцію радіатора виконують висновки (анод та катод). Наприклад, SMD 2835 висновок анода займає майже половину нижньої частини елемента. У потужних світлодіодах абсолютна величина потужності, що розсіюється, на кілька порядків більше. Тому нормально функціонувати без додаткового тепловідведення вони можуть. Постійне перегрів світловипромінюючого кристала в рази знижує термін служби напівпровідникового приладу, сприяє плавній втраті яскравості зі зміщенням робочої довжини хвилі.

Види

Конструктивно всі радіатори можна розділити на три великі групи: пластинчасті, стрижневі та ребристі. У всіх випадках основа може мати форму кола, квадрата чи прямокутника. Товщина основи має принципове значення при виборі, тому що саме ця ділянка несе відповідальність за прийом та рівномірний розподіл тепла по всій поверхні радіатора.

На форм-фактор радіатора впливає майбутній режим роботи:

• із природною вентиляцією;
• із примусовою вентиляцією.

Радіатор охолодження для світлодіодів, який використовуватиметься без вентилятора, повинен мати відстань між ребрами не менше 4 мм. А якщо ні, то природної конвекції не вистачить для успішного відведення тепла. Яскравим прикладом служать системи охолодження комп'ютерних процесорів, де рахунок потужного вентилятора відстань між ребрами зменшено до 1 мм.

При проектуванні світлодіодних світильників велике значення приділяється їх зовнішньому вигляду, що дуже впливає на форму тепловідведення. Наприклад, система відведення теплової енергії світлодіодної лампи не повинна виходити за межі стандартної грушоподібної форми. Цей факт змушує розробників вдаватися до різних хитрощів: використовувати друковані плати з алюмінієвою основою, з'єднуючи їх із корпусом-радіатором за допомогою термоклею.

Матеріали виготовлення радіаторів

В даний час охолодження потужних світлодіодів виробляють переважно на алюмінієвих радіаторах. Такий вибір обумовлений легкістю, низькою вартістю, податливістю в обробці та хорошими теплопровідними властивостями металу. Монтаж мідного радіатора для світлодіода виправданий у світильнику, де першорядне значення мають розміри, тому що мідь вдвічі краще розсіює тепло, ніж алюміній. Властивості матеріалів, які найчастіше використовуються для охолодження потужних світлодіодів, розглянемо детальніше.

Алюмінієві

Коефіцієнт теплопровідності алюмінію знаходиться в межах 202–236 Вт/м*К та залежить від чистоти металу. За цим показником він у 2,5 рази перевищує залізо та латунь. Крім цього, алюміній піддається різним видам механічної обробки. Для збільшення тепловідвідних властивостей алюмінієвий радіатор анодують (покривають чорний колір).

Мідні

Теплопровідність міді становить 401 Вт/м*К, поступаючись серед інших металів лише сріблу. Проте мідні радіатори зустрічаються набагато рідше за алюмінієві, що обумовлено наявністю низки недоліків:

• висока вартість міді;
• складна механічна обробка;
• велика маса.

Застосування мідної конструкції, що охолоджує, веде до збільшення собівартості світильника, що неприпустимо в умовах жорсткої конкуренції.

Керамічні

Новим рішенням у створенні високоефективних тепловідводів стала алюмонітридна кераміка, теплопровідність якої становить 170-230 Вт/м*К. Цей матеріал відрізняється низькою шорсткістю та високими діелектричними властивостями.

Із застосуванням термопластику

Незважаючи на те, що властивості теплопровідних пластмас (3–40 Вт/м*К) гірші, ніж у алюмінію, їх головними перевагами є низька собівартість та легкість. Багато виробників світлодіодних ламп використовують термопластик для виготовлення корпусу. Однак термопластик програє конкуренцію металевим радіаторам у проектуванні світлодіодних світильників потужністю понад 10 Вт.

Особливості охолодження потужних світлодіодів

Як зазначалося раніше, забезпечити ефективне відведення тепла від світлодіода можна за допомогою організації пасивного або активного охолодження. Світлодіоди потужністю споживання до 10 Вт доцільно встановлювати на алюмінієві (мідні) радіатори, так як їх масогабаритні показники матимуть прийнятні значення.

Застосування пасивного охолодження для світлодіодних матриць потужністю 50 Вт і більше стає скрутним; розміри радіатора становитимуть десятки сантиметрів, а маса зросте до 200-500 грам. В цьому випадку варто задуматися про застосування компактного радіатора разом із невеликим вентилятором. Цей тандем дозволить знизити масу та розміри системи охолодження, але створить додаткові труднощі. Вентилятор необхідно забезпечити відповідною напругою живлення, а також подбати про захисне відключення світлодіодного світильника у разі поломки кулера.

Існує ще один спосіб охолодження потужних світлодіодних матриць. Він полягає у застосуванні готового модуля SynJet, що зовні нагадує кулер для відеокарти середньої продуктивності. Модуль SynJet відрізняється високою продуктивністю, тепловим опором не більше 2 °C/Вт та масою до 150 г. Його точні розміри та вага залежать від конкретної моделі. До недоліків варто віднести необхідність у джерелі живлення та високу вартість. В результаті виходить, що світлодіодну матрицю в 50 Вт потрібно кріпити або на громіздкий, але дешевий радіатор, або на маленький радіатор з вентилятором, блоком живлення та системою захисту.

