Neļaujiet karstumam iznīcināt jūsu gaismas diodes — izlasiet to pirms nākamā pasūtījuma

Neļaujiet karstumam iznīcināt jūsu gaismas diodes — izlasiet to pirms nākamā pasūtījuma

Starp LED gaismas "trīs galvenajiem komponentiem" siltuma izlietne ir visvieglāk novērtēta pēc izskata. Liels alumīnija korpuss var izskatīties "stingrs", taču tas var darboties slikti, savukārt kompakts armatūra ar gudru siltuma dizainu var kalpot gadiem ilgi. Siltuma izlietnei nav CRI numura, piemēram, LED mikroshēmai, ne arī pastāvīgas strāvas specifikācijas, piemēram, draiverim. Bet tas tieši nosaka gaismas diožu savienojuma temperatūru, un katrs 10 grādu savienojuma temperatūras pieaugums samazina LED kalpošanas laiku aptuveni uz pusi.Siltuma izlietne ir LED kalpošanas laika vārtsargs.

1. Kāpēc gaismas diodēm nepieciešama siltuma novadīšana? - Viegli aizmirsts fizisks fakts

Lai gan gaismas diodes ir daudz efektīvākas nekā kvēlspuldzes, 60–85% elektroenerģijas (atkarībā no mikroshēmas efektivitātes) joprojām tiek pārvērsti siltumā. Kā piemēru ņemiet 100 W LED armatūru: pat ar 150 lm/W efektivitāti vairāk nekā 50 W kļūst par siltumu. Ja šie 50 W tiek koncentrēti uz nagu lieluma mikroshēmas, savienojuma temperatūra uzreiz pārsniegtu 150 grādus.

LED mikroshēmas savienojuma temperatūra (Tj) ietekmē visu:

• Pārāk augsts Tj → gaismas plūsma samazinās (gaismas diode kļūst blāvāka ar tādu pašu strāvu)
• Pārāk augsts Tj → mainās krāsu temperatūra (parasti uz siltu baltu)
• Pārāk augsts Tj → lūmena nolietojums paātrinās (L70 kalpošanas laiks ievērojami saīsinās)
• Pārāk liels Tj → termiskais spriegums saplaisā iepakojumu un noveco fosforu
• Extreme Tj → mikroshēmas izdegšana, miris LED

Labi izstrādātas termiskās sistēmas mērķis ir uzturēt mikroshēmas savienojuma temperatūru datu lapā norādītajās robežās (parasti zem 85 grādiem – 105 grādiem, atkarībā no mikroshēmas) pie maksimālās apkārtējās vides temperatūras.

2. Termiskais ceļš: katra pietura no mikroshēmas līdz gaisam

Siltums pārvietojas no LED mikroshēmas uz apkārtējo gaisu caur vairākām saskarnēm:

• Mikroshēma → Iepakojuma termopad– termiskā pretestība Rth_j-s (savienojums ar lodēšanas punktu)
• Iepakojuma termiskais spilventiņš → Metāla serdes PCB (MCPCB)– izmantojot lodmetālu vai termisko līmi, Rth_s-b
• MCPCB → Siltuma izlietne– izmantojot termisko smērvielu vai termisko spilventiņu, Rth_b-h
• Siltuma izlietne → Apkārtējais gaiss– caur konvekciju un starojumu, Rth_h-a

Kopējā termiskā pretestība=Rth_j-s + Rth_s-b + Rth_b-h + Rth_h-a. Katrs interfeiss ir potenciāli vāja saite.

Metāla kodola PCB (MCPCB)ir neaizstājama savienojošā loma. Plāns dielektriskais slānis (parasti piepildīts ar keramikas pulveri) elektriski izolē vara ķēdi no alumīnija pamatnes, vienlaikus vadot siltumu. Bez MCPCB siltumam no mikroshēmas būtu jāpārvietojas pa niecīgo vadu šķērsgriezumu — tas nebūt nav pietiekami.

