Радиаторы для светодиодов — расчет площади, выбор материала, изготовление своими руками

Определение радиатора в светодиодной лампе перед покупкой — излагаем все нюансы

Светодиодные лампы с радиатором выглядят непривычно и на первый взгляд кажутся громоздкими, особенно, если сравнивать их с обычными лампами накаливания. Для чего он нужен LED-лампе и каковы его главные функции?

Назначение

Светодиодная лампа, при всех ее достоинствах, имеет один значительный «недостаток» — во время работы светодиод вырабатывает значительное количество тепла. В то же время перегрев светодиода негативно сказывается на его функциях – светильник быстрее выходит из строя или становится тусклым быстрее, чем предусмотрено конструкцией.

Чтобы этого не происходило, светодиодные лампочки оборудуют радиаторами охлаждения. Их главное предназначение – отводить тепло от платы, на которой установлены светодиоды. Выглядит как множество пластинок в средней части лампы, причем он может быть намного больше, чем ее светящаяся часть.

Размеры зависят от мощности самой лампы, а также от материала, из которого сделан радиатор. Чем больше мощность, тем больше будет радиатор и тяжелее лампа.

Почему светодиоды так популярны?

Ответ простой, и я, думаю, каждый из вас знает на него ответ. Прежде всего светодиоды обеспечивают гораздо более яркий свет, потребляя при этом меньше энергии. Свет диодов позволяет глазам водителя меньше напрягаться, что существенно увеличивает производительность самого водителя. За рулем такого авто со светодиодными фарами можно преодолеть гораздо большее расстояние и при этом меньше устать. Фары такого типа быстрее загораются, экономя при этом драгоценные секунды, от которых порою зависит все. В общем плюсов у светодиодной оптики довольно много, однако есть и минусы, о которых я писал в этой статье, кому интересно переходите по ссылке.

Из каких материалов делают радиаторы

Алюминий – изделия из данного материала считаются самыми удачными: они легче, чем радиаторы из других материалов, и обладают большой теплопроводностью. Но при этом алюминиевые самые дорогие.

Радиаторы из алюминия бывают ребристыми и гладкими. Более эффективным считается первый тип, второй используется лишь в недорогих и небольших лампочках.

Керамика – внешне напоминает пластик, но тяжелее и более гладкая на ощупь. Встречается на рынке достаточно редко.

Композитный материал – представляет собой алюминий, покрытый тонким слоем пластика. Стоит дешевле, чем алюминиевый, внешне напоминает пластиковый.

Пластик или стекло – используется в самых дешевых лампах, поскольку теплопроводность этих материалов весьма ограничена, и мощные лампочки будут быстро выходить из строя. Чтобы исправить этот недостаток, в корпусе делаются отверстия для дополнительной вентиляции.

Чем отличаются светодиодные лампы друг от друга?

Диодные лампы, как правило, отличаются между собой:

Формой;
Типом охлаждения;
Количеством светодиодов;
Мощностью и цветовым спектром.

Охлаждение

Форма LED-лампы играет второстепенную роль, более важными являются остальные пункты. Начну с охлаждения, так как от него зависти очень много.

Охлаждение может быть: пассивным, активным (кулер, вентилятор).

Пассивное охлаждение LED-ламп предусматривает естественное охлаждение за счет использования специальных материалов с высокой теплопроводностью. Все выглядит следующим образом, в задней или нижней части лампы располагается радиатор, который естественным путем отводит тепло от нагревающегося диода. Радиаторы бывают гибкими в виде лент, нередко такие просто не помещаются в корпус фары, в итоге приходится покупать более глубокие защитные крышки.

Второй тип охлаждения предусматривает наличие так называемого кулера, проще говоря вентилятора, который вращаясь отводит тепло от радиатора. Такой тип охлаждения несмотря на свою инновационность и обманчивую эффективность на самом деле менее надежный по сравнению с лампами первого типа. Пыль, влага и прочая грязь, проникая вовнутрь корпуса кулера, забивают вентилятор, после чего он выходит из строя. Без должного охлаждения светодиодная лампа быстро перегревается и может не только выйти из строя, но и оплавиться. В более тяжелых случаях все может закончиться пожаром.

Количество светодиодов. На первый взгляд может показаться, что этот параметр не имеет значения, однако при более детальном изучении количество кристаллов играет важную роль. Один большой диод — это не всегда хорошо, более приемлемым считается наличие нескольких диодов. Большой диод может нагреваться, поэтому требует большого радиатора, следовательно, лампа может иметь крупные габариты или плохое охлаждение. Кроме того, большой диод нередко создает слишком яркий световой луч, который не фокусируется и ослепляет водителей встречного потока. К тому же такие LED-лампы не имеют четкой световой границы.

Что касается мощности и цветового спектра, то здесь все индивидуально, подбирать нужно согласно собственных предпочтений.

Гибкие радиаторы

Эту разновидность светодиодных ламп используют автолюбители для установки ближнего, дальнего света в авто. От обычных они отличаются наличием теплопроводной трубки, а сам радиатор, напоминает лепестки цветка.

Такая конструкция обладает еще большей теплопроводностью и может работать практически в экстремальных условиях, не перегреваясь и долго не теряя яркости.

Единственный минус – большинство ламп с гибким радиатором, которые продаются на территории России, произведены в Китае. А значит, перед их покупкой необходимо тщательно изучить отзывы о производителях и отдельных моделях, чтобы не потратить деньги на низкокачественную подделку.

В быту, для настенного, настольного и потолочного освещения чаще всего используются лампочки с алюминиевым радиатором и цоколем Е27 («винт Эдисона»), который соответствует цоколю обычной лампы накаливания. С цоколем H (например, H4 – одна из наиболее распространенных маркировок) используются в автомобильных фарах ближнего и дальнего света. Они могут быть с обычным или с гибким радиатором, а диаметр цоколя зависит от конкретной марки машины.

LED-лампы, которые лучше не покупать

1. Итак, первый тип, о котором я уже вкратце рассказывал — это лампы с одним большим светодиодом. Большой светодиод сильнее светит, порою даже слишком, больше нагревается и не имеет четкого сфокусированного светового луча. Граница размыта. Порою из-за больших размеров диода свет попадает на те части отражателя, где его быть не должно, в результате свет слишком яркий и плохо регулируется, а также в подавляющем большинстве случаев ослепляет «встречку». Также следует учесть, что большой диод будет сильно нагреваться, без должного теплоотвода лампа быстро перегорит, причем не просто выйдет из строя, а ко всему прочему испортит оптику вашего авто.