Яким би не був радіатор, він здатний забезпечити добрий, але не найкращий тепловий контакт із підкладкою світлодіода. Для зниження теплового опору на поверхню, що контактується, наносять теплопровідну пасту. Ефективність її впливу доведена повсюдним застосуванням у системах охолодження комп'ютерних процесорів. Якісна термопаста стійка до затвердіння і має низьку в'язкість. При нанесенні на радіатор (підкладку) достатньо одного тонкого рівного шару по всій площі зіткнення. Після притиску та фіксації товщина шару складе близько 0,1 мм.

Розрахунок площі радіатора

Існують два методи розрахунку радіатора для світлодіода:

• проектний, суть якого полягає у визначенні геометричних розмірів конструкції при заданому температурному режимі;
• перевірочний, який передбачає діяти у зворотній послідовності, тобто за відомих параметрів радіатора можна розрахувати максимальну кількість теплоти, яку він здатний ефективно розсіювати.

Застосування тієї чи іншої варіанти залежить від наявних вихідних даних. У будь-якому випадку точний розрахунок – це складне математичне завдання з безліччю параметрів. Крім уміння користуватися довідковою літературою, брати необхідні дані з графіків та підставляти їх у відповідні формули, слід враховувати конфігурацію стрижнів або ребер радіатора, їхню спрямованість, а також вплив зовнішніх факторів. Також варто враховувати і якість самих світлодіодів. Найчастіше у світлодіодах китайського виробництва реальні характеристики розходяться із заявленими.

Точний розрахунок

Перш ніж перейти до формул і розрахунків, необхідно ознайомитися з основними термінами у сфері поширення теплової енергії. Теплопровідність є процесом передачі теплової енергії від більш нагрітого фізичного тіла до менш нагрітого. Кількісно теплопровідність виражається як коефіцієнта, який показує, скільки теплоти здатний передати матеріал через одиницю площі при зміні температури на 1°K. У світлодіодних світильниках всі частини, задіяні в обміні енергії, повинні мати високу теплопровідність. Зокрема це стосується передачі енергії від кристала до корпусу, а потім до радіатора та повітря.

Конвекція – теж процес передачі тепла, що відбувається рахунок руху молекул рідин і газів. Стосовно світлодіодних світильників прийнято розглядати обмін енергією між радіатором і повітрям. Це може бути природна конвекція, що відбувається за рахунок природного переміщення повітряного потоку або примусова, організована за рахунок установки вентилятора.

На початку статті вказувалося, що близько 70% споживаної світлодіодом потужності витрачається в тепло. Щоб розрахувати радіатор для світлодіодів, необхідно знати точну кількість енергії, що розсіюється. Для цього скористаємося формулою:

P Т = k * U ПР * I ПР, де:

P Т - потужність, що виділяється у вигляді тепла, Вт;
k – коефіцієнт, що враховує відсоток енергії, яка переходить у тепло. Ця величина для потужних світлодіодів приймається 0,7-0,8;
U ПР - Пряме падіння напруги на світлодіоді при протіканні номінального струму, В;
I ПР – номінальний струм, А.А.

Настав час порахувати кількість перешкод, які розташовані на шляху проходження теплового потоку від кристала до повітря. Кожна перешкода є тепловим опором (termal resistance), що позначається символом (Rθ, градус/Вт). Для наочності всю систему охолодження представляють у вигляді схеми заміщення із послідовно-паралельного включення теплових опорів

Rθ ja = Rθ jc + Rθ cs + Rθ sa де:

Rθ jc - тепловий опір p-n-перехід-корпус (junction-case);
Rθ cs – тепловий опір корпус-радіатор (case-surfase radiator);
Rθ sa – тепловий опір радіатор-повітря (surfase radiator-air).

Якщо передбачається встановлювати світлодіод на друковану плату або використовувати термопасту, також потрібно врахувати їх теплові опори. Насправді значення Rθsa можна визначити двома способами.

Rθ ja - опір p-n-перехід-повітря;
T j – максимальна температура p-n-переходу (довідковий параметр), ° C;
Ta – температура повітря поблизу радіатора, °C.

Rθ sa = Rθ ja -Rθ jc -Rθ cs , де Rθ jc та Rθ cs – довідкові параметри.

Знайти із графіка «залежність максимального теплового опору від прямого струму».

За відомим Rθ sa вибирають стандартний радіатор. При цьому паспортне значення теплового опору має бути трохи меншим за розрахунковий.

Приблизна формула

Багато радіоаматорів звикли використовувати у своїх саморобках радіатори, що залишилися від старої електронної апаратури. При цьому вони не бажають заглиблюватись у складні обчислення та купувати дорогі новинки імпортного виробництва. Як правило, їх цікавить лише питання: «Яку потужність може розсіяти наявний алюмінієвий радіатор для світлодіодів?»

Пропонуємо скористатися простою емпіричною формулою, що дозволяє отримати прийнятний результат розрахунку: Rθ sa =50/√S, де S – площа поверхні радіатора см 2 .

