Modelowanie przenoszenia ciepła z diody Power LED na metalowy pręt

Bawię się oświetleniem miejsca pracy i opracowałem źródło prądu stałego o napięciu 20 V -> 38 V PWM do napędzania moich diod LED mocy (maksymalna moc około 64 W). Na razie w porządku. Jednak prawie zgasłem termicznie jedną diodę LED, mocując ją na znacznie niewymiarowym radiatorze („na szczęście”, drutowe styki rozlutowały się w samą porę, zatrzymując proces).

Teraz rozważam opcje chłodzenia. Chcąc uniknąć aktywnego chłodzenia (tj. Buczenia wentylatora), zastanawiałem się nad „leniwym” wyjściem (wymiar daleki od finału, nie mam jeszcze kandydata na radiator ):

Chciałbym zamontować diodę LED 19 x 19 mm bezpośrednio na aluminiowym drążku lub profilu. Teraz już bawię się oprogramowaniem do symulacji termicznej, ale wydaje się, że to przesada (i jak dotąd w większości ulega awarii, a do tego mam dużo teorii do nadrobienia). Więc:

• Czy istnieje dobrze znany model analityczny do dystrybucji ciepła podczas podłączania źródła ciepła o stałej mocy do kawałka metalu?
  • jeśli nie, to czy istnieje oprogramowanie do symulacji? Do tej pory gram z Elmerem.
• Czy w ogóle można tu przejść do symulacji, czy może chłodzenie pasywne w przypadku diod LED o mocy 60 W?

Dane (z arkusza danych LED ):

• Odporność termiczna skrzynki przyłączeniowej 0,8 K / W
• 19x19 mm
• maksymalna moc znamionowa 64,2 W.
• moc ciągła, którą zamierzam zastosować: 36,6 V · 0,72 A = 26,352 W.

Jeśli moje rozumowanie jest prawidłowe, chcesz oszacować opór cieplny radiatora lub płyty z materiału przewodzącego ciepło do otoczenia, bez przepływu powietrza ( = konwekcja naturalna ).

Jest ładny kalkulator online dla żebrowanych prostokątnych radiatorów, który implementuje naturalny model konwekcji dla radiatorów (bardziej akademickie, szczegółowe wyjaśnienie modelu znajduje się tutaj ).

Oto przykład związany z problemem projektowym (wymiary zewnętrzne 55 x 55 x 55 mm, żebra 10 x 1 mm, grubość płyty podstawy 10 mm i dość zachowawcza przewodność kontaktowa 2000 W / m2ºC):

Wynikowa temperatura źródła dla temperatury otoczenia 25ºC i 26,35 W ciepła wpływającego do radiatora wynosi około 110ºC, co oznacza, że ​​radiator miałby opór cieplny 3,23ºC / W w naturalnych warunkach konwekcji.

Eksperymentuj z kalkulatorem, aby znaleźć wymiary zewnętrzne, które najlepiej pasują do Twojego projektu.

Szedłem tą drogą, ale symulatory kosztują o wiele za dużo i mają stromą krzywą uczenia się. Jeśli nie jesteś inżynierem dynamiki termicznej, możesz mieć problemy ze zrozumieniem żargonu. Czytam podręczniki o dynamice termicznej i wszelkiego rodzaju papierach do projektowania radiatorów i symulatorach radiatorów.

Sugeruje Ci uzyskać aluminiowy pręt w sklepach internetowych za 1,23 USD (0,125 x 1,5 x 12) (6061 T6511 jest najtańszy), zamontuj LED, aby działał, włóż pasek do lodówki. Wynieś go do wilgotnego pokoju, w którym skropli się. Następnie włóż go do zamrażarki, zmarznij, wyjmij go, podpal i obserwuj wzory, które tworzą kryształy lodu, gdy topią się, gdy pasek się nagrzewa. Wynik jest podobny do wyniku z symulatora. Prawdziwe życie jest również zadziwiająco dokładne.

Poza tym nie jest to zmarnowany wysiłek, jeśli wykonasz symulację, nadal potrzebujesz paska, aby zobaczyć, jak daleko były symulacje.

Ale problem polega na tym, że w ciągu godziny skończysz z bardzo gorącym aluminiowym prętem prawie tak gorącym jak dioda LED. Ale nie potrzebujesz dużego przepływu powietrza przy dużej powierzchni. Aluminiowy pręt @ 1,23 USD lub mniej na stopę to cholernie tani radiator.

Nie lubię też fanów. Ten jest bardzo cichy, ponieważ porusza się tylko 13 CFM @ 12VDC, 30,3 dB, 2300 RPM, ale był skuteczny.

36 V 2,4 Amp maks.
Wzór pokazany tylko z jednej strony, w rzeczywistości był symetryczny.

Pomiar temperatury od tyłu.

Prąd zmniejszył się i rozproszył.

