Как запитать кулер для охлаждения LED матрицы на 220 В

ПОДКЛЮЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО ВЕНТИЛЯТОРА К СЕТИ 220 В

В процессе реанимации и модернизации усилителя Солнцева пришлось избавиться от громоздкого блока питания выполненного на трансформаторе ТС-180. Был изготовлен импульсный блок питания на IR2153 мощностью 200 Вт. Однако в процессе эксплуатации при снимаемой мощности порядка 130 Вт был выявлен нагрев импульсного трансформатора. Не критичный, но все же присутствовал. Кроме того, достаточно заметно грелись стабилизаторы L7815, L7915. Установить большие радиаторы не позволял плотный монтаж на плате.

Для устранения данного эффекта решил применить кулер. Выбор остановился на малогабаритном вентиляторе мощность 0,96 Вт при питании 12 вольт и токе потребления 0,08 А. Так как трансформаторный БП для него будет иметь неприемлемые массогабаритные размеры, решил собрать бестрансформаторный БП с гасящим конденсатором.

Схема

Бестрансформаторный источник питания в общем случае представляет собой симбиоз выпрямителя и параметрического стабилизатора. Конденсатор С1 для переменного тока представляет собой емкостное (реактивное, т.е. не потребляющее энергию) сопротивление Хс, величина которого определяется по формуле:

где f — частота сети (50 Гц); С—емкость конденсатора С1, Ф. Тогда выходной ток источника можно приблизительно определить так:

где Uc— напряжение сети (220 В).

При токе потребления 0,08 А емкость С1 должна иметь номинал 1,2 мкф. Ее увеличение позволит подключить нагрузку с большим током потребления. Приблизительно можно ориентироваться на 0,06 А на каждую микрофараду емкости С1. У меня под рукой оказался 2,2 мкф на 400 вольт.

Резистор R1 служит для разряда конденсатора после выключения БП. Особых требований к нему нет. Номинал 330 кОм – 1 Мом. Мощность 0,5 – 2 Вт. В моем случае 620 кОм 2 Вт.

Конденсатор С2 служит для сглаживания пульсаций выпрямленного мостом напряжения. Номинал от 220 мкф до 1000 мкф с рабочим напряжением не менее 25 вольт. Мною был установлен 470 мкф на напряжение 25 вольт.

В качестве выпрямительных диодов применены 1N4007 из отработавшей свое энергосберегающей лампы.

Стабилитрон (12 Вольт) служит для стабилизации выходного напряжения и его заменой можно добиться практического любого необходимого напряжения на выходе БП.

При сборке схемы следует иметь ввиду, что подключение вентилятора следует выполнить безошибочно изначально. Ошибка в неправильной полярности припаивания проводов вентилятора приведет к выходу вентилятора из строя. А само подключение (припаивание) следует выполнить, заранее, поскольку напряжение на холостом ходу в точках присоединения вентилятора может составлять 50-100 вольт. Если полярность безошибочна (красный провод, это плюсовая шина питания), то при включении в сеть 220 В на вентиляторе будет примерно +12 вольт.

Печатная плата выполнена методом ЛУТ. Травление проводилось перекисью водорода, лимонной кислотой и поваренной солью из расчета 50 мл перекиси, 2 ч.л. кислоты и чайная ложка соли.

В дополнение привожу схему (может кому понадобится) регулировки частоты вращения вентилятора.

По сути, это регулятор напряжения, подаваемого на двигатель вентилятора. Изменение напряжения приводит к изменению частоты вращения вентилятора. В схему специально введён постоянный резистор R2, назначение которого ограничить минимальные обороты вентилятора, для того, чтобы даже при самых низких оборотах, т.е. при самом низком напряжении, обеспечить его надёжный запуск.

Сборка

В заключении отмечу, что при монтаже и эксплуатации следует помнить об отсутствии гальванической развязки устройства (недостаток по сравнению с трансформаторной схемой) с сетью 220 вольт. Автор статьи: Николай5739 (Кондратьев Николай, г. Донецк.)

Обсудить статью ПОДКЛЮЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО ВЕНТИЛЯТОРА К СЕТИ 220 В

Термоклей для светодиодов – алюминиевый радиатор своими руками

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

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

Принцип действия теплоотвода

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

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

Подробнее о принципах работы светодиодов читайте здесь.

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

Материалы для изготовления

Радиаторы для охлаждения светодиодов различаются по конструкции и материалу.