Підставляючи в цю формулу відоме значення сумарної площі тепловідведення з урахуванням поверхні ребер (стрижнів) та бічних граней, отримуємо його тепловий опір.

Допустиму потужність розсіювання знаходимо з формули: P т = (T j -T a) / Rθ ja .

Наведений розрахунок не враховує багато нюансів, що впливають на якість роботи всієї системи охолодження (спрямованість радіатора, температурні характеристики світлодіоду тощо). Тому отриманий результат рекомендується множити коефіцієнт запасу – 0,7.

Радіатор для світлодіода своїми руками

Зробити алюмінієвий радіатор світлодіодів 1, 3 або 10 Вт своїми руками нескладно. Спочатку розглянемо просту конструкцію, виготовлення якої потрібно близько півгодини часу і кругла пластина товщиною 1-3 мм. По колу через кожні 5 мм роблять надрізи до центру, а сектори, що виходять, злегка загинають, щоб готова конструкція нагадувала крильчатку. Для кріплення радіатора до корпусу у кількох секторах роблять отвори. Небагато складніше зробити саморобний радіатор для 10 ватного світлодіода. Для цього знадобиться 1 метр алюмінієвої смуги шириною 20 мм та товщиною 2 мм. Спочатку смугу розпилюють ножівкою на 8 рівних частин, які потім складають чаркою, просвердлюють наскрізь і стягують болтом із гайкою. Одну із бічних граней шліфують під кріплення світлодіодної матриці. За допомогою стамески смуги розгинають у різні боки. У місцях кріплення світлодіодного модуля свердлять отвори. На відшліфовану поверхню наносять термоклей, зверху прикладають матрицю, фіксуючи її шурупами.

Дешеві тепловідвідники для аматорських саморобок

Спеціально для радіоаматорів, які люблять експериментувати з різними матеріалами для відведення тепла і при цьому не хочуть витрачати гроші на дорогі готові вироби, дамо кілька рекомендацій щодо пошуку та виготовлення радіаторів своїми руками. Для охолодження світлодіодних стрічок та лінійок чудово підійде меблевий профіль із алюмінію. Це можуть бути напрямні для шаф-купе або кухонна фурнітура, залишки якої можна купити за собівартістю у меблевому магазині.

Для охолодження світлодіодних матриць 3-10 Вт підійдуть радіатори з радянських магнітофонів та підсилювачів, яких більш ніж достатньо на радіоринках кожного міста. Також можна використовувати запчастини від старої оргтехніки.

Саморобне охолодження для 50 Вт світлодіода можна зробити з радіатора від несправної бензопили, газонокосарки, розпиливши на кілька частин. Купити такі запчастини можна у ремонтних майстернях за ціною брухту. Звичайно, про естетичні якості світлодіодного світильника можна забути.

Читайте також

Світлодіоди вважаються одним із найбільш ефективних джерел світла, їх світловий потік доходить до фантастичних значень, близько 100 Лм/Вт. Люмінесцентні лампи видають удвічі менше, а саме 50-70 Лм/Вт. Однак для тривалої роботи світлодіода потрібно витримувати їх теплові режими. Для цього використовуються фірмові або саморобні радіатори для світлодіодів.

Навіщо діодам потрібне охолодження?

Незважаючи на високі показники світловіддачі, світлодіоди випромінюють світла приблизно на третину споживаної потужності, а решта виділяється в тепло. Якщо діод перегрівається, структура його кристала порушується, починає деградувати, світловий потік знижується, а ступінь нагрівання лавиноподібно збільшується.

Причини перегріву світлодіодів:

• Занадто великий струм;
• погана стабілізація напруги живлення;
• погане охолодження.

Перші дві причини вирішуються застосуванням якісного джерела живлення світлодіодів. Такі джерела часто називають. Їхня особливість полягає не в стабілізації напруги, а саме в стабілізації вихідного струму.

Справа в тому, що при перегріві опір світлодіода знижується і струм, що протікає через нього, зростає. Якщо як блок живлення використовувати стабілізатор напруги - процес вийде лавиноподібним: більше нагрівання - більше струм, а більший струм - це більший нагрівання і так по колу.

Стабілізуючи струм, ви частково стабілізуєте і температуру кристала. Третя причина – це погане охолодження світлодіодів. Розглянемо це докладніше.

Вирішуємо проблему охолодження

Малопотужні світлодіоди, наприклад: 3528, 5050 і подібні їм віддають тепло за рахунок своїх контактів, та й потужність у таких екземплярів набагато менше. Коли потужність приладу зростає, постає питання відведення зайвого тепла. Для цього застосовують системи пасивного чи активного охолодження.

Пасивне охолодження– це звичайний радіатор, виконаний із міді або алюмінію. Про переваги матеріалів для охолодження точаться суперечки. Перевагою такого типу охолодження є відсутність шуму і практично повна відсутність необхідності його обслуговування.

Активна система охолодження– це спосіб охолодження із застосуванням зовнішньої сили для покращення відведення тепла. Як найпростіша система можна розглянути зв'язку радіатор + кулер. Перевагою є те, що така система може бути значно компактнішою за пасивну, до 10 разів. Недоліком — шум від кулера та необхідність його змащення.

Як вибрати радіатор?