2. Ко второму типу светодиодных ламп, которые не стоит покупать, хочу отнести лампу с большим количеством светодиодов, расположенным по кругу. Лампа выглядит и вправду очень неплохо, однако создавали ее маркетологи, а не инженеры, и главной их целью было заинтересовать покупателя большим количеством диодов. Сама же лампа светит мягко говоря не очень, так как все эти светодиоды находятся на разной высоте и с разных сторон, в итоге в отражателе отражаются не все. Причем из-за хаотичного расположения диодов световой луч получается нечетким, и как правило не обладает достаточной дальностью.

3. На третьем месте светодиодные лампы с кулером, которые также не советую покупать. Охлаждение этого типа весьма сомнительное и очень быстро выходит из строя, после чего кристалл или кристаллы диодов перегреваются и сгорают. В более продвинутых моделях предусмотрена «защита» от перегрева в виде температурного датчика. В случае критической температуры датчик понижает производительность лампы и предотвращает выход светодиодов из строя. Но как бы там ни было, я бы не рекомендовал данный тип охлаждения.

Также не советую покупать LED-лампы в сомнительных точках продаж, по слишком низким ценам, а также с рук или у лиц, которые не имеют должных документов, разрешений и т. д. Вместо выгодной сделки и экономии вы можете получить подделку, которая и света не даст и поработает кое-как несколько дней или недель.

В завершение этой длинной статьи хочу подвести итоги

Если же риск не для вас, и вы не желаете экспериментировать, рекомендую купить галогенные лампы высокого качества только с большей эффективностью и светоотдачей. Таким образом вы получите идеальную совместимость и более эффективный головной свет. Если же стандартные «галогенки» не для вас и проблемы со светом головной оптики вам порядком надоели, обратитесь за помощью к профессионалам. Они подберут для вас идеальный вариант за вменяемую цену, при этом обеспечат качество и гарантию. Только качественные светодиодные лампы и правильная регулировка позволят получить лучший результат, не ослепляя при этом встречную полосу и не нарушая требования ПДД.

Расчет площади радиатора

Существуют два метода расчёта радиатора для светодиода:

проектный, суть которого состоит в определении геометрических размеров конструкции при заданном температурном режиме;
поверочный, который предполагает действовать в обратной последовательности, то есть при известных параметрах радиатора можно рассчитать максимальное количество теплоты, которую он способен эффективно рассеивать.

Применение того или иного варианта зависит от имеющихся исходных данных. В любом случае точный расчёт – это сложная математическая задача с множеством параметров. Кроме умения пользоваться справочной литературой, брать необходимые данные из графиков и подставлять их в соответствующие формулы, следует учитывать конфигурацию стержней или рёбер радиатора, их направленность, а также влияние внешних факторов. Также стоит учитывать и качество самих светодиодов. Зачастую в светодиодах китайского производства реальные характеристики расходятся с заявленными.

Точный расчёт

Прежде чем перейти к формулам и расчётам, необходимо ознакомиться с основными терминами в области распространения тепловой энергии. Теплопроводность представляет собой процесс передачи тепловой энергии от более нагретого физического тела к менее нагретому. Количественно теплопроводность выражается в виде коэффициента, который показывает, сколько теплоты способен передать материал через единицу площади при изменении температуры на 1°K. В светодиодных светильниках все части, задействованные в обмене энергии, должны обладать высокой теплопроводностью. В частности это касается передачи энергии от кристалла к корпусу, а затем к радиатору и воздуху.

Конвекция – тоже процесс передачи тепла, который происходит за счёт движения молекул жидкостей и газов. Применительно к светодиодным светильникам принято рассматривать обмен энергией между радиатором и воздухом. Это может быть естественная конвекция, происходящая за счет естественного перемещения воздушного потока, или принудительная, организованная за счёт установки вентилятора.

В начале статьи указывалось, что около 70% потребляемой светодиодом мощности расходуется в тепло. Чтобы рассчитать радиатор для светодиодов, необходимо знать точное количество рассеиваемой энергии. Для этого воспользуемся формулой:

PТ – мощность, выделяемая в виде тепла, Вт;
k – коэффициент, учитывающий процент энергии, переходящей в тепло. Это величина для мощных светодиодов принимается равной 0,7-0,8;
UПР – прямое падение напряжения на светодиоде при протекании номинального тока, В;
IПР – номинальный ток, А.

Пришло время посчитать количество препятствий, расположенных на пути прохождения теплового потока от кристалла к воздуху. Каждое препятствие представляет собой тепловое сопротивление (termal resistance), обозначаемое символом (Rθ, градус/Вт). Для наглядности всю систему охлаждения представляют в виде схемы замещения из последовательно-параллельного включения тепловых сопротивлений

Rθja= Rθjc+ Rθcs+ Rθsa, где:

Rθjc – тепловое сопротивление p-n-переход-корпус (junction-case);
Rθcs – тепловое сопротивление корпус-радиатор (case-surfase radiator);
Rθsa– тепловое сопротивление радиатор-воздух (surfase radiator-air).

Если предполагается устанавливать светодиод на печатную плату или использовать термопасту, то также нужно учесть их тепловые сопротивления. На практике значение Rθsa можно определить двумя способами.

Рассчитать по формуле Rθja=(Tj-Ta)/Pт, где:

Rθja – сопротивление p-n-переход-воздух;
Tj – максимальная температура p-n-перехода (справочный параметр), °C;
Ta – температура воздуха вблизи радиатора, °C.

Rθsa= Rθja-Rθjc-Rθcs, где Rθjc и Rθcs – справочные параметры.

Найти из графика «зависимость максимального теплового сопротивления от прямого тока».

По известному Rθsa выбирают стандартный радиатор. При этом паспортное значение теплового сопротивления должно быть немного меньше расчетного.

Приблизительная формула

Многие радиолюбители привыкли использовать в своих самоделках радиаторы, оставшиеся от старой электронной аппаратуры. При этом они не желают углубляться в сложные вычисления и покупать дорогие новинки импортного производства. Как правило, их интересует один только вопрос: «Какую мощность может рассеять имеющийся в наличии алюминиевый радиатор для светодиодов?»

Предлагаем воспользоваться простой эмпирической формулой, позволяющей получить приемлемый результат расчёта: Rθsa=50/√S, где S – площадь поверхности радиатора в см2.

Подставляя в данную формулу известное значение суммарной площади теплоотвода с учетом поверхности рёбер (стержней) и боковых граней, получаем его тепловое сопротивление.

Допустимую мощность рассеивания находим из формулы: Pт=(Tj-Ta)/Rθja.

Приведенный расчёт не учитывает много нюансов, влияющих на качество работы всей охлаждающей системы (направленность радиатора, температурные характеристики светодиода и пр.). Поэтому полученный результат рекомендуется умножать на коэффициент запаса – 0,7.

