Звоните нам с 9 до 18 в рабочие дни →

Заказать звонок

+38 050 822-50-00, +38 044 222 83 23 или же вы можете →

Что такое теплоотвод в светодиодном светильнике?

В статье рассматривается вопрос применения различных систем охлаждения (теплоотвода) в светодиодных светильниках, их классификация, устройство и принципы расчета/подбора.

Обобщающей тенденцией для большинства отраслей национальной экономики является стремление к энергосбережению. Причем, это не просто желание бизнеса сократить расходы на потребляемое электричество, в частности, на освещение, а фактически, государственная политика. Неудивительно, что на смену морально устаревшим по своим характеристикам лампам накаливания, массово стали приходить светодиодные приборы. Для обеспечения одного и того же по интенсивности светового потока они потребляют в 5-10 раз меньше мощности, а по долговечности имеют и вовсе 30-50-кратный перевес. Правда, все эти условия будут соблюдены только, если обеспечить светодиодам эффективный теплоотвод. В этой статье речь, как раз, пойдет об устройстве, классификации и методах расчета подобных систем.

Откуда берется тепло?

Одним из основополагающих физических законов без сомнения есть закон сохранения энергии, согласно которому она «не возникает из неоткуда и не девается в никуда». В отношении лампы накаливания, это утверждение выглядит следующим образом:

  • Входной энергетический поток – это потребляемая прибором электрическая мощность;
  • Выходной энергетический поток – это совокупность светового и теплового (инфракрасного) излучения, которое генерируется при прохождении тока, через нить накала.

Если попробовать интерпретировать эту информацию с точки зрения эффективности, рассчитав КПД, то получим следующие составляющие:

  • Потребляемая из сети мощность равна суммарной, сообщенной системе энергии;
  • Световое излучение – это полезно использованная часть энергии;
  • Тепловое излучение – это балласт.

Наличие теплового электромагнитного излучения выходит из закона Планка, согласно которому, любое тело с температурой выше абсолютного ноля генерирует такие волны. Для того чтобы они стали видимыми (свет), нужно изменить их длину, а это исходя уже из закона смещения Вина возможно при повышении температуры выше 570 °С. В лампе это достигается за счет большого сопротивления материала нити накала, что при прохождении электрического тока повышает ее температуру практически до 2800 К.

Если перевести эти данные в процентное соотношение, то получится, что КПД такой лампы всего 5%. Именно эта небольшая доля общего электромагнитного излучения генерируется в видимом спектре. Назвать этот показатель оптимальным нельзя еще и потому, что наиболее естественной для человеческого глаза является цветовая температура около 5770 К. Но, в силу объективных причин она не достижима в рамках технологии ламп накаливания (нет такого металла, который бы выдерживал ее).

В светодиодах же диапазон реально используемой цветовой температуры составляет от 2700 до 6500 К. Существующая технология также предусматривает использование электрического тока в качестве источника энергии, но генерация эффективной и балластной частей электромагнитного излучения происходит иначе. Если пропустить ток через многослойный полупроводниковый кристалл, то произойдет рекомбинация свободных электронов и дырок. Элементарные частицы меняют свой энергетический потенциал, побочным результатом чего является выделение тепла. Если при этом обеспечить характеристики активной зоны близкими к квантовой энергии видимого спектра, то помимо теплового излучения будут генерироваться потоки фотонов, то есть свет.

Соотношение эффективной (свет) и балластной (тепло) частей определяет КПД светодиодов, который достигает 35-50%, то есть в 7-10 раз выше аналогичного показателя у ламп накаливания. Но, нужно отметить, что подобные результаты достижимы на протяжении всего срока эксплуатации (порядка 30-50 тысяч часов) только в том случае, если не превышаются температурные режимы работы и обеспечивается достаточный теплоотвод для диодов. В случае полупроводников предельным считается значение в 70-80 °С. Если температура поднимается выше этой отметки, а тем более поддерживается таковой в течение рабочего цикла, то для самого светодиода это будет иметь следующие последствия:

  • Увеличивается концентрация дефектных областей в активной зоне и, как следствие, электронно-дырочной рекомбинации без генерации фотонов. Кроме того, часть сформировавшихся частиц света может быть поглощена компонентами чипа;
  • Ухудшаются оптические и спектральные характеристики люминофора, в особенности, тогда, когда он нанесен непосредственно на поверхность полупроводника;
  • Пластиковый либо эпоксидный корпус под действием температуры стареет, что, в конечном счете, приводит к снижению яркости излучаемого света.

Существующие системы теплоотвода

Сам по себе полупроводниковый кристалл не обладает ни высокой теплопроводностью, ни развитой поверхностью теплообмена. Поэтому для утилизации избыточного тепла при проектировании светильников инженерам приходится вводить в конструкцию специальные узлы – радиаторы. Классифицировать их можно по таким критериям, как материал, геометрическая/конструктивная форма и принцип действия.

Материал

На сегодняшний день наиболее ходовым сырьем для изготовления светодиодных радиаторов является алюминий. Его коэффициент теплопроводности оценивается в 230-240 Вт/(м·К), что практически в 4-5 раз выше, чем у стали. Материал отличается относительно невысокой стоимостью и легкостью механической обработки (штамповка, мехобработка на токарно-фрезерных станках, литье).

Наименее распространенной ввиду высокой цены на рынке и сложности обработки является медь. Но, главным ее козырем является высокая теплопроводность – около 380-400 Вт/(м·К). Кроме того, эти цифры означают, что при одной и той требуемой интенсивности охлаждения, размеры самого радиатора (площадь поверхности теплоотдачи) могут быть в 1,5-2 раза меньше, чем при использовании алюминия. То есть сам светильник может стать компактнее.

Близка по своим теплофизических качествам к алюминию керамика – около 180-230 Вт/(м·К). Кроме того, она является диэлектриком, что в свете использования в электроприборах является чуть ли не главным достоинством. С механической точки зрения керамика – довольно хрупкий и сложный в части обработки материал.

Ну и последним сырьем, из которого часто делают теплоотвод для светодиодов, являются различные термопластические полимеры, например, АБС. Его теплопроводность не впечатляет – максимум 40 Вт/(м·К), но при этом, материал является диэлектриком, к тому же, очень дешевым. Теплоотвод из пластика может приобретать самую различную геометрию, поскольку его изготавливают методом литья в пресс-форму под давлением. Сфера применения его ограничивается мощностью прибора в 10 Вт, поскольку при больших ее значениях радиатор из пластика не может обеспечить достаточный отбор тепла при сохранении компактных размеров и дизайна. То есть, фактически его используют в конструкции светодиодных цокольных лампочек.

Форма

С точки зрения геометрии и теплофизики, достаточная для эффективного охлаждения площадь поверхности достигается применением различных конструктивных элементов:

  • Пластины. Элементы из тонкого листового металла, которые с определенным шагом фиксируются на стержневых направляющих, соединенных непосредственно с контактной поверхностью радиатора;
  • Иголки. Цилиндрические элементы различной высоты и диаметра, которые одним концом фиксируются на контактной площадке;
  • Ребра. Пластинчатые прямоугольные (или близкие к ним по сечению, например, трапецеидальные) элементы, которые по аналогии с иголками одним торцом располагаются на контактной поверхности. Могут выполняться отдельно от основного тела радиатора или заодно с ним, например, путем фрезерования алюминиевой заготовки или литья в форму.

Могут также встречаться комбинированные варианты, как в плане геометрии, так и используемых материалов. Например, контактная площадка изготавливается из меди, а элементы рассеивания – из алюминия.

Принцип работы

В зависимости от того, как происходит процесс охлаждения платы светильника, все радиаторы можно разделить на два класса:

  • Пассивные. В таких радиаторах отбор тепла происходит путем конвективной теплоотдачи и излучения с поверхности рассеивания. Циркуляция воздушных масс происходит естественным образом за счет предпринятых конструктивных решений, позволяющих создать необходимую в таком случае разность давлений;
  • Активные. В радиаторах такого типа циркуляция охлаждающего печатную плату воздуха через радиатор происходит принудительно, с помощью вентилятора. В небольших по мощности моделях часто используют знакомый всем кулер – такой же, как в системном блоке ПК.

Как сделать теплоотвод?

На основании всей выше изложенной информации можно сделать один логический вывод: для обеспечения нормальной работы светодиодного светильника нужен радиатор с оптимальной площадью рассеивающей поверхности. Для ее определения используют один из двух методов:

  1. Проектный. Его результатом является определение геометрических размеров и площади поверхности радиатора для заданного температурного режима. Такой расчет выполняется в том случае, если планируется разработка совