Поиск формы и размеров радиатора светодиодного светильника

Температурные зависимости

С ростом температуры кристалла светодиода вместе со снижением светового потока снижается прямое напряжение и, как следствие, потребляемая мощность. Падение мощности частично компенсирует снижение светового потока, и эффективность с температурой падает медленно — это необходимо учитывать.

Пример 1

График зависимости эффективности от температуры светодиодов, выпущенных более трех лет назад ,LXM8-PW27 и LXM8-PW30, приведенный в документации Philips Lumileds DS63 (рис. 1). Эффективность до +25…+50 °С растет и до температуры +75 °С значимо не снижается.

Рис. 1. График зависимости эффективности светодиода от температуры кристалла из технической документации Philips Lumileds DS63

Пример 2

В технической документации на светодиод Osram OSLON Square (LCW_CQAR.PC) приведены подробные графики зависимости прямого напряжения и светового потока от температуры. Если перемножить значения с этих двух графиков, получится зависимость относительной эффективности от температуры (рис. 2). Эффективность практически не снижается вплоть до температуры кристалла +85 °С.

Рис. 2. Зависимость относительной эффективности светодиода Osram OSLON Square (LCW_CQAR.PC) от температуры кристалла

Пример 3

Cree в технической документации на светодиоды приводит графики зависимости светового потока от температуры, аппроксимируя сложные зависимости линейными, и приводит средний коэффициент температурной зависимости напряжения. Это не позволяет определить температуру, до которой эффективность не снижается, но позволяет оценить «в среднем», насколько снизится эффективность при повышении температуры. С ростом температуры кристалла на 10 °С световой поток различных светодиодов Cree снижается на 2–2,5%, прямое напряжение — на 20–30 мВ, потребляемая мощность — на 0,7–1,0%, эффективность — на 1,0–1,5%.

Для дальнейших оценок будем использовать средние значения этих диапазонов: при росте температуры на 10 °С снижение светового потока на 2,25%, прямого напряжения — на 25 мВ, потребляемой мощности — на 0,85%, эффективности — на 1,25%.

Целевая температура радиатора

Температура кристалла вычисляется как сумма температуры платы рядом со светодиодом (точки пайки) и произведения теплового сопротивления корпуса на выделяемую светодиодом тепловую мощность. Более мощные светодиоды закономерно имеют меньшее тепловое сопротивление корпуса, менее мощные — большее. Но произведение теплового сопротивления на мощность обычно остается в пределах 10–15 °С. Из-за некоторой неоднородности температуры платы и радиатора можно считать, что радиатор в среднем на 5–10 °С холоднее платы и примерно на 20 °С холоднее кристалла. Поэтому целевая температура радиатора на 20 °С ниже целевой температуры кристалла.

Учтем, что в описании всех современных светодиодов в качестве рабочих указываются температуры не менее +120 °С, при температурах радиатора до +100 °С следует учитывать лишь зависимость эффективности светодиода от температуры.

За целевую температуру кристалла разумно принять наибольшее значение, до которого не происходит значимого снижения эффективности. Для любых конкретных предполагаемых к использованию диодов это значение можно уточнить. Для примера примем весьма консервативное значение целевой температуры кристалла — +75 °С и, соответственно, целевую температуру радиатора +55 °С. Это значение удобно тем, что его легко контролировать вручную: большинство людей не могут удержать палец приложенным к металлической поверхности с температурой выше +50…+60 °С, а более низкие температуры воспринимаются как терпимые.

Принцип «обтянутой площади» и его проверка

Очевидно, что не все складки, углубления и поднутрения развитой поверхности радиатора одинаково эффективно участвуют в отводе тепловой мощности в окружающую среду. Принцип «обтянутой площади» используется при оценочном расчете эффективности радиатора и требует за эффективную радиаторную поверхность принимать только «обтянутую площадь» — площадь эластичной пленки, которой можно мысленно обтянуть радиатор (рис. 3). Остальная поверхность не учитывается.

Рис. 3. Принцип «обтянутой площади» используется при оценочном расчете радиатора и требует за эффективную радиаторную поверхность принимать площадь эластичной пленки, которой можно мысленно обтянуть радиатор

Для проверки принципа использованы алюминиевый радиатор 80×150×35 мм с восемью ребрами и аналогичный, у которого шесть внутренних ребер спилены (рис. 4). Эти радиаторы имеют разный вес и число ребер, но одинаковую обтянутую площадь. На радиаторы наклеены световые модули 85×72 мм с семью диодами Cree XPG. Полная мощность модуля регулировалась и составила 23 Вт, чтобы при комнатной температуре +25 °С температура радиатора установилась равной +55 °С. Тепловое сопротивление радиатора традиционно рассчитывается как отношение разницы температур радиатора и окружающей среды к рассеиваемой мощности. В данном случае для удобства расчетов и наглядности результатов за рассеиваемую мощность принята полная потребляемая мощность светильника (таблица).

Рис. 4. Спиливание шести из восьми ребер радиатора незначительно повлияло на его теплорассеивающую способность

В результате спиливания шести ребер температура поднялась на 7 °С. Оценим влияние этого прироста температуры на основные параметры светильника, пользуясь температурными зависимостями из технической документации Cree. В результате спиливания шести ребер из восьми:

• полная площадь уменьшилась в 2,1 раза;
• масса снизилась в 1,7 раза;
• тепловое сопротивление возросло на 23%;
• температура возросла на 7 °С;
• световой поток уменьшился на ~1,6%;
• эффективность снизилась на ~0,9%.