Радиатор для светодиода своими руками

Сделать алюминиевый радиатор для светодиодов 1, 3 или 10 Вт своими руками несложно. Сначала рассмотрим простую конструкцию, на изготовление которой потребуется около полчаса времени и круглая пластина толщиною 1-3 мм. По окружности через каждые 5 мм делают надрезы к центру, а получившиеся сектора слегка загибают, чтобы готовая конструкция напоминала крыльчатку. Для крепления радиатора к корпусу в нескольких секторах делают отверстия. Немного сложнее сделать самодельный радиатор для 10 ваттного светодиода. Для этого понадобиться 1 метр алюминиевой полосы шириной 20 мм и толщиной 2 мм. Сначала полосу распиливают ножовкой на 8 равных частей, которые затем складывают стопкой, просверливают насквозь и стягивают болтом с гайкой. Одну из боковых граней шлифуют под крепление светодиодной матрицы. С помощью стамески полосы разгибают в разные стороны. В местах крепления светодиодного модуля сверлят отверстия. На отшлифованную поверхность наносят термоклей, сверху прикладывают матрицу, фиксируя её саморезами.

Дешевые теплоотводчики для любительских самооделок

Специально для радиолюбителей, которые любят экспериментировать с разными материалами для отвода тепла и при этом не хотят тратить деньги на дорогостоящие готовые изделия, дадим несколько рекомендаций по поиску и изготовлению радиаторов своими руками. Для охлаждения светодиодных лент и линеек прекрасно подойдёт мебельный профиль из алюминия. Это могут быть направляющие для шкафов-купе или кухонная фурнитура, остатки которой можно купить по себестоимости в мебельном магазине.

Для охлаждения светодиодных матриц 3-10 Вт подойдут радиаторы из советских магнитофонов и усилителей, которых более чем достаточно на радиорынках каждого города. Также можно использовать запчасти от старой оргтехники.

Самодельное охлаждение для 50 Вт светодиода можно сделать из радиатора от неисправной бензопилы, газонокосилки, распилив его на несколько частей. Купить такие запчасти можно в ремонтных мастерских по цене лома. Конечно, про эстетические качества светодиодного светильника в этом случае можно забыть.

Радиаторы для светодиодов: расчет площади, выбор материала, изготовление своими руками

Как закрепить светодиод

Существует два основных способа крепления, рассмотрим оба из них.

Первый способ – это механический. Он заключается в том, чтобы прикрутить светодиод саморезами или другим крепежом к радиатору, для этого нужна специальная подложка типа «звезда» (см. star). К ней припаивается диод, предварительно смазанный термопастой.

На «пузе» у светодиода есть специальный контактный пятачок диаметром как сигарета типа slim. После чего к этой подложке припаиваются питающие провода, и она прикручивается к радиатору. Некоторые светодиоды поступают в продажу уже закреплённые на переходной пластине, как на фото.

Второй способ – это клеевой. Он пригоден как и для монтажа через пластину, так и без неё. Но метал к металлу крепить не всегда получается, чем приклеить светодиод к радиатору? Для этого нужно приобрести специальный термопроводящий клей. Он может встречаться как в хозяйственной, так и в магазине радиодеталей.

Выглядит результат такого крепления следующим образом.

Гибкие радиаторы

Это интересно: Какой провод использовать для точечных светильников?

Как подобрать радиатор?

Расчет радиатора для светодиода процесс не совсем простой, тем более для начинающего. Для его выполнения нужно знать тепловое сопротивление кристалла, а также перехода кристалл-подложка, подложка-радиатор, радиатор-воздух. Чтобы упростить решение многие пользуются соотношением 20-30 см2/Вт.

Это значит, что на каждый ватт LED света нужно использовать радиатор площадью порядка 30 см2.

Естественно, такое решение не является уникальным. Если ваша осветительная конструкция будет использоваться в подвальном прохладном помещении можно взять меньшую площадь, но при этом убедитесь, что температура светодиода в пределах нормы.

Предыдущие поколения LED комфортно чувствовали себя при температуре кристалла 50-70 градусов, новые светодиоды могут переноситьтемпературу до 100 градусов. Проще всего определить – прикоснуться рукой, если рука едва терпит – всё в порядке, а если кристалл может вас обжечь – принимайте решение для улучшения условий его работы.

Как подключить лампу ДНаТ

Вот собранный своими руками компактный щиток, согласно схемы подключения.

Можно конечно все это собрать и в габаритном корпусе светильника, если позволяют размеры.

Очень важно, перед тем как самому собирать такую схему и использовать какие-либо компоненты, обычным мультиметром в режиме замера максимального сопротивления, проверить изоляцию дросселя и конденсатора. Нет ли пробоя на корпус

Нет ли пробоя на корпус.

Для подачи и отключения питания 220В используйте двухполюсный вводной автомат.

Для одного светильника мощность до 400Вт вполне сгодится автомат номиналом 5-6А. Кроме коммутационных операций вкл-выкл, он еще будет играть роль защитного аппарата.

Монтируется автоматический выключатель в самом начале схемы. Не забудьте также заземлить корпус всего щитка.

С автомата выходят два нулевых провода. Один из них согласно схемы, пускаете напрямую к лампе, а второй подключаете к соответствующему зажиму, подписанному «N» на пусковом устройстве.

Имейте в виду, что дроссель должен обязательно устанавливаться только в разрыв фазного провода идущего на лампу, а не нулевого.

Иначе можно случайно сжечь изделие, если при работе нулевой провод после балластного дросселя, случайно коротнет. Далее расключаете фазу. Один провод с автомата монтируете на входящий контакт дросселя.

А провод с выходящего контакта подключаете на клемму “В” (Balast) пускорегулирующего изделия.

После чего, средний вывод Lp (Lampa) пускаете на патрон лампочки.

Схемы включения ИЗУ

Рассмотрим схему параллельного запуска ИЗУ. В такой схеме ламповый ток не проходит непосредственно через ИЗУ, что практически исключает любые потери мощности. Схема зажигающего устройства для подобного включения достаточно проста, сами устройства недороги, просты в эксплуатации и достаточно надежны. Однако формируемые зажигающим устройством импульсы высокой частоты в такой схеме оказывают влияние, помимо лампы, также на дроссель, что обуславливает обязательное применение дросселей с повышенной изоляцией, устойчивой к напряжению 2–5 кВ.

Поскольку стандартные дроссели для металлогалогенных и натриевых ламп не поддерживают такую величину напряжения, то параллельная схема включения ИЗУ используется лишь с лампами, зажигающее напряжение которых меньше 2 кВ. В первую очередь к таким лампам относятся металлогалогенные лампы высокой мощности (от 2000 до 3500 Вт).