Розрахунок радіатора для світлодіода процес не зовсім простий, тим більше для початківця. Для його виконання потрібно знати тепловий опір кристала, а також переходу кристал-підкладка, підкладка-радіатор, радіатор-повітря. Щоб спростити рішення, багато хто користується співвідношенням 20-30 см 2 /Вт.

Це означає, що на кожен ват LED світла потрібно використовувати радіатор площею близько 30 см 2 .

Звичайно, таке рішення не є унікальним. Якщо ваша освітлювальна конструкція буде використовуватися в прохолодному підвальному приміщенні можна взяти меншу площу, але при цьому переконайтеся, що температура світлодіода в межах норми.

Попередні покоління LED комфортно почувалися при температурі кристала 50-70 градусів, нові світлодіоди можуть переносити температуру до 100 градусів. Найпростіше визначити – доторкнутися рукою, якщо рука ледве терпить – все гаразд, а якщо кристал може вас обпекти – приймайте рішення для покращення умов його роботи.

Вважаємо площу

Допустимо ми маємо світильник потужністю 3Вт. Площа радіатора для світлодіода 3Вт, згідно з описаним вище правилом дорівнюватиме 70-100см 2 . З першого погляду може здатися великою.

Але розглянемо розрахунок площі радіатора для світлодіодів. Для плоского пластинчастого радіатора площа вважається:

a * b * 2 = S

Де a,b- Довжини сторін пластини, S- Повна площа радіатора.

Звідки взявся коефіцієнт 2? Справа в тому, що у такого радіатора дві сторони і вони рівносильно віддають тепло навколишньому середовищу, тому повна корисна площа радіатора дорівнює площі кожної його сторін. Тобто. у разі потрібна пластина з розмірами сторін 5*10см.

Для ребристого радіатора повна площа дорівнює площі підстави і площам кожного з ребер.

Охолодження своїми руками

Найпростішим прикладом радіатора буде "сонечко", вирізане з жерсті або листа алюмінію. Такий радіатор може охолодити 1-3Вт світлодіодів. Скрутивши два такі листи між собою через термопасту, можна збільшити площу тепловіддачі.

Це банальний радіатор із підручних засобів, він виходить досить тонким і використовувати його для серйозніших світильників не можна.

Зробити своїми руками радіатор для світлодіода на 10W у такий спосіб буде неможливо. Тому для таких потужних джерел світла можна застосувати радіатор від центрального процесора комп'ютера.

Якщо залишити кулер, активне охолодження світлодіодів дозволить використовувати і потужніші LED. Таке рішення створить додатковий шум від вентилятора і вимагатиме додаткового живлення плюс періодичне ТО кулера.

Площа радіатора для 10Вт світлодіода буде досить великою – близько 300см2. Хорошим рішенням буде використання готових алюмінієвих виробів. У будівельному чи господарському магазині ви можете придбати алюмінієвий профіль та використовувати його для охолодження потужних світлодіодів.

Зробивши складання потрібної площі з таких профілів, ви можете отримати непогане охолодження, не забудьте всі стики промазати хоча б тонким шаром термопасти. Є спеціальний профіль для охолодження, який випускається промислово найрізноманітніших видів.

Якщо у вас немає можливості зробити радіатор охолодження світлодіодів своїми руками, ви можете пошукати відповідні екземпляри в старій електронній апаратурі, навіть у комп'ютері. На материнській платі розташовано кілька. Вони потрібні для охолодження чіпсетів та силових ключів ланцюгів живлення. Чудовий приклад такого рішення зображено на фото нижче. Їхня площа зазвичай від 20 до 60см 2 . Що дає змогу охолоджувати світлодіод потужністю 1-3 Вт.

Ще один цікавий варіант виготовлення радіатора із листів алюмінію. Такий метод дозволить набрати практично будь-яку необхідну площу охолодження. Дивимося відео:

Як закріпити світлодіод

Існує два основних способи кріплення, розглянемо обидва з них.

Перший спосіб- Це механічний. Він полягає в тому, щоб прикрутити світлодіод шурупами або іншим кріпленням до радіатора, для цього потрібна спеціальна підкладка типу «зірка» (див. star). До неї припаюється діод, попередньо змащений термопастою.

На «пузі» світлодіод має спеціальний контактний п'ятачок діаметром як сигарета типу slim. Після чого до цієї підкладки припаюються дроти живлення, і вона прикручується до радіатора. Деякі світлодіоди надходять у продаж, вже закріплені на перехідній пластині, як на фото.

Другий спосіб– це клейовий. Він підходить як і для монтажу через пластину, так і без неї. Але метал до металу кріпити не завжди виходить чим приклеїти світлодіод до радіатора? Для цього потрібно придбати спеціальний термопровідний клей. Він може зустрічатися як у господарській, так і в магазині радіодеталей.

Виглядає результат такого кріплення в такий спосіб.

Висновки

Як ви могли переконатися, радіатор для світлодіода можна знайти як у магазині, так і порившись у своїх старих приладах, або просто в покладах всяких дрібниць. Не обов'язково використовувати спеціальне охолодження.

Площа радіатора залежить від низки умов, таких як вологість, температура навколишнього повітря та матеріал радіатора, але при побутовому вирішенні ними нехтують.