3. Siltuma izlietņu galvenie parametri un projektēšanas principi

3.1. termiskā pretestība (Rth, grāds /W)

Siltuma izlietnes veiktspēju mēra pēc termiskās pretestības: par cik grādiem siltuma izlietnes virsma ir karstāka nekā apkārtējais gaiss uz vienu siltuma vatu. Piemēram, 1 grāda/W siltuma izlietne nozīmē, ka tad, kad gaismas diode izkliedē 10 W, siltuma izlietne būs par 10 grādi virs apkārtējās vides (stacionārais stāvoklis).

Labāka ir zemāka siltuma pretestība. 100 W armatūrai 0,5 grādi/W siltuma izlietne nodrošina virsmas temperatūru 30 + 100×0.5=80 grādi pie 30 grādiem apkārtējās vides. Mikroshēmas krustojums būs vēl augstāks, tāpēc faktiskais Tj var pārsniegt 90–100 grādus.

3.2. Virsmas laukums un spuru dizains

Fizikas pamatelementi:Siltuma izkliedētais ≈ siltuma pārneses koeficients × virsmas laukums × temperatūras starpība.Tāpēc:

• Lielāks virsmas laukums ir labāks.
• Tilpums un izmaksas ir ierobežotas, tāpēc jums ir jāpalielina efektīvais laukums pieejamajā telpā – tāda ir spuru loma.

Labām siltuma izlietnēm parasti ir:

• Plānas, blīvi izvietotas spuras– ja vien pieļauj ražošanas un putekļu tolerance, mazāks spuras solis palielina kopējo platību
• Vertikālā orientācija– nodrošināt dabisko konvekcijas gaisa plūsmu
• Bieza pamatne– ātri izplatīt siltumu no avota uz visu spuru bloku, izvairoties no karstajiem punktiem

3.3 Materiāls: dominē alumīnijs, vara piedevas, plastmasa ir slazds

• Alumīnija sakausējums (visbiežāk)– 6063, 6061, 1070 uttLietais alumīnijsvar veidot sarežģītas formas, bet tam ir zemāka vadītspēja (≈90-120);ekstrudēts alumīnijsdarbojas labāk, taču tas attiecas tikai uz lineāriem profiliem.
• Varš– vadītspēja ≈400 W/(m·K), daudz augstāka nekā alumīnija. Bet varš ir dārgs, smags un pakļauts oksidācijai. To dažreiz izmanto augstākās klases vai īpaši plānās siltuma izlietnēs kā siltuma sadalītāju kombinācijā ar alumīnija ribām.
• Plastmasas/keramikas siltuma izlietnes– dažos zemo izmaksu ķermeņos tiek izmantoti plastmasas korpusi ar maziem metāla ieliktņiem vai "termiskā plastmasa". Šādu plastmasu siltumvadītspēja parasti ir tikai 1–5 W/(m·K), kas ir daudz zemāka par alumīniju. Tie darbojas tikai ar ļoti mazu jaudu (<5W). Apgalvojumi, ka plastmasas siltuma izlietne var atdzesēt desmitiem vatu LED, gandrīz vienmēr ir nepatiesi.

3.4 Virsmas apdare: krāsa un raupjums

Melnā anodēšana kalpo diviem mērķiem:

• Palielina radiācijas dzesēšanu. Melnām virsmām emisijas koeficients ir 0,85–0,95, savukārt pulēta alumīnija ir tikai aptuveni 0,05. Siltuma izlietnēs, kurās dominē dabiskā konvekcija, starojums parasti veido 10–30% no kopējās siltuma izkliedes — tas nav nenozīmīgs.
• Novērš koroziju un uzlabo izskatu.

Tomēr, ja armatūra ir uzstādīta ļoti slikti vēdināmā slēgtā telpā, starojumam ir mazāka nozīme. Jebkurā gadījumākrāsa vai pulvera pārklājums parasti ir biezāks nekā anodēšana un palielina termisko pretestību, tāpēc profesionālās siltuma izlietnes dod priekšroku anodēšanai.

4. Pasīvā dzesēšana pret aktīvo dzesēšanu

4.1 Pasīvā dzesēšana

• Kā tas darbojas– paļaujas tikai uz dabisko konvekciju un starojumu, bez kustīgām daļām.
• Priekšrocības– bez trokšņa, ārkārtīgi augsta uzticamība (nav ventilatora atteices riska), bez papildu enerģijas patēriņa, piemērots augsta IP vidēm (putekļu/ūdens izturība).
• Trūkumi– prasa salīdzinoši lielu tilpumu un virsmas laukumu; mazāks jaudas blīvums.
• Lietojumprogrammas– sadzīves LED spuldzes, lejasgaismas, paneļu apgaismojums, ielu apgaismojums (daudzi joprojām izmanto pasīvo), āra prožektori.

4.2 Aktīvā dzesēšana — parasti tiek pievienots ventilators

• Kā tas darbojas– ventilators piespiež gaisu pāri spurām, ievērojami palielinot konvekcijas siltuma pārneses koeficientu (5-10 reizes lielāks).
• Priekšrocības– spēj izkliedēt lielu daudzumu siltuma nelielā tilpumā; ideāli piemērots kompaktiem, lieljaudas ķermeņiem.
• Trūkumi– troksnis (klusie ventilatori var būt 20-30 dBA, bet joprojām ir); ventilators ir kustīga daļa ar ierobežotu kalpošanas laiku (parasti 20 000–50 000 stundas salīdzinājumā ar . 50 000–100,000+ gaismas diodēm); ventilatora atteice izraisa ātru pārkaršanu un mikroshēmas bojājumus; ventilatori var norīt putekļus, izraisot aizsērēšanu vai aizķeršanos.
• Lietojumprogrammas– ļoti liela jaudas blīvuma scenāriji, piemēram, skatuves sekošanas vietas, automobiļu priekšējie lukturi, projektoru avoti, daži augstceltnes gaismas.

Ieteikums: Ja vien vietas nav ļoti maz un lietotājs var pieņemt periodisku apkopi, izvēlieties pasīvo dzesēšanu. Rūpnieciskajām gaismām, ko eksportē uz Eiropas vai Ziemeļamerikas tirgiem, daudzi klienti nepārprotami pieprasa pasīvo dzesēšanu, lai nodrošinātu ilgstošu darbību bez apkopes.

5. Biežākās siltuma izlietnes projektēšanas un izvēles kļūdas

• Koncentrējieties tikai uz svaru, nevis laukumu– smagam cietam alumīnija blokam ir ļoti mazs virsmas laukums un augsta termiskā pretestība. Siltuma izlietnei jābūt "spuras" struktūrai, nevis laktai.
• Nepareiza spuras orientācija– dabiskajai konvekcijai ir nepieciešami vertikāli spuru kanāli, lai karstais gaiss varētu pacelties. Horizontālās spuras bloķē konvekciju, samazinot veiktspēju par vairāk nekā 30%.
• Nepietiekams kontakta laukums starp siltuma avotu un siltuma izlietni– liela COB LED, kas saskaras tikai ar nelielu siltuma izlietnes laukumu, nevar izplatīt siltumu uz visu spuru masīvu. Nepieciešama bieza pamatplāksne vai tvaika kamera.
• MCPCB un siltuma izlietnes saskarnes ignorēšana– nav termiskās smērvielas vai atbilstoša biezuma termopaliktņa, vai nepietiekams skrūvju savilkšanas spēks atstāj gaisa spraugu (gaisa vadītspēja tikai 0,026 W/(m·K)). Šī mazā saskarne var radīt vairāk nekā 30% no kopējās sistēmas termiskās pretestības.
• Pasīvās siltuma izlietnes uzstādīšana slēgtā telpā– ja LED ķermeņi ir ievietoti gandrīz noslēgtā sadales kārbā vai nolaistos griestos, karstais gaiss nevar izplūst, paaugstinās apkārtējās vides temperatūra ap siltuma izlietni un termiskais līdzsvars neizdodas. Vienmēr nodrošiniet pietiekamu ventilācijas attālumu.
• Akli izmantojot siltuma caurules– Siltuma caurules ir noderīgas, lai pārnestu siltumu no punktveida avota uz attālu vietu, taču lielākajai daļai parasto LED spuldžu labi izstrādāta siltuma izlietne gūst nelielu labumu no siltuma caurulēm, vienlaikus palielinot izmaksas.

6. Kā pārbaudīt un apstiprināt termisko risinājumu – praktiski padomi pircējiem

Kā pircējs vai specifikators jūs nevarat paļauties tikai uz siltuma izlietnes izskatu. Šeit ir izmantojamas pārbaudes metodes:

6.1. Termopāra temperatūras mērīšana

Pievienojiet K veida termopāri MCPCB aizmugurē vai uz dzesētāja netālu no gaismas diodes. Kad lampa darbojas istabas temperatūrā (25 grādi), pagaidiet, līdz temperatūra stabilizējas (parasti 30+ minūtes), un pierakstiet temperatūru. Pēc tam novērtējiet savienojuma temperatūru:

Tj ≈ T_lodēšana + (LED jauda × Rth_j-s)

Piemērs: viena gaismas diode izkliedē 1,5 W, Rth_j-s=5 grādu/W, izmērītā lodēšanas punkta temperatūra=85 grādi → Tj ≈ 85 + 1.5×5=92.5 grādi. Ja tas ir zemāks par absolūto maksimālo Tj datu lapā (parasti 110–125 grādi), tas parasti ir droši.

6.2. Termiskās attēlveidošanas kamera

A thermal camera shows the temperature distribution across the heat sink. In a good design, the area directly under the LED is hottest, and fin tips are cooler. If there is a local hot spot (e.g., >par 20 grādiem karstāks nekā apkārtnē), tas norāda uz sliktu siltuma izplatīšanos vai saskarnes problēmu.

6.3. Novecošana augstā temperatūrā

Novietojiet apgaismojumu kamerā ar kontrolētu temperatūru, kas iestatīta uz maksimālo paredzamo apkārtējās vides temperatūru (piemēram, 40 grādi vai 50 grādi). Nepārtraukti palaidiet gaismu simtiem stundu un mēriet gaismas plūsmu ik pēc 24 stundām, lai aprēķinātu nolietojuma likmi. Plakanāka lūmena uzturēšanas līkne nozīmē labāku siltuma novadīšanu.

6.4. Simulēts ventilatora atteices tests (aktīvai dzesēšanai)

Ar ventilatoru dzesējamai iekārtai palaidiet to nominālajā apkārtējās vides temperatūrā, līdz tā kļūst stabila, un pēc tam manuāli apturiet ventilatoru. Uzraugiet LED temperatūru. Ja tas dažu sekunžu laikā pārsniedz mikroshēmas limitu, pasīvā drošības rezerve ir pārāk zema – armatūra sabojāsies uzreiz pēc ventilatora atteices. Šis ir augsta riska dizains.

7. Praktiskās atlases rokasgrāmata: siltuma izlietnes risinājumi pēc jaudas un pielietojuma

8. Kopsavilkums: siltuma izlietne nav dekorācija — tā ir mūža garantija

LED ķermeņos siltuma izlietne bieži vien aizņem lielāko tilpumu un iztur vislielāko svaru. Tas nekad nav tikai balasts. Katrs alumīnija grams, katra spura, katra termiskā saskarne ir daļa no klusas cīņas pret Džoula likumu.

Ražotājiem: katrs santīms, kas ietaupīts, izmantojot siltuma dizainu, tiks reizināts kā garantijas prasības un reputācijas kaitējums. Pircējiem: armatūras nosvēršana, skenēšana ar termokameru un augstas temperatūras novecošanas testa veikšana ir daudz uzticamāka nekā “augstas efektivitātes dzesēšanas” lasīšana brošūrā.

Atcerieties: LED kalpošanas laiks nav skaitlis, kas uzrakstīts datu lapā – tas ir ierakstīts siltuma izlietnes dizainā.

Kad klients jautā: "Kāpēc jūsu gaisma ir dārgāka nekā citas ar tādām pašām mikroshēmām?" jūs varat atbildēt: "Tā kā mana siltuma izlietne ļauj mikroshēmām dzīvot tik ilgi, cik tiem bija paredzēts."