Гибкие радиаторы

Тепловые трубки и паровые камеры.

Тепловые трубки и паровые камеры являются пассивными и имеют эффективную теплопроводность в диапазоне от 10000 до 100000 Вт / м К. Они могут обеспечить следующие преимущества в управлении температурой на светодиодах:

Передача тепла к внешнему радиатору с минимальным падением температуры
Изотермизация естественного конвекционного радиатора, повышение его эффективности и уменьшение его размеров. В одном случае добавление пяти тепловых трубок уменьшило массу радиатора на 34%, с 4,4 кг до 2,9 кг.
Эффективно преобразуйте высокий тепловой поток непосредственно под светодиодом в более низкий тепловой поток, который может быть легко удален.

Радиатор для светодиодов. PCB (печатная плата)

MCPCB – MCPCB ( PCB с металлической подложкой – это те платы, которые содержат материал подложки из металла в качестве распределителя тепла в качестве неотъемлемой части печатной платы. Металлическая подложка обычно состоит из алюминиевого сплава. Кроме того, MCPCB может использовать преимущество диэлектрического полимерного слоя с высокой теплопроводностью для снижения теплового сопротивления.
Разделение – отделение цепи привода светодиодов от платы светодиодов предотвращает повышение температуры, генерируемой драйвером, от повышения температуры соединения светодиодов.

Зачем диодам нужно охлаждение?

Несмотря на высокие показатели светоотдачи светодиоды излучают света примерно на треть потребляемой мощности, а остальное выделяется в тепло. Если диод перегревается структура его кристалла нарушается, начинает деградировать, световой поток снижается, а степень нагрева лавинообразно увеличивается.

Причины перегрева светодиодов:

Слишком большой ток;
плохая стабилизация питающего напряжения;
плохое охлаждение.

Первые две причины решаются применением качественного источника питания для светодиодов. Такие источники часто называют драйвер для светодиода. Их особенность заключается не в стабилизации напряжения, а именно в стабилизации выходного тока.

Дело в том, что при перегреве сопротивление светодиода снижается и ток, протекающий через него, возрастает. Если в качестве блока питания использовать стабилизатор напряжения – процесс получится лавинообразным: больше нагрев – больше ток, а больший ток – это больший нагрев и так по кругу.

Стабилизируя ток, вы отчасти стабилизируете и температуру кристалла. Третья причина – это плохое охлаждение для светодиодов. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

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.

Радиаторы для светодиодов: расчет площади, выбор материала, изготовление своими руками

Заявленный срок службы светодиодов исчисляется десятками тысяч часов. Чтобы достичь столь высокого показателя, не ухудшив при этом оптические характеристики, мощные светодиоды необходимо использовать в паре с радиатором. Данная статья позволит читателю найти ответы на вопросы, связанные с расчётом и выбором радиатора, их модификациями и факторами, влияющими на отвод тепла.

А зачем он нужен?

Наравне с другими полупроводниковыми приборами светодиод не является идеальным элементом со 100% коэффициентом полезного действия (КПД). Большая часть потребляемой им энергии рассеивается в тепло. Точное значение КПД зависит от типа излучающего диода и технологии его изготовления. Эффективность слаботочных светодиодов составляет 10-15%, а у современных белых мощностью более 1 Вт её значение достигает 30%, а значит, остальные 70% расходуются в тепло.

Каким бы ни был светодиод, для стабильной и продолжительной работы ему необходим постоянный отвод тепловой энергии от кристалла, то есть радиатор. В слаботочных led функцию радиатора выполняют выводы (анод и катод). Например, в SMD 2835 вывод анода занимает почти половину нижней части элемента. В мощных светодиодах абсолютная величина рассеиваемой мощности на несколько порядков больше. Поэтому нормально функционировать без дополнительного теплоотвода они не могут. Постоянный перегрев светоизлучающего кристалла в разы снижает срок службы полупроводникового прибора, способствует плавной потере яркости со смещением рабочей длины волны.

Конструктивно все радиаторы можно разделить на три большие группы: пластинчатые, стержневые и ребристые. Во всех случаях основание может иметь форму круга, квадрата или прямоугольника. Толщина основания имеет принципиальное значение при выборе, так как именно этот участок несёт ответственность за приём и равномерное распределение тепла по всей поверхности радиатора.

На форм-фактор радиатора оказывает влияние будущий режим работы:

с естественной вентиляцией;
с принудительной вентиляцией.

Радиатор охлаждения для светодиодов, который будет использоваться без вентилятора, должен иметь расстояние между рёбрами не менее 4 мм. В противном случае естественной конвекции не хватит для успешного отвода тепла. Ярким примером служат системы охлаждения компьютерных процессоров, где за счёт мощного вентилятора расстояние между рёбрами уменьшено до 1 мм.

При проектировании светодиодных светильников большое значение уделяется их внешнему виду, что оказывает огромное влияние на форму теплоотвода. Например, система отвода тепловой энергии светодиодной лампы не должна выходить за рамки стандартной грушевидной формы. Этот факт вынуждает разработчиков прибегать к различным ухищрениям: использовать печатные платы с алюминиевой основой, соединяя их с корпусом-радиатором при помощьи термоклея.

Материалы изготовления радиаторов

В настоящее время охлаждение мощных светодиодов производят преимущественно на радиаторах из алюминия. Такой выбор обусловлен лёгкостью, низкой стоимостью, податливостью в обработке и хорошими теплопроводящими свойствами этого металла. Монтаж медного радиатора для светодиода оправдан в светильнике, где первостепенное значение имеют размеры, так как медь в два раза лучше рассеивает тепло, чем алюминий. Свойства материалов, которые наиболее часто используются для охлаждения мощных светодиодов, рассмотрим более детально.

Алюминиевые

Коэффициент теплопроводности алюминия находится в пределах 202–236 Вт/м*К и зависит от чистоты сплава. По этому показателю он в 2,5 раза превосходит железо и латунь. Кроме этого, алюминий поддаётся разным видам механической обработки. Для увеличения теплоотводящих свойств алюминиевый радиатор анодируют (покрывают в чёрный цвет).

Медные

Теплопроводность меди составляет 401 Вт/м*К, уступая среди других металлов лишь серебру. Тем не менее медные радиаторы встречаются намного реже алюминиевых, что обусловлено наличием ряда недостатков:

высокая стоимость меди;
сложная механическая обработка;
большая масса.

Применение медной охлаждающей конструкции ведёт к увеличению себестоимости светильника, что недопустимо в условиях жёсткой конкуренции.

Керамические

Новым решением в создании высокоэффективных теплоотводов стала алюмонитридная керамика, теплопроводность которой составляет 170–230 Вт/м*К. Этот материал отличается низкой шероховатостью и высокими диэлектрическими свойствами.