Завжди звертайте особливу увагу на перевірку теплових режимів ваших пристроїв. Таким чином ви забезпечите їхню надійність і довговічність. Можна визначати температуру рукою, але краще придбайте мультиметр із можливістю її вимірювання.

Світлодіоди з'явилися лише кілька років тому. Але вони вже встигли закріпити лідерські позиції на ринку освітлювальної продукції. Вони можуть застосовуватися не тільки в системах освітлення, а й у різних виробах чи аматорських схемах. Коли маєш справу з led, потрібно обов'язково подбати про варіанти охолодження. Одним із способів охолодження світлодіодів є встановлення радіатора.

Радіатори для охолодження світлодіодів

Наша стаття розкриє вам всі таємниці, як можна правильно і при цьому власноруч зібрати пристрій для охолодження.

Навіщо необхідний тепловідвідник

Перш ніж приступити до самостійного збирання тепловідвідника для світлодіодів, необхідно знати особливості самого джерела світла.
Світлодіоди є напівпровідниками, які мають дві ніжки (“+” та “-”) тобто. вони мають полярність.

Світлодіоди

Щоб правильно виготовити їм радіатор, необхідно провести певний розрахунок. Насамперед цей розрахунок повинен включати вимірювання напруги, а також силу струму. Крім цього, необхідно пам'ятати, що будь-який електроємний пристрій, включаючи світлодіоди, відрізняє тенденцією до нагрівання. Тому тут і потрібна система охолодження.
Проводячи розрахунок, пам'ятайте - лише 1/3 від зазначеної потужності джерела світла буде перетворюватися на світловий потік (наприклад, 3-3,5 з 10w). Тому основна частина становитиме теплові втрати. Для того, щоб мінімізувати тепловтрати та використовують радіатори.

Зверніть увагу! Перегрівання світлодіода призводить до зменшення терміну експлуатації. Тому використання радіатора дозволяє ще й продовжити "життя" джерелу світла.

Тому схеми світлодіодів мають комплекс охолодження всіх основних елементів.
Сьогодні для охолодження елементів електросхеми, до якої входять світлодіоди, можна використовувати три варіанти тепловідведення:

• через корпус приладу (не завжди можна продати);
• через друковану плату. Охолодження ведеться через неосновні провідні доріжки, якими тече струм;
• за допомогою радіатора. Він підходить як до плат, так і світлодіодів.

Зверніть увагу! В останній ситуації необхідно правильно провести розрахунок того, якою саме площі він має бути.

Радіатор на світлодіодах

Найефективнішим способом охолодження світлодіодів є використання радіатора, який легко можна зробити самостійно. Головне пам'ятайте, що на роботу тепловідвідника впливає форма та кількість ребер.

Особливості конструкції тепловідвідників

Здивуючись власноруч зібрати радіатор, що підходить для світлодіодів, багато хто задається цілком закономірним питанням «який краще?». Адже сьогодні існують дві групи тепловідвідників, які різняться за своїми конструкційними особливостями:

• голчасті. Найчастіше використовуються для системи охолодження природного типу. Такі моделі використовуються для потужних світлодіодів;

Голковий радіатор

• ребристі. Використовуються у системах примусового охолодження. Їх обирають залежно від геометричних параметрів. При цьому вони можуть застосовуватись і для охолодження потужних світлодіодів.

Ребристий радіатор

Вибираючи тип тепловідвідника, необхідно пам'ятати, що голчастий пасивний апарат перевищує ефективність ребристої моделі на 70%.
Радіатор будь-якої конструкції (ребристої або голчастої) може мати різну форму:

• квадратну;
• круглу;
• прямокутну.

Варіант радіатора, що підходить для світлодіодів, слід вибирати в залежності від потреб у системі охолодження.

Особливості обчислень

Розрахунок схеми створення своїми руками радіатора завжди слід починати з підбору елементної бази. Не забувайте, що номінал тут повинен відповідати не тільки потенціалу тепловідвідника, що збирається, але і запобіганню створення додаткових втрат. Інакше саморобний апарат матиме низьку ефективність. І насамперед для цього необхідно провести розрахунок площі радіатора.
Що повинен включати розрахунок такого параметра, як площа:

• модифікація апарату;
• яка є площа розсіювання;
• показники навколишнього повітря;
• матеріал, з якого виготовляється тепловідвідник.

Такі нюанси необхідно враховувати тоді, коли проектується новий радіатор, а чи не переробляється старий. Найважливішим для самостійного збирання тепловідвідника буде показник максимально допустимого розсіювання потужності теплообмінного елемента.
Щоб розрахувати площу радіатора існує два способи.
Перший спосіб розрахунку. Щоб визначити необхідну площу, потрібно використовувати формулу F = а х S х (T1 – T2), де:

• F - тепловий потік;
• S – площею поверхні тепловідвідника;
• T1 - показник температури середовища, що відводить тепло;
• T2 – температура, яку має нагріта поверхня;
• а – коефіцієнт, що відбиває тепловіддачу. Цей коефіцієнт для неполірованих поверхонь умовно приймається рівним 6-8 Вт/(м2К).