Dobre wieści: rzeczywiście istnieje prosty model matematyczny, który jest dość dokładny.

Zasadniczo możesz modelować większość problemów termicznych jako prosty obwód elektryczny:

1. Moc cieplna = prąd elektryczny
2. Różnica temperatur termicznych = napięcie elektryczne
3. Odporność termiczna = rezystor elektryczny
4. Masa termiczna = kondensator elektryczny

Twoja sprawa jest jeszcze prostsza: ponieważ nie zależy Ci na stałych czasowych, nie musisz się martwić o masę termiczną.

Twój model powinien wyglądać tak

LED Junction -> {R1} -> LED Mounting Surface -> {R2} -> Al Bar -> {R3} -> Ambient

Gdzie

• R1: opór cieplny od złącza LED do powierzchni montażowej LED
• R2: odporność termiczna połączenia LED z Al
• R3: opór cieplny od Al do otaczającego powietrza

Wszystkie są połączone szeregowo, więc możesz je po prostu dodać. Jeśli masz R1 = 1,2 K / W, R2 = 0,8 K / W, a R3 = 0,1 K / W, całkowity opór wyniósłby 2,1 K / W. W przypadku 40W rozproszonego ciepła twoje złącze LED byłoby na poziomie 2,1 K / W * 40 W = 84 Kelwinów (lub Celsjusza) powyżej temperatury otoczenia. W temperaturze 25 ° C skrzyżowanie byłoby w 109 ° C.

Zła wiadomość: dane, które są potrzebne do modelowania tego, są niezwykle trudne do przewidzenia

Potrzebne będą trzy rezystancje termiczne i maksymalna dopuszczalna temperatura złącza LED.

1. Jeśli masz szczęście, możesz znaleźć R1 i Max temp dla LED w karcie danych.
2. R2 jest bardzo trudne, ponieważ zależy od dokładnego materiału, dokładnego kształtu, wielkości płaskości, dokładnej obróbki powierzchni zarówno powierzchni montażowej, jak i listwy Al. Znaczenie ma nawet kolor i szczegóły procesu anodowania aluminium.
3. R3: JEŚLI słupek jest dość duży, powinien być dość mały

To, co należy zrobić, zależy od posiadanych umiejętności pomiarowych. Zasadniczo ma to dużą szansę na działanie. Upewnij się, że dioda LED jest mocno przymocowana do listwy AL i nałóż podkładkę termiczną lub pastę termiczną na połączenie.

Dotknij paska: powinien być zauważalnie cieplejszy bardzo blisko diody LED. Jeśli nie, oznacza to, że nie przenosi się ciepła do pręta, a połączenie termiczne nie jest dobre. Jeśli cały pasek wydaje się ciepły lub nawet gorący, nie dochodzi do wystarczającego sprzężenia cieplnego z otoczeniem. Rozważ większą powierzchnię dla paska.

Jedna dioda LED o mocy 60 W stanowi wyzwanie termiczne, ponieważ źródło ciepła jest małe i bardzo mocne. Dlatego potrzebny będzie gruby metal, aby rozprowadzić ciepło z boku na wystarczająco duży radiator.

Jest to podobne do procesora komputera stacjonarnego: mała powierzchnia, dużo mocy. Wiele radiatorów do komputerów stacjonarnych wykorzystuje rury cieplne do rozwiązania problemu rozpraszania ciepła. Bez wentylatora radiator komputera powinien działać.

Jednak to nie rozwiązuje drugiego problemu, a mianowicie, że jedna dioda LED o mocy 60 W jest bardzo jasnym źródłem punktowym i nie jest idealna do oświetlenia miejsca pracy. Będzie oślepiająco jasny i rzuca ostre cienie.

Możesz rozwiązać oba problemy za pomocą pasków LED takich jak to:

http://www.leds.de/en/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/

Użyłem ich w projekcie:

http://www.leds.de/en/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/PowerBar-LED-Strip-12-Nichia-LEDs-CRI- 90.html

Pochodzą one z metalowej płytki drukowanej, a pasek można pociąć na indywidualne diody LED. Następnie przykleiłem je do aluminiowych profili L za pomocą żywicy epoksydowej przewodzącej ciepło (jedna dioda LED co 10 cm).

Rozłożenie generujących ciepło diod LED na długości profilu aluminiowego pozwala na znacznie łatwiejsze chłodzenie i generuje przyjemniejsze światło.

EDYTOWAĆ

OK, chodźmy z diodą LED o mocy 60 W.

Przypuszczam, że jest skierowany w dół. Chcesz, aby żebra radiatora były ustawione pionowo, aby uzyskać optymalną konwekcję. Wskazuje to na tego rodzaju współczynnik kształtu:

Link Link

Jeśli używasz płaskiego radiatora, musisz zamontować diodę LED na grubym aluminiowym kwadracie, a następnie zamontować ją na radiatorze.

Ponieważ twoim problemem jest rozpraszanie ciepła wytwarzanego przez małe źródło, możesz również użyć płaskich rur ciepła:

Link Link

Istnieje Lisa, narzędzie do analizy elementów skończonych, które jest bezpłatne przynajmniej dla modeli, które mają max. około 1000 węzłów.

Symulacja jest trudna, wymaga głębokiego zrozumienia i opiera się na założeniach dotyczących warunków brzegowych. Rzeczywiste testy, jeśli są bezpieczne i możliwe, są lepsze. Jeśli masz już kandydata na led i radiator, możesz go wypróbować. Uruchom go na znanym, ale bezpiecznym poziomie mocy, pozwól mu osiągnąć równowagę (= nie więcej mierzalnego wzrostu temperatury) i zapisz tę temperaturę końcową. Musisz mieć odpowiedni sprzęt do pomiarów. Różnica temperatur między diodą a otoczeniem jest wprost proporcjonalna do rozproszonej mocy. Oczywiście nie możesz wejść do diody LED, dopóki nie użyjesz siebie jako czujnika. Producent może ewentualnie podać użyteczne dane dotyczące związku między napięciem przewodzenia, prądem i temperaturą.

Ale możesz także mierzyć na granicy między diodą LED a radiatorem. Z pewnością istnieje opór cieplny między tym punktem a półprzewodnikiem lub dopuszczalne granice temperatury są bezpośrednio podawane jako temperatury na granicy radiatora.

Jeśli wzrost temperatury o 10 W to powiedzmy o 1/3 dopuszczalnego wzrostu, można uzyskać maksymalne rozproszenie = 30 W.

Należy pamiętać, że w szafie również rośnie temperatura otoczenia, co należy wziąć pod uwagę. Należy również uwzględnić sąsiednie inne urządzenie grzewcze. Rozgrzewa atmosferę, a także emituje ciepło. Widzisz teraz i prawdopodobnie już wiesz, że projektowanie termiczne jest obszarem pełnym wyzwań i pułapek.

DODATEK: Problem jest interesujący. Przyjąłem, że montaż na aluminiowej płytce rozwiązuje problem cieplny z diodami LED. Kilka szybkich obliczeń wykazało, że żadna cienka płytka go nie przybije. Rozpraszanie jest takie samo jak we wzmacniaczu audio 100 W na jeden z 2 tranzystorów wyjściowych, więc potrzebne są podobne do siebie radiatory. Ich działanie drastycznie spada, jeśli zapycha je kurz. Pamiętaj, aby odrzucić regularne czyszczenie jako warunek gwarancji lub wykonać bardzo duże radiatory.

Aby dać Ci wyobrażenie o tym, co masz do czynienia z pasywnym radiatorem. Cree wykonał referencyjny projekt jako zamiennik lampy HPS o mocy 1000 W.

Oprawa składa się z czterech „silników” . Każdy silnik o mocy 130 W ma wymiary 11,25 ”x 7,25” x 2,5 ”. Jest to w zasadzie rozmiar radiatora.

Zastosowany radiator to Aavid Black Anodized P / N 62625

Szacowana cena (tylko dla radiatora) 450 USD

To 3,46 USD za wat.

Za twoje 64 waty byłoby to 222 $.

Koszt 450 USD oparty jest na Aavid Black Anodized P / N 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ")

A Aavid 701652 1,78 „x 12” x 48 ”kosztował 431 USD.

Każdy silnik składa się z 48 diod LED pchających 130 Watts .

Potrzebny byłby radiator tylko w połowie tego rozmiaru. Ten radiator ma wymiary 11,25 ”x 7,25” x 2,28 ”

Sprawdź wpis na blogu „Jak zaprojektować płaski radiator” http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Zawiera szczegółowe wyjaśnienie, jak obliczyć opór cieplny metalowej płyty używanej jako radiator. Wierzę, że możesz również otrzymać arkusz kalkulacyjny, który wykonuje obliczenia, jeśli podasz im swój adres e-mail.

Zasadniczo należy określić opór promieniowania i naturalnej konwekcji od powierzchni zewnętrznych, a następnie określić opór cieplny przewodzenia. Dodaj trzy razem na podstawie pokazanego poniżej obwodu termicznego:

gdzie:

Rconv to zewnętrzny opór konwekcji

Rrad to zewnętrzna odporność na promieniowanie

Rsp to opór rozprzestrzeniania się

Rint / Rcont to rezystancja styku lub interfejsu

Rth-jc oznacza rezystancję złącza LED

Ts to temperatura powierzchni radiatora

Tj to temperatura złącza LED

Równania Rconv i Rrad są dość zaangażowane i wyjaśnione szczegółowo w poście na blogu.

Zrobi to prosty symulator przypraw: przypomina to rozładowywanie kondensatora.