С применением термопластика

Несмотря на то что свойства теплопроводных пластмасс (3–40 Вт/м*К) хуже, чем у алюминия, их главными преимуществами являются низкая себестоимость и лёгкость. Многие производители светодиодных ламп используют термопластик для изготовления корпуса. Однако термопластик проигрывает конкуренцию металлическим радиаторам в проектировании светодиодных светильников мощностью более 10 Вт.

Особенности охлаждения мощных светодиодов

Как указывалось ранее, обеспечить эффективный отвод тепла от светодиода можно при помощи организации пассивного или активного охлаждения. Светодиоды мощностью потребления до 10 вт целесообразно устанавливать на алюминиевые (медные) радиаторы, так как их массогабаритные показатели будут иметь приемлемые значения.

Применение пассивного охлаждения для светодиодных матриц мощностью 50 Вт и более становится затруднительным; размеры радиатора составят десятки сантиметров, а масса возрастёт до 200-500 грамм. В этом случае стоит задуматься о применении компактного радиатора вместе с небольшим вентилятором. Этот тандем позволит снизить массу и размеры системы охлаждения, но создаст дополнительные трудности. Вентилятор необходимо обеспечить соответствующим напряжением питания, а также позаботиться о защитном отключении светодиодного светильника в случае поломки кулера.

Существует ещё один способ охлаждения мощных светодиодных матриц. Он состоит в применении готового модуля SynJet, который внешне напоминает кулер для видеокарты средней производительности. Модуль SynJet отличается высокой производительностью, тепловым сопротивлением не больше 2 °C/Вт и массой до 150 г. Его точные размеры и вес зависят от конкретной модели. К недостаткам стоит отнести необходимость в источнике питания и высокую стоимость. В результате получается, что светодиодную матрицу в 50 Вт нужно крепить либо на громоздкий, но дешёвый радиатор, либо на маленький радиатор с вентилятором, блоком питания и системой защиты.

Каким бы ни был радиатор, он способен обеспечить хороший, но не самый лучший тепловой контакт с подложкой светодиода. Для снижения теплового сопротивления на контактируемую поверхность наносят теплопроводящую пасту. Эффективность её воздействия доказана повсеместным применением в системах охлаждения компьютерных процессоров. Качественная термопаста устойчива к затвердеванию и обладает низкой вязкостью. При нанесении на радиатор (подложку) достаточно одного тонкого ровного слоя на всей площади соприкосновения. После прижима и фиксации толщина слоя составит около 0,1 мм.

Расчет площади радиатора

Существуют два метода расчёта радиатора для светодиода:

проектный, суть которого состоит в определении геометрических размеров конструкции при заданном температурном режиме;
поверочный, который предполагает действовать в обратной последовательности, то есть при известных параметрах радиатора можно рассчитать максимальное количество теплоты, которую он способен эффективно рассеивать.

Точный расчёт

P_Т – мощность, выделяемая в виде тепла, Вт;
k – коэффициент, учитывающий процент энергии, переходящей в тепло. Это величина для мощных светодиодов принимается равной 0,7-0,8;
U_ПР – прямое падение напряжения на светодиоде при протекании номинального тока, В;
I_ПР – номинальный ток, А.

Rθ_jc – тепловое сопротивление p-n-переход-корпус (junction-case);
Rθ_cs – тепловое сопротивление корпус-радиатор (case-surfase radiator);
Rθ_sa– тепловое сопротивление радиатор-воздух (surfase radiator-air).

Rθ_ja – сопротивление p-n-переход-воздух;
T_j – максимальная температура p-n-перехода (справочный параметр), °C;
T_a – температура воздуха вблизи радиатора, °C.

Найти из графика «зависимость максимального теплового сопротивления от прямого тока».

По известному Rθ_sa выбирают стандартный радиатор. При этом паспортное значение теплового сопротивления должно быть немного меньше расчетного.

Приблизительная формула

Предлагаем воспользоваться простой эмпирической формулой, позволяющей получить приемлемый результат расчёта: Rθ_sa=50/√S, где S – площадь поверхности радиатора в см 2 .

Допустимую мощность рассеивания находим из формулы: P_т=(T_j-T_a)/Rθ_ja.

Радиатор для светодиода своими руками

Дешевые теплоотводчики для любительских самооделок

Определение радиатора в светодиодной лампе перед покупкой

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения: виды радиаторов

Светодиодные лампы прочно вошли в нашу жизнь, практически полностью вытеснив лампы накаливания и энергосберегающие компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). Можно предположить, что все дело в их экономичности, отличных технических характеристиках (таких как световой поток, CRI, угол рассеивания), а также в их продолжительном сроке службы.

Для чего нужен радиатор в светодиодной лампе

На срок службы изделия первоочередное влияние оказывает качество светодиодов, а также драйвер, правильная работа которого напрямую влияет на стабильность диодов. Однако в процессе эксплуатации светодиодной лампы её поверхность загрязняется, что негативно влияет на отвод производимого тепла. С течением времени появляется проблема перегрева, с которой связано уменьшение светоотдачи диодов вплоть до их выхода из строя. Чтобы этого избежать, повышают стабильность работы источников света. Для этого в конструкции каждого из них предусмотрен радиатор.

Виды радиаторов

Радиатор – это конструктивный элемент, который служит для отвода и рассеивания тепла от светодиодов.

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения бывают следующих видов:

с алюминиевым радиатором;
керамическим;
композитным;
пластиковым.

Светодиодные лампы с алюминиевым радиатором

Данные лампы относятся к стандарт- или high-классу. Алюминиевым радиатором в таких изделиях может быть как полоска металла, так и конструктивно более сложная алюминиевая база. Отсюда и разделение таких светильников на два вида:

с ребристым радиатором;
с плоским радиатором.

Светодиодные лампы с ребристым алюминиевым радиатором

Наиболее эффективно защищённые лампы, радиатор которых представлен в виде многослойной конструкции с вентиляционными каналами. За их счет увеличивается площадь рассеивания тепла, что существенно увеличивает срок службы светодиодов, а также препятствует их деградации со временем по причине перегрева.

Светодиодные лампы с алюминиевым радиатором

Лампы с плоским радиатором

Плоский радиатор менее эффективен, чем ребристый. Используется такой охлаждающий элемент в основном в лампах небольшой мощности. Часто для более эффективного отвода тепла он имеет вентиляционные каналы, а его поверхность для диэлектризации покрыта слоем специальной краски или лака.