Довжина окружності

Використовуючи цей спосіб розрахунку, необхідно пам'ятати, що пластина або ребро мають дві поверхні для відведення тепла. При цьому розрахунок поверхні голки проводиться за допомогою довжини кола (π х D), яку потрібно помножити на показник висоти.
Другий спосіб розрахунку. Тут використовується дещо спрощена формула, виведена експериментальним шляхом. У разі використовується формула S = x W, де:

• S - площа теплообмінника;
• M – незадіяна потужність світлодіода;
• W – підведена потужність (Вт).

При цьому, якщо виготовлятиметься ребристий алюмінієвий апарат, можна використовувати в розрахунках дані, які отримали тайванські фахівці:

• 60 Вт - від 7000 до 73000 см2;
• 10 Вт – близько 1000 см2;
• 3 Вт – від 30 до 50 см2;
• 1 Вт - від 10 до 15 см2.

Але в такій ситуації необхідно пам'ятати, що наведені вище дані підходять до кліматичних умов Тайваню. У нашому випадку їх варто брати тільки при проведенні попередніх обчислень.

Матеріал для виготовлення тепловідвідника

Термін служби світлодіодів безпосередньо залежить від того, який матеріал задіяний у напівпровіднику, а також від якості роботи системи охолодження.
При виборі матеріалу для тепловідвідника необхідно керуватися таким:

• матеріал повинен мати теплопровідність щонайменше 5-10 Вт;
• рівень теплопровідності має бути вищим 10 Вт.

У зв'язку з цим для виготовлення тепловідвідника варто використовувати такі матеріали:

• алюміній. Алюмінієвий варіант на сьогодні для охолодження світлодіодів використовують найчастіше. Але при цьому алюмінієвий тепловідвідник має суттєвий мінус – складається з низки шарів. Внаслідок такої будови алюмінієвий апарат провокує теплові опори. Їх можна подолати лише за допомогою додаткових теплопровідних матеріалів, у ролі яких може виступати ізоляційні пластини;

Зверніть увагу! Алюмінієвий радіатор, незважаючи на свій недолік, чудово справляється із відведенням тепла. Тут використовується алюмінієва платівка, яка обдувається вентилятором.

Алюмінієвий радіатор

• кераміка. Керамічні тепловідвідники мають спеціальні траси, якими проводиться струм. До цих трас припаюються світлодіоди. Такі вироби здатні відводити вдвічі більше тепла;
• мідь. Тут є мідна платівка. Її відрізняє більш висока теплопровідність, ніж у алюмінію. Але мідь поступається алюмінію в технічних характеристиках та вазі. При цьому мідь не податливий метал, а після обробки залишається багато обрізків;

Радіатор із міді

• пластмаса. До переваг варто віднести доступну вартість, а також високий рівень технологічності. При цьому в мінусах тут менша теплопровідність.

Як бачимо, найоптимальнішим варіантом за ціною та якістю буде виготовлення своїми руками радіатора для світлодіодів із алюмінію. Розглянемо кілька методів того, як можна зробити тепловідвідник для світлодіодів.

Яким чином виготовляються тепловідвідники

Не всі радіоаматори охоче беруться за виготовлення подібних пристроїв. Адже воно виконуватиме провідну роль. Від того, наскільки якісно буде зроблений своїми руками тепловідвідник, залежить термін експлуатації освітлювальної установки, виготовленої зі світлодіодів. Тому багато хто воліє не ризикувати та купувати апарати для системи охолодження у спеціалізованих магазинах.

Саморобний радіатор для діодів

Але бувають ситуації, коли немає можливості купити, але його можна виготовити із підручних засобів, які без проблем знайдуться у домашній лабораторії будь-якого радіоаматора. І тут підходять два способи виготовлення.

Перший спосіб самостійного складання

Найпростішою конструкцією для саморобного радіатора, звичайно, буде коло. Його можна вирізати так:

• з листа алюмінію вирізаємо коло та робимо на ньому необхідну кількість надрізів;

Розрізане коло з алюмінію

• далі відгинаємо трохи сектора. В результаті виходить певна подоба вентилятора;
• по осях необхідно відігнути 4 вусики. З їх допомогою пристрій кріпитиметься до корпусу лампи;
• Світлодіоди на такому радіаторі можна закріпити за допомогою термопасти.

Готовий радіатор для діодів круглої форми

Як бачимо, це досить простий спосіб виготовлення.

Другий спосіб самостійного складання

Охолоджуючий апарат, який підключатиметься до світлодіодів, можна самостійно зробити їх шматком труби, яка має прямокутний переріз, а також з алюмінієвого профілю. Тут вам знадобляться:

• прес-шайба з діаметром 16 мм;
• труба 30х15х1, 5;
• термопаста КТП 8;
• Ш-подібний профіль 265;
• термоклей;
• саморізи.

Робимо радіатор наступним чином:

• у трубі просвердлюємо три отвори;

Варіант труби для радіатора

• далі свердлимо профіль. З його допомогою здійснюватиметься кріплення до лампи;
• світлодіоди кріпимо до труби, яка виступатиме як основа тепловідвідника, за допомогою термоклею;
• у місцях з'єднання елементів радіатора наносимо шар термопасти КТП 8;
• залишилося зібрати конструкцію за допомогою шурупів, оснащених прес шайбою.