Если оценивать эффект от спиливания ребер по диаграмме (рис. 5), видно, что принцип обтянутой площади верен и продуктивен. Ребра, не влияющие на величину обтянутой площади радиатора, не определяют эффективность светильника и должны быть срезаны еще на этапе проектирования.

Рис. 5. Результат спиливания шести ребер из восьми: полная площадь уменьшилась значимо, эффективность светильника практически не изменилась

Роль ориентации ребер

Закономерен вопрос: существенно ли влияет ориентация ребер на тепловое сопротивление радиатора? Может быть, целесообразно повернуть ребра так, чтобы воздух беспрепятственно поднимался между ними, создавая естественную тягу? И в таком случае мы получим существенно более эффективный радиатор, вес и сложность изготовления которого будут оправданы?

При повторной серии экспериментов в другой день и с другим оборудованием проверялось, изменится ли температура радиатора и его тепловое сопротивление при сохранении количества ребер, но изменении ориентации (рис. 6). В четырех возможных позициях максимальное различие тепловых сопротивлений зафиксировано на восьмиреберном радиаторе между положениями «ребра вбок горизонтальны» и «ребра вбок вертикальны» и составило 20% в пользу вертикальных ребер. При оптимальном расположении ребер образуется естественная тяга. Между другими парами положений разница меньше. Вероятно, это объясняется сравнительно высокой вязкостью воздуха и, как следствие, невпечатляющим эффектом тяги в узком пространстве между ребрами.

Рис. 6. Максимальная разница тепловых сопротивлений радиатора при различных ориентациях ребер составила всего 20%

Неэффективность больших радиаторов

Является ли эффективным огромный радиатор — с заведомо большей эффективной площадью, чем необходимые 20 см² на 1 Вт мощности светильника? Как показывает практика, значительное увеличение площади радиатора сверх минимально необходимого дает очень небольшой эффект снижения температуры платы. Такой радиатор справляется с задачей теплоотвода, но его эффективность в пересчете на килограмм веса и рубль стоимости мала.

Рис. 7. Малые радиаторы в пересчете на единицу площади эффективны, так как одинаково эффективно задействована вся поверхность

Причина неэффективности добавочной площади видна, если сравнить термограммы радиаторов с 18 см² обтянутой площади на 1 Вт мощности (рис. 7) и алюминиевой пластины 300×300×1,5 мм с тем же светодиодным модулем (рис. 8), что соответствует 78 см² на 1 Вт мощности.

Рис. 8. Значительное увеличение площади радиатора почти не приводит к снижению температуры платы. Дальние от тепловыделителя участки площади радиатора не участвуют в теплоотдаче

Четырехкратное увеличение обтянутой площади практически не привело к снижению температуры платы из-за возникающей неоднородности температуры и неэффективности крайних участков радиаторной площади.

Но и при равномерном распределении источников мощности по радиатору увеличение радиаторной площади приводит к экспоненциальному снижению разницы температуры платы и температуры окружающей среды. То есть к сильному снижению температуры при увеличении малых площадей и слабому снижению при увеличении больших площадей. Увеличение радиаторной площади выше 30 см²/1 Вт нерационально, а выше 100 см²/1 Вт бесполезно [1].

Выводы

• Развитая площадь радиатора полезна только при наличии принудительной вентиляции. Образ сложного ребристого радиатора для охлаждения компьютерного процессора не должен воодушевлять на создание радиатора светодиодного светильника без вентилятора (рис. 9).
  
  

  Рис. 9. Без принудительной вентиляции нет необходимости увеличивать массу и стоимость радиатора, создавая сложную развитую поверхность

• Удачное расположение ребер улучшает теплоотвод, но не радикально. Если требуется значимо улучшить теплоотвод, нужно увеличивать обтянутую площадь.
• Для достижения целевой температуры +55 °С при температуре окружающей среды +25 °С необходимо и достаточно 20 см² «обтянутой площади» радиатора на 1 Вт мощности светильника.
• Увеличение площади радиатора более необходимого минимума неэффективно.
• Добавление ребер, значимо не увеличивающих обтянутую площадь радиатора, — бесполезная трата материала и увеличение стоимости его обработки. Примеры ребристых радиаторов избыточной массы, эффективность которых не изменится, если спилить все ребра под корень, приведены на рис. 10. Все примеры, которые удалось найти, российского и китайского производства. Больше никто в мире подобные конструкции не изобретает.
  
  

  Рис. 10. Примеры «дизайнерских» радиаторов — неадекватных назначению и имеющих низкую теплорассеивающую способность на один килограмм веса и рубль стоимости

• Хороший радиатор имеет малый вес и технологически простую форму (рис. 11). Его обтянутая площадь либо конструктивно обусловлена и заведомо избыточна, либо минимально достаточна для соответствия той максимальной температуре, при которой используемые светодиоды имеют устраивающую разработчика эффективность.
  
  

  Рис. 11. Примеры радиаторов, адекватных назначению, — простая технологичная форма и достаточная обтянутая площадь

Автор выражает благодарность за обсуждение экспериментов и предоставление тепловизора директору ООО НТФ «Техно-Альянс Электроникс» Евгению Шулика.