Композитный радиатор

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения из композитного материала отличаются в первую очередь демократичной ценой. В таких лампах элемент представляет собой двухслойную конструкцию из алюминиевой полосы, покрытой теплопроводящим пластиком. По причине своей низкой цены лампы с композитным радиатором являются наиболее широко представленными на рынке в сегменте эконом-класса. Фактическое наличие алюминиевого слоя позволяет производителям использовать маркетинговые уловки для повышения привлекательности своей продукции.

Однако такие радиаторы не могут эффективно отводить тепло, поэтому гарантийный срок службы изделий с ними редко когда превышает 1 год.

Пластиковый радиатор

Самый простой вариант, правильнее назвать его имитацией радиатора. Элемент представляет собой корпус, выполненный из терморассеивающего пластика. Главные отличия таких ламп: низкая цена, короткий гарантийный срок, непродолжительный срок службы (10000-15000 часов). В лампах высокой мощности для повышения теплоотвода пластиковый радиатор выполняют с дополнительными массивными ребрами и вентиляционными отверстиями.

Читайте также:

Ручная полировка гранита

Светодиодные лампы с плстиковым радиатором

Керамический радиатор

Светодиодные лампы с радиатором охлаждения из керамики отличает высокая теплостойкость, а диэлектрические свойства материала позволяют монтировать светодиодные модули прямо на поверхность такого радиатора. Наиболее распространенным видом лампы с керамическим радиатором без рассеивающей колбы является так называемая лампа-кукуруза.

Светодиодные лампы с керамическим радиатором охлаждения

Светодиодные лампы с каким радиатором охлаждения выбрать?

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что качество любой светодиодной лампы зависит в том числе и от качества радиатора, а точнее от материала, из которого тот выполнен. Наиболее надежными, с продолжительным реальным сроком службы считаются светодиодные лампы с алюминиевым радиатором охлаждения, а также с керамическим (в том случае, если такой источник света не будет иметь рассеивающей колбы). Пластиковым вариантам можно отдать предпочтение в том случае, если использоваться подобные лампы будут лишь эпизодически и непродолжительное время, например, в кладовках, подсобных помещениях.

Какой нужен радиатор для охлаждения светодиода?

Светодиоды, которые появились на рынке радиоэлектроники сравнительно недавно, уже прочно заняли лидерские позиции по отношению к другим источникам света. Они наиболее экономичны в плане расхода электроэнергии, более компактны и удобны в использовании и обладают меньшим выделением тепла.

И все же, насколько бы высокотехнологичным ни был светодиод, повышения температуры при его работе не избежать. К тому же при нагреве подобный LED-элемент в силу своих конструктивных особенностей начинает терять силу светового потока.

Конечно, если это обычный DIP-светодиод с двумя ножками-контактами, ему вполне хватает внешнего охлаждения. Но если взять более мощные элементы, то тут уже стоит задуматься о радиаторе охлаждения для светодиодов, который бы помог отведению тепла от источника света.

Если обратить внимание на подобные устройства охлаждения в магазинах, то можно понять, насколько велика их стоимость. Что же тогда делать?

Остается разобраться, возможно ли самому, своими руками сделать радиатор для определенного светодиода или группы светодиодов, как это выполнить, и насколько это сложно. Вот сейчас мы постараемся решить этот вопрос.

А нужен ли радиатор?
Существующие виды радиаторов
Исходный материал
Алюминий
Медь
Керамика
Термопластик
Охлаждение светодиодов большой мощности
Площадь элемента охлаждения
Формула расчета радиатора

А нужен ли радиатор?

Для начала есть смысл понять, нужен ли охлаждающий радиатор для светодиода и если да, то зачем.

Дело в том, что по эффективности, если брать слаботочные диодные излучатели, их коэффициент полезного действия составляет лишь 15–17%. При этом понятно, что остальная энергия уйдет на выделение тепла. Конечно, КПД более мощных светодиодов (больше 1 ватта) в 2 раза выше, но ведь и энергии они потребляют больше.

Так что любой подобный световой прибор в итоге выделяет некое количество тепла, которое должно куда-то уйти. К примеру, в световом диоде СМД2835 контакт анода составляет чуть меньше половины компонента, он-то и обеспечивает необходимый отток тепла, и это притом, что он является слаботочным. Получается, что он уже с радиатором. А вот мощные светодиоды требуют к себе большего внимания.

При постоянно повышенной температуре кристалла длина волн излучения смещается, в результате чего снижается яркость и сильно уменьшается срок службы. Выходит, что без радиатора при самостоятельном монтаже схемы с применением мощных светодиодов никак не обойтись.

Существующие виды радиаторов

Охлаждающие устройства делятся по конструктивным особенностям на 3 основных типа и могут иметь круглую, квадратную или прямоугольную форму, независимо от того, пластинчатый это радиатор, стержневой или ребристый.

Выбирая охладитель или изготавливая его собственноручно, нужно обратить особое внимание на толщину его основания, ведь как раз оно примет на себя основное тепло, которое затем равномерно распределит по другим частям радиатора.

На выбор формы охлаждающего приспособления влияет устройство самого будущего прибора, а именно то, как он будет охлаждаться, будет ли вентиляция принудительной или естественной.

От этого зависит расстояние между пластинами. При условии отсутствия принудительной вентиляции оно не может быть меньше 4 миллиметров. Если же условие не соблюдено, то толку от подобного устройства охлаждения не будет.

А вот форма значения для охлаждения не имеет. Примером могут послужить светодиодные лампы. Проектировщикам приходится, наверное, изрядно потрудиться, придумывая вариант, при котором теплоотвод не будет выходить за размеры и форму самой лампочки, не испортит внешнего вида и при этом эффективно выполнит свою работу. Иногда в таких случаях охлаждающее устройство крепится специальным теплопроводящим клеем непосредственно к печатной плате.

Исходный материал

Для изготовления теплоотвода в наши дни чаще всего используется алюминий. Все дело в том, что этот материал очень удобен для подобных целей, и при этом достаточно дешев. Но если имеют значение габариты изделия, тогда лучше меди вряд ли удастся что-то найти, т. к. она обладает большей проводимостью тепла, а значит и теплоотвод по размеру получится в 2 раза меньше.

Но ведь не только эти два материала подходят для изготовления охлаждающего устройства? Имеет смысл понять, из какого еще сырья можно сделать теплоотвод и в чем их различия.

Алюминий

По уровню теплопроводности средний показатель колеблется в диапазоне от 200 до 240 Вт/м*К, что превышает тот же параметр латуни и железа почти в 3 раза. В основном он зависит от наличия и количества примесей в алюминии. Конечно, это удобный в обработке металл, потому и столь распространен, но все же при условии, что корпус устройства мал, а охлаждение требуется приличное, алюминиевый радиатор уступает меди.