Даний спосіб буде дещо складніше у реалізації, ніж перший варіант.

Висновок

Знаючи, що являє собою радіатор, що підключається до світлодіодів, його цілком можна виготовити своїми руками з підручних засобів. Його правильне збирання допоможе вам не тільки ефективно охолоджувати освітлювальну установку, але й уникнути ситуації зниження термінів експлуатації світлодіодів.

Пристрій та принципи функціонування радіатора для світлодіодів. Правила вибору матеріалу та площі деталі. Робимо радіатор своїми руками легко та швидко.

Поширена думка, що світлодіоди не нагріваються – помилка. Виникло воно тому, що малопотужні світлодіоди на дотик не гарячі. Справа в тому, що вони оснащені відвідниками тепла – радіаторами.

Принцип дії тепловідведення

Головним споживачем тепла, що виділяється світлодіодом, є навколишнє повітря. Його холодні частинки підходять до нагрітої поверхні теплообмінника (радіатора), нагріваються і спрямовуються вгору, звільняючи місце для нових холодних мас.

У разі зіткнення з іншими молекулами відбувається розподіл (розсіювання) тепла. Чим більша площа поверхні радіатора, тим інтенсивніше він передасть тепло від світлодіода повітрю.

Докладніше про принципи роботи світлодіодів читайте.

Кількість поглиненого повітряною масою тепла з одиниці площі залежить від матеріалу радіатора: ефективність природного «теплового насоса» обмежена його фізичними властивостями.

Матеріали для виготовлення

Радіатори для охолодження світлодіодів розрізняються за конструкцією та матеріалом.

Навколишнє повітря може прийняти трохи більше 5-10 Вт з одиничної поверхні. При виборі матеріалу для виготовлення радіатора слід взяти до уваги виконання наступної умови: теплопровідність повинна бути не менше 5-10 Вт. Матеріали з меншим параметром не зможуть забезпечити передачу всього тепла, яке може прийняти повітря.

Теплопровідність вище 10 Вт буде технічно надмірною, що спричинить невиправдані фінансові витрати без збільшення ефективності радіатора.

Для виготовлення радіаторів зазвичай використовують алюміній, мідь або кераміку. Останнім часом з'явилися вироби, виконані з теплорозсіювальних пластмас.

Алюмінієві

Основним недоліком алюмінієвого радіатора є багатошаровість конструкції. Це неминуче призводить до виникнення перехідних теплових опорів, долати які доводиться за допомогою додаткових теплопровідних матеріалів:

• клейких речовин;
• ізолюючих пластин;
• матеріалів, що заповнюють повітряні проміжки та ін.

Алюмінієві радіатори зустрічаються найчастіше: вони добре пресуються і цілком непогано справляється з відведенням тепла.

Алюмінієві радіатори для світлодіодів 1 вт

Мідні

Мідь має більшу теплопровідність, ніж алюміній, тому в деяких випадках її використання для виготовлення радіаторів виправдане. У цілому нині цей матеріал поступається алюмінію у плані легкості конструкції та технологічності (мідь – менш податливий метал).

Виготовлення мідного радіатора методом пресування – найекономічнішим – неможливе. А обробка різанням дає великий відсоток дорогого матеріалу.

Мідні радіатори

Керамічні

Одним із найбільш вдалих варіантів тепловідвідника є керамічна підкладка, на яку попередньо наносяться струмопровідні траси. Безпосередньо до них і підпаюються світлодіоди. Така конструкція дозволяє відвести вдвічі більше тепла, порівняно з металевими радіаторами.

Лампочка з керамічним радіатором

Пластмаси теплорозсіювальні

Все частіше з'являється інформація про перспективи заміни металу та кераміки на терморозсіювальну пластмасу. Інтерес до цього матеріалу зрозумілий: коштує пластмаса набагато дешевше алюмінію, а її технологічність набагато вища. Однак теплопровідність звичайної пластмаси вбирається у 0,1-0,2 Вт/м.к. Досягти прийнятної теплопровідності пластмаси вдається за рахунок застосування різних наповнювачів.

При заміні алюмінієвого радіатора на пластмасовий (рівний величини) температура в зоні підведення температур зростає лише на 4-5%. Враховуючи, що теплопровідність теплорозсіюючої пластмаси набагато менша від алюмінію (8 Вт/м.К проти 220-180 Вт/м.К), можна зробити висновок: пластичний матеріал цілком конкурентоспроможний.

Лампочка з радіатором із термопластику

Конструктивні особливості

Конструктивні радіатори поділяються на дві групи:

• голчасті;
• ребристі.

Перший тип, переважно, застосовується для природного охолодження світлодіодів, другий – для примусового. При рівних габаритних розмірах пасивний голчастий радіатор на 70 відсотків ефективніший за ребристий.

Радіатори голкового типу для потужних і смд світлодіодів.

Але це не означає, що пластинчасті (ребристі) радіатори годяться тільки для роботи в парі з вентилятором. Залежно від геометричних розмірів вони можуть застосовуватися і для пасивного охолодження.

LED-лампа з ребристим радіатором

Зверніть увагу на відстань між пластинами (або голками): якщо вона становить 4 мм – виріб призначений для природного відведення тепла, якщо зазор між елементами радіатора лише 2 мм – його необхідно комплектувати вентилятором.