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

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

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

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

Алюминиевые

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

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

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

Медные

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

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

Керамические

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

Пластмассы теплорассеивающие

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

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

Таблица – Сравнение теплопроводности различных материалов

МатериалТеплопроводность, Вт/м.К
Алюминий120-240
Медь401
Керамика15-40; 100-200
Теплорассеивающие пластмассы1 – 40
Термопаста0,1 – 10

Конструктивные особенности

Конструктивные радиаторы делятся на две группы:

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

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

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

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

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

Расчет площади радиатора

Методики точного расчета параметров радиатора предполагают учет множество факторов:

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

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

Подсчитать этот параметр можно по формуле:

Ф = а х Sх (Т1 – Т2), где

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

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

S = [22 – (M x 1.5)] x W, где

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

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

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

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

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

Сделать своими руками

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

Читайте также:  Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов

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

Вариант 1

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

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

Вариант 2

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

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

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

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

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

Способы крепления светодиодов к радиатору

Светодиоды прикрепляют к радиаторам двумя способами:

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

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

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

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

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

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

Как запитать кулер для охлаждения LED матрицы на 220 В

Фито LED-матрица для подсветки растений, имея собственный драйвер питания, включается в сеть 220 В напрямую. Работает почти половину суток ежедневно, при этом ее корпус сильно разогревается. Необходимое охлаждение матрица, прикрепленная на алюминиевый радиатор, получает от обдува компьютерным кулером. Постоянные 12 В для него получают от сетевого адаптера, который не всегда есть под рукой.

БП без сетевого трансформатора легко сделать своими руками. Понадобиться немного радиодеталей и паяльник.

Описание работы блока

Схема с трансформатором громоздкая и тяжелая. Для понижения напряжения используют свойство конденсатора оказывать реактивное сопротивление переменному току. Если использовать делитель с активным сопротивлением, возникают проблемы:

1. При больших номиналах резисторов ток цепи мал, разность потенциалов на выходе недостаточна для питания устройства.

2. Уменьшение сопротивления поднимет напряжение, но возрастет ток через гасящий резистор, он будет интенсивно нагреваться, пока сам не сгорит или устроит пожар.

На конденсаторе переменные ток и напряжение сдвигаются по фазе. В начале цикла заряда ток большой, а напряжение на конденсаторе маленькое и постепенно растет. Когда емкость зарядилась, напряжение возрастает, а ток снижается до нуля. Одновременно они большими не бывают. На конденсаторе выделяется небольшая мощность, корпус нагревается мало.

Сетевое напряжение подается на диодный мост через конденсатор. Образуется делитель из реактивного сопротивления емкости и диодов. Небольшая часть напряжения, выпрямленная мостом, сглаживается электролитическим конденсатором. Нормализованное стабилитроном питание 12 В подается на электродвигатель. Параллельно балластной емкости включен резистор, сглаживающий бросок тока при подаче питания и обеспечивающий разряд конденсатора при выключении.

Детали

Схема работает под напряжением сети 220 В, поэтому используют конденсаторы с рабочим напряжением не менее 600 В, бумажные типа КГБ или пленочные К73-17. Мощность теплового рассеивания резистора 0,25÷0,5 Вт.

Минимальное допустимое обратное напряжение диодов 400 В. Подходят Д226Б, КД105Б-Г или их импортные аналоги. Диоды заменяет мостовая сборка КЦ402-407. Стабилитрон выбирается с максимальным током при рабочем напряжении 12 В.

Параллельное включение конденсаторов увеличивает общую емкость, суммируя номиналы всех элементов. Нужное значение подбирается соединением нескольких элементов.

Монтаж

Деталей немного, выводы у них жесткие. Можно собрать блок питания навесным монтажом без печатной платы, не допуская короткого замыкания соединений выводов деталей.

Схема, собранная без ошибок монтажа из исправных деталей, запускает двигатель кулера при включении питания.

Проверить параметры работы поможет мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения, подключенный параллельно кулеру. Диапазон рабочих напряжений мотора находится в пределах 9÷14 вольт. На верхних границах заметно возрастает шумность вентилятора. Увеличение балластной емкости повышает выходное напряжение. Уменьшение – наоборот.

Размещение монтажа в пластмассовом корпусе защитит от поражения электрическим током. Для подсоединения проводов на входе и выходе блока установлены клеммные пары.

Корпус закрепляется на радиаторе с размещенной на нем светодиодной матрицей. Сетевой шнур включается к параллельно соединенным выводам питания LED-драйвера и БП.

Нужно убедиться, что ничего не мешает свободному вращению лопастей.

Особенности схемы

Все элементы схемы находятся под опасным для жизни напряжением сети 220 В, поэтому:

    работы со схемой выполнять при отключенном питании и разряженном балластном конденсаторе;

отсоединение нагрузки (кулера) без предварительного выключения питания приведет к выходу из строя блока;

  • обязательно требуется защита схемы от короткого замыкания установкой предохранителя.
  • Отсутствие гальванической развязки БП от сети компенсируется малыми габаритами, весом и небольшим уровнем шума при работе.