Показатель данного металла в 2 раза превышает теплопроводность алюминия, уступая пальму первенства лишь такому благородному металлу, как серебро, и составляет 400 Вт/м*К. Но при том, что медь так хорошо охлаждает, такие радиаторы встречаются довольно редко. Все дело в том, что она довольно дорога, если сравнивать с алюминием, да к тому же сложна в механической обработке и имеет большую массу.

Медный радиатор

Получается, если в лампу на светодиодах устанавливать медные охладители, то возрастет его цена, а это неприемлемо, т. к. в итоге фирма в условиях жесткого рынка станет неконкурентоспособна.

Керамика

Параметр теплопроводности близок к параметрам алюминия и составляет 175–235 Вт/м*К. Удобна керамика тем, что сама является диэлектриком, что немаловажно в электронных и электрических схемах.

И все же при подобной теплопроводности она проигрывает другому, очень удобному в обращении материалу.

Термопластик

Конечно, параметры теплопроводности термопластика немного ниже, чем у алюминия (от 5 до 40 Вт/м*К), но у него есть некоторые преимущества. Помимо диэлектрических свойств он еще очень легок и имеет низкую стоимость. Только вот при проектировке ламп на светодиодах мощнее 10 ватт он явно проигрывает алюминию и меди.

Охлаждение светодиодов большой мощности

Конечно, светодиоды, имеющие мощность выше 10 Вт и ниже 50 Вт, нет смысла обеспечивать принудительной вентиляцией – с их охлаждением могут вполне справиться радиаторы из меди или алюминия. А вот при большей мощности это становится проблематичным. Конечно, нет ничего невозможного, но имеет ли смысл оставлять естественное охлаждение при высокой мощности прибора, если вес только охлаждающего устройства будет 400 грамм и более?

В таком случае придется поразмышлять, как скомпоновать радиатор с небольшим кулером. Конечно, это создаст некоторые затруднения в плане оборудования отсечения питания в случае выхода из строя вентилятора, а также и его питания, но зато поможет снизить вес светодиодного светильника.

Выходит, что человек ставится перед выбором – либо тяжелый и габаритный, но сравнительно дешевый охлаждающий элемент, либо установка компактного радиатора, имеющего малый вес, с кулером, устройством питания и автоматикой отключения.

На это можно сказать, что как бы ни было хорошо устройство охлаждения, оно не обеспечит идеального теплового сопротивления. Вот как раз для его снижения и применяется специальная термопаста. Практическим опытом обосновано, что она достаточно эффективна, а потому и применяется повсеместно и в компьютерной технике, и в бытовой электронике. Если она хорошего качества, то у нее будет низкая вязкость и хорошая устойчивость к затвердеванию при повышении температуры.

Радиатор с кулером

Площадь элемента охлаждения

Рассчитать площадь охлаждающего элемента для светодиодной лампы можно двумя способами – проектным и поверочным.

Суть проектного состоит в том, чтобы определить геометрические размеры охлаждаемого прибора, а поверочный способ – действие от обратной точки, т. е. зная возможности радиатора по его размерам, нужно высчитать, на какой объем теплообмена он будет способен.

Конечно, решать, какой из вариантов наиболее приемлем, нужно отдельно в каждом конкретном случае, исходя из имеющихся данных, но при любом выборе необходимо понимать, что требуется решение точной математической задачи с формулами и множеством неизвестных. К тому же, кроме справочной литературы понадобятся данные графиков с подставлением к ним необходимых формул, а также учет не только размера и направленности решетки, которую имеет теплоотвод, но и внешних влияний.

А еще имеет смысл учесть страну-производителя светодиодов, т. к. китайцы часто «радуют» несоответствием заявленных характеристик реальным.

Формула расчета радиатора

Это естественно, что многим не хочется из-за пары приборов вникать в столь сложные дебри формул и таблиц, которых нужно пересмотреть огромное множество. Но как сделать расчет? Существует более упрощенный вариант вычислений. Конечно, он немного поверхностен и не учитывает некоторых факторов, но все же рассчитать размеры теплоотводящего элемента, хоть и примерно, поможет.

Если принять то, что S в данной формуле является площадью охлаждающего элемента (в кв. см), то выглядеть она будет следующим образом: Rθsa = 50/√S.

Необходимо подставить в нее площадь радиатора, не забывая учесть и ребра, и боковые грани, и можно получить данные элемента охлаждения по его теплопроводному сопротивлению.

Ну а по следующей формуле можно вычислить параметры мощности рассеивания: Pт = (Tj-Ta)/Rθja.

Т. к. это наилегчайший способ вычисления, и он не учитывает множество нюансов, то получившиеся данные можно смело умножить на погрешность, т. е. на 0.7.

Самодельный светодиодный прожектор в домашних условиях

Устаревшие галогенные прожекторы в последнее время повсеместно заменяются системами освещения на светодиодах, которые имеют более высокую эффективность, но стоимость таких устройств на порядок выше.

Мастера знают, как собрать светодиодный прожектор своими руками. Для этого придется купить необходимые детали, подготовить инструменты и освоить простые навыки.

Особенности конструкции прожектора

Диодные прожекторы или LED-устройства весьма экономичны по расходу электроэнергии, требуют минимум обслуживания, их светящие элементы работают до 50 – 90 тыс. часов. Приборы приспособлены для эксплуатации на улице, не портятся от погодных условий, грязи, пыли. Качество излучаемого света очень высокое.

Можно ли сделать прожектор на светодиодах своими руками? Конструкция такого оборудования довольно проста, потому можно попробовать собрать его в домашних условиях. Серьезных поломок у самодельного прожектора обычно не возникает, а все, что сломается, можно отремонтировать самостоятельно.

Устройство будет состоять из таких частей:

корпус;
фиксирующие скобы;
светодиодная матрица;
драйвер.

Матрица прибора состоит из диодов, прикрепленных к плате и защищенных особыми полимерами от повреждения.

Электротехническая специфика прожектора

Перед началом сборки надо уточнить особенности электроники прожектора на основе светодиодов. Это поможет выполнить работу правильно и исключить воздействие высоких температур на активную зону прибора. Дело в том, что твердотельные полупроводники высокочувствительны к таким перепадам, что вызывает их деградацию и потерю легирующих добавок. В конечном счете критическое повышение температуры (от +60 градусов) вызывает уменьшение интенсивности освещения или полную поломку.

Конструкция простого светодиода предусматривает наличие таких составляющих:

анод;
катод;
линза и кристалл;
проводник.