Обидва типи радіаторів у поперечному перерізі можуть бути квадратними, прямокутними або круглими.

Розрахунок площі радіатора

Методики точного розрахунку параметрів радіатора припускають облік безліч факторів:

• параметри навколишнього повітря;
• площа розсіювання;
• конфігурацію радіатора;
• властивості матеріалу, з якого виготовлено теплообмінник.

Але всі ці тонкощі потрібні для проектувальника, який розробляє тепловідведення. Радіоаматори найчастіше використовують старі радіатори, взяті з радіоапаратури, що відслужила свій термін. Все, що їм треба знати – яка максимальна потужність теплообмінника, що розсіюється.

Ф = а х Sх (Т1 - Т2), де

• Ф – тепловий потік (Вт);
• S – площа поверхні радіатора (сума площ усіх ребер чи голок та підкладки у кв. м). Підраховуючи площу, слід пам'ятати, що ребро чи пластина має дві поверхні відведення тепла. Тобто площа тепловідведення прямокутника площею 1 см2 становитиме 2 см2. Поверхня голки розраховується як довжина кола (π х D), помножена на її висоту;
• Т1 – температура тепловідвідного середовища (граничного), К;
• Т2 - температура нагрітої поверхні, К;
• а – коефіцієнт тепловіддачі. Для неполірованих поверхонь приймається рівним 6-8 Вт/(м2К).

Є ще одна спрощена формула, отримана експериментальним шляхом, за якою можна розрахувати необхідну площу радіатора:

S = x W, де

• S – площа теплообмінника;
• W – підведена потужність (Вт);
• M – незадіяна потужність світлодіода.

Для ребристих радіаторів, виготовлених з алюмінію, можна скористатися зразковими даними, представленими тайванськими фахівцями:

• 1 Вт – від 10 до 15 см2;
• 3 Вт – від 30 до 50 см2;
• 10 Вт – близько 1000 см2;
• 60 Вт - від 7000 до 73000 см2.

Однак слід врахувати, що наведені вище дані неточні, оскільки вони вказуються в діапазонах з досить великим розбігом. До того ж, визначено дані величини для клімату Тайваню. Їх можна використовувати лише проведення попередніх розрахунків.

Отримати найбільш достовірну відповідь про оптимальний спосіб розрахунку площі радіатора можна на наступному відео:

Зробити своїми руками

Радіолюбителі рідко беруться за виготовлення радіаторів, оскільки цей елемент – річ відповідальна, що прямо впливає на довговічність світлодіода. Але в житті бувають різні ситуації, коли доводиться робити тепловідвідник із підручних засобів.

Варіант 1

Найпростіша конструкція саморобного радіатора - коло, вирізане з листа алюмінію з виконаними на ньому надрізами. Отримані сектори трохи відгинаються (виходить щось схоже на крильчатку вентилятора).

По осях радіатора відгинаються 4 вуса для кріплення конструкції до корпусу лампи. Світлодіод можна закріпити через термопасту шурупами.

Варіант 1 – саморобний радіатор із алюмінію

Варіант 2

Радіатор для світлодіода можна виготовити своїми руками зі шматка труби прямокутного перерізу та алюмінієвого профілю.

Необхідні матеріали:

• труба 30х15х1, 5;
• прес-шайба діаметром 16 мм;
• термоклей;
• термопаста КТП 8;
• профіль 265 (Ш-подібний);
• саморізи.

У трубі для поліпшення конвекції свердляться три отвори діаметром 8 мм, а в профілі – отвори діаметром 3,8 мм – для його кріплення шурупами.

Світлодіоди приклеюються до труби – основи радіатора – за допомогою термоклею.

У місцях з'єднання деталей радіатора наноситься шар термопасти КТП 8. Потім проводиться збирання конструкції за допомогою саморізів із прес шайбою.

Способи кріплення світлодіодів до радіатора

Світлодіоди прикріплюють до радіаторів двома способами:

• механічним;
• приклеюванням.

Приклеїти світлодіод можна на термоклеї. Для цього на металеву поверхню наноситься крапелька маси, що клеїть, потім на неї сідає світлодіод.

Для отримання міцного з'єднання світлодіод необхідно на кілька годин притиснути невеликим вантажем до порожнього висихання клею.

Однак більшість радіоаматорів віддають перевагу механічному кріпленню світлодіодів. Наразі випускаються спеціальні панелі, за допомогою яких можна швидко та надійно змонтувати світлодіод.

У деяких моделях передбачені затискачі для вторинної оптики. Монтаж виконується просто: на радіатор встановлюється світлодіод, на нього – панелька, яка кріпиться до основи шурупами.

Але не тільки радіатори для світлодіода можна зробити самостійно. Любителям займатися рослинами рекомендуємо ознайомитися зі світлодіодною.

Якісне охолодження світлодіода є запорукою довговічності світлодіода. Тому до підбору радіатора слід підходити з усією серйозністю. Краще використовувати готові теплообмінники: вони продаються в магазинах радіотоварів. Коштують радіатори недешево, проте легко монтуються і світлодіод захищає від надлишку тепла надійніше.