    Как подключить вентилятор от компьютера к 220 вольтам

    В радиолюбительских поделках часто необходимо искать альтернативные решения, для подключения узлов или радиодеталей к 220 вольтам. К нашей обычной сети, которая есть в каждом доме, каждой квартире.
    Дело в том, что использовать полноценный трансформаторный блок питания не всегда рационально. Это дорого, громоздко, он сам по себе тяжелый. В этом случае использование обычного гасящего конденсатора способно разрешить все эти проблемы. По сути, гасящий конденсатор используется много где. Скажем с помощью него можно подключить светодиод к 220 вольтам. О такой схеме мы уже рассказывали в статье «Как подключить светодиод к 220 вольтам». Его можно использовать для подключения практически любого радиоэлемента. Здесь главное не увлечься большими токами, так как в этом случае конденсатор может не выдержать, ну и само собой перегорит, а что еще хуже, что-нибудь сгорит вместо него. Ограничим условно ток для таких блоков питания в 150 мА. Такого тока вполне достаточно, чтобы подключить вентилятор от компьютера. Для чего его необходимо подключать это уж решат вам. Может он будет использоваться для активного охлаждения радиодеталей, а может для чего другого. Это не важно. Итак, как же подключить куллер, вентилятор к 220 вольтам? Об этом в нашей статье

    Принцип работы гасящего конденсатора для подключения вентилятора от компьютера к 220 вольтам

    Прежде чем мы рассчитаем конкретный пример, скажем пару слов скажем о том, как же работает гасящий конденсатор в цепи переменного тока. По сути в этом случае конденсатор работает как ему и полагается. При первой полуволне он заряжается, пропуская ток и напряжения. Затем после зарядки он просто «закрывается». Хотя полуволна еще не завершена. В этом случае и происходит ограничение питания для последующих радиоэлементов. Далее, при обратной полуволне, все в том же порядке, но направление протекания тока и напряжение через конденсатор происходит в обратном направлении. В итоге, так и происходит ограничение по напряжению и току. Конденсатор просто закрывается в определенный момент, вот и все. По сути его закрытие будет зависеть от сопротивления потребителя, от емкости конденсатора, от частоты переменного тока. Не будем копаться в дебрях, а сразу приведем конечную формулу. Вот она.

    С(мкФ) = (3200*I(нагрузки, А))/√(Uвход²-Uвыход²)

    Поясним значения в формуле

    3200 – коэффициент пропорциональности,
    I – потребляемый нагрузкой ток,
    Uвх – напряжение сети (220 вольт, хотя это может быть значение и меньше, если вы используете понижающий трансформатор),
    Uвыход – напряжение питания нагрузки(лампы). Теперь когда мы понимаем что и откуда, попробуем разобрать случай для конкретного примера

    Как подключить вентилятор от компьютера к 220 вольтам (пример расчета)

    Скажем у нас есть вентилятор на 120 мА и с напряжением питания 12 вольт. Считаем.

    С= (3200*0,12)/√(220*220-12*12)
    С = 384/219= 1,75 мкФ.

    Как раз получилось так, что емкость нашего конденсатора совпадает с типорядом конденсаторов. То есть такой конденсатор есть в природе, его нам не надо будет собирать из нескольких конденсаторов. Ну и для верности, дабы вентилятор не накрылся точно, параллельно ему ставим стабилитрон на 12 вольт. Здесь если будут какие-то скачки, он будет брать это на себя, пропуская ток и напряжение.
    В итоге схема будет следующая.

    Вот собственно и все. Теперь следуя алгоритму, приведенному здесь, сможете подключить вентилятор, лампочку, светодиод…

    Подводя итог и резюмируя

    По сути конденсатор работает с реактивной мощности, то есть связанной с нарастанием и уменьшением напряжения. В этом случае она несколько отличается от активной мощности, с которой работает обычный резистор. Однако и здесь, следует проверить, чтобы конденсатор не пригревался, так как это чревато выходом его из строя. Примерно через 5-10 минут работы обесточьте схему и проверьте на ощупь пальцами, что конденсатор не греется. Также само собой необходимо использовать конденсаторы для переменного тока и с запасами по напряжению раза в 2.

    Читайте также:  Очень простое приспособление для пайки

    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.

    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

    jc – тепловое сопротивление p-n-переход-корпус (junction-case);
    cs – тепловое сопротивление корпус-радиатор (case-surfase radiator);
    sa– 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.

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

    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 см 2 .

    Читайте также:  Ремонт неисправного ЖК дисплея

    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.

    Расчет и изготовление радиатора для светодиодов

    Светодиоды считаются одним из наиболее эффективных источников света, их световой поток доходит до фантастических значений, порядка 100 Лм/Вт. Люминесцентные лампы выдают в два раза меньше, а именно 50-70 Лм/Вт. Однако для долгой работы светодиода нужно выдерживать их тепловые режимы. Для этого применяются фирменные или самодельные радиаторы для 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.

    Решаем проблему охлаждения

    Маломощные светодиоды, например: 3528, 5050 и им подобные отдают тепло за счёт своих контактов, да и мощность у таких экземпляров гораздо меньше. Когда мощность прибора возрастает, появляется вопрос отвода лишнего тепла. Для этого применяют системы пассивного или активного охлаждения.

    Пассивное охлаждение – это обычный радиатор, выполненный из меди или алюминия. О преимуществах материалов для охлаждения ходят споры. Достоинством такого типа охлаждение является – отсутствие шума и практически полное отсутствие необходимости его обслуживания.

    Установка LED с пассивным охлаждением в точечный светильник

    Активная система охлаждения – это способ охлаждения с применением внешней силы для улучшения отвода тепла. В качестве простейшей системы можно рассмотреть связку радиатор + кулер. Преимуществом является то, что такая система может быть значительно компактнее чем пассивная, до 10 раз. Недостатком — шум от кулера и необходимость его смазки.

    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 см 2 /Вт.

    Это значит, что на каждый ватт LED света нужно использовать радиатор площадью порядка 30 см 2 .

    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.

    Считаем площадь

    Допустим мы имеем светильник мощностью 3Вт. Площадь радиатора для светодиода 3Вт, согласно описанному выше правилу будет равна 70-100см 2 . С первого взгляда может показаться большой.

    Но рассмотрим расчет площади радиатора для светодиода. Для плоского пластинчатого радиатора площадь считается:

    a * b * 2 = S

    Где a, b – длины сторон пластины, S – полная площадь радиатора.

    Откуда взялся коэффициент 2? Дело в том, что у такого радиатора две стороны и они равносильно отдают тепло окружающей среде, поэтому полная полезная площадь радиатора равна площади каждой из его сторон. Т.е. в нашем случае нужна пластина с размерами сторон 5*10см.

    Для ребристого радиатора полная площадь равна – площади основания и площадям каждого из рёбер.

    Охлаждение своими руками

    Простейшим примером радиатора будет «солнышко», вырезанное из жести или листа алюминия. Такой радиатор может охладить 1-3Вт светодиодов. Скрутив два таких листа между собой через термопасту, можно увеличить площадь теплоотдачи.

    Это банальный радиатор из подручных средств, он получается довольно тонким и использовать его для более серьёзных светильников нельзя.

    Сделать своими руками радиатор для светодиода на 10W таким образом будет невозможно. Поэтому можно применить для таких мощных источников света радиатор от центрального процессора компьютера.

    Если если оставить кулер, активное охлаждение светодиодов позволит использовать и более мощные LED. Такое решение создаст дополнительный шум от вентилятора и потребует дополнительного питания, плюс периодическое ТО кулера.

    Площадь радиатора для 10Вт светодиода будет довольно большой – порядка 300см 2 . Хорошим решением будет использование готовых алюминиевых изделий. В строительном или хозяйственном магазине вы можете приобрести алюминиевый профиль и использовать его для охлаждения мощных светодиодов.

    Сделав сборку нужной площади из таких профилей, вы можете получить неплохое охлождение, не забудьте все стыки промазать хотя бы тонким слоем термопасты. Стоит сказать, что есть специальный профиль для охлаждения, который выпускается промышленно самых разнообразных видов.

    Если у вас нет возможности сделать радиатор охлаждения светодиодов своими руками вы можете поискать подходящие экземпляры в старой электронной аппаратуре, даже в компьютере. На материнской плате расположены несколько. Они нужны для охлаждения чипсетов и силовых ключей цепей питания. Отличный пример такого решения изображен на фото ниже. Их площадь обычно от 20 до 60см 2 . Что позволяет охлаждать светодиод мощностью 1-3 Вт.

    Еще один интересный вариант изготовления радиатора из листов алюминия. Такой метод позволит набрать практически любую необходимую площадь охлаждения. Смотрим видео:

    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.

    Выводы

    Как вы могли убедится радиатор для светодиода можно найти как в магазине, так и порывшись в своих старых приборах, или просто в залежах всяких мелочей. Не обязательно использовать специальное охлаждение.

    Площадь радиатора зависит от ряда условий, таких как влажность, температура окружающего воздуха и материал радиатора, но при бытовом решении ими пренебрегают.

    Всегда уделяйте особое внимание проверке тепловых режимов ваших устройств. Таким образом вы обеспечите их надёжность и долговечность. Можно определять температуру рукой, но лучше приобретите мультиметр с возможностью её измерения.

    Ссылка на основную публикацию