Мощный светодиод включает проводник, теплоотвод, кристалл, линзу, катод. Надо помнить, что мощность диода повышает риск его преждевременного износа из-за перегрева. При создании самоделки важно обеспечить хорошую систему отведения тепла, правильно разбить излучатель на несколько частей и верно их установить (последовательно или параллельно). В простых прожекторах можно делать всего 1 излучающий элемент.

Не менее важно стабилизировать сеть по току, иначе перегрева не избежать. Ток должен регулироваться приложенным напряжением и ограничиваться резисторами на диодах. При создании схемы ЛЕД-устройства делается строгий расчет: при превышении напряжения светодиоды скоро испортятся, при недоборе — будут слабо светить.

Читайте также:

Плетение фенечек. Основные узлы

Необходимые материалы и детали

Чтобы собрать качественное устройство, надо заранее купить все нужные составляющие. Часть можно найти в гараже у автолюбителей, иные — раздобыть у знакомых.

Светодиодная матрица с драйвером. Такие есть на старых фонарных столбах, которые уже вышли из строя — их мощности будет вполне достаточно, но придется заменить перегоревшие лампы. Еще лучше купить новый элемент в специализированном магазине электроники.
Корпус. Его готовят своими руками из разных подручных материалов — металла, фанеры. Можно взять старый галогеновый фонарь или купить новый.
Соединительные провода. Потребуются для подсоединения готового устройства к сети питания.
Фольга. Нужна для создания отражателя. Купить ее можно в продуктовом магазине, главное, чтобы плотность была высокой.
Надежный клей и герметик либо средство 2 в 1.
Радиатор охлаждения. Будет нужен для изготовления мощного прожектора — на 100 Ватт и более.

Для работы потребуются такие инструменты:

болгарка;
аппарат для сварки;
дрель со сверлом;
паяльник с припоем.

Источники света

Светодиоды — главный элемент осветительного прибора, без них не будет выполняться основная функция устройства. Их качеству стоит уделить самое пристальное внимание при покупке. Все светодиоды в рамках одного прибора обязаны быть строго одинаковыми по типу, техническим параметрам (вольт-амперные характеристики).

Тип светодиодов

Рекомендуется сразу купить достаточное количество запасных диодов (до 10), которые заменят поврежденные при монтаже изделия. Неудачное монтирование — не редкость, и покупка с запасом избавит от неудобств.

Существует три основных типа светодиодов:

В форме пластиковой капсулы со штыревыми выводами. Годятся для создания прожекторов малой мощности, для фонарей, стоят дешево. Сила света от таких диодов невелика. У профессионалов есть специальные приборы для определения мощности светодиодов по размеру самих кристаллов, в противном случае придется довериться продавцу. Работать с такими светодиодами легко, ремонтировать — проще простого.
Сверхяркие белые светодиоды на металлической подложке. Их применяют для создания высокомощного осветительного оборудования, система отведения тепла эффективная и простая. Стоимость таких изделий невысока.
Светодиодные LED-матрицы. Это высокомощные светодиоды, работать с которыми рекомендуется только профессионалам. Обычным способом отводить тепло от них не получится, следовательно, прожектор быстро придет в негодность.

Материал корпуса

Корпуса для прожекторов можно купить в интернет-магазине или в специализированном отделе радиотехники, электроники. Стоимость их довольно низкая. Можно «вытряхнуть» старый галогенный светильник, взяв за основу его корпус. Оба варианта хороши, поскольку не придется изобретать отражатель, который уже есть внутри. Цена простенького галогенового светильника составит 150 – 200 рублей, а замена наполнения на светодиодное позволит получить мощное светотехническое оборудование.

Можно сделать корпус самостоятельно, но его эстетические свойства будут ниже. Для обеспечения высокой степени защиты от пыли, влаги стоит взять старую автомобильную фару. Для отличного отвода тепла применяют алюминиевые радиаторы — из них получаются качественные корпуса.

Чтобы разместить пару или больше светодиодов и матриц на одной плате, лучше сделать корпус из жести, тонколистовой стали. После сгибания коробки края шлифуют, швы соединяют заклепками. Сверху изделие грунтуют, наносят эмаль по металлу. Дальше работать с заготовкой можно только после полного высыхания.

Источник питания

После сбора диодов надо подумать о подаче напряжения. Бытовые источники тока не применяются, нужен специальный LED-драйвер, который подает пульсирующий стабильный ток.

LED-драйвер

Высокого напряжения (220 Вольт) светодиодам для питания не требуется, им достаточно 3,2 – 12 Вольт. Если подать к устройству большее напряжение, его можно попросту сжечь. Именно для исключения таких последствий любой прожектор должен иметь LED-драйвер. Его предназначение — стабилизация постоянного тока.

Практически для всех самодельных светодиодных прожекторов годится драйвер LED-лент или систем интерьерного освещения. Его покупают заранее в готовом виде, согласно техническим параметрам рассчитывают количество диодов и разрабатывают схему их соединения. Она будет зависеть от напряжения на выходе и тока стабилизации.

Блоки питания

Такие приборы применяются на прожекторах, которые построены на LED-матрицах. Для малых устройств небольшой мощности можно применять блоки питания общебытового значения с выходным пульсирующим током 0,5 – 1,5 А, напряжением на несколько вольт больше, чем прямое напряжение светодиодов. Для стабилизации тока используются микросхемы LM317, а для приборов более высокой мощности — LM350, LM338.

Этапы сборки прожектора

Порядок создания готового изделия следующий:

Подготовить корпус, из старых корпусов удалить все лишнее, чтобы получилась пустая коробка, заднюю часть отделать фольгой.
При необходимости высверлить в корпусе дырки для вентилирования (при установке радиатора или кулера).
Собрать все светодиоды вместе в одну конструкцию, закрепить их на основании (плате).
Подвести к контактам провода, вывести на наружную часть корпуса.
Установить готовую конструкцию внутри корпуса, закрепить клеем.
Для мощного прожектора поставить радиатор вместе со светодиодной платой (приклеить).
Вытащить провода наружу, закрепить герметиком (это позволит исключить попадание влаги и грязи внутрь).

Для подключения в сеть надо заранее подвести провода электропередачи в нужное место. Важно не перепутать полярность проводов, иначе диоды могут сгореть или не будут работать. Обязательно устанавливается драйвер для стабилизации напряжения. Места стыков проводов изолируются гофрой или пластиковым чехлом. Готовую конструкцию закрепляют на улице.

В результате таких действий будет готов самодельный прожектор с направленным освещением и высокой яркостью. Минус в том, что при нестабильном напряжении надежность изделия будет ниже, поскольку скачки могут вызвать перегорание диодов. Исправить такой недочет поможет монтирование двух резисторов с сопротивлением 1 – 2 Ом. Это позволит получить действительно качественную конструкцию не хуже тех, что реализуются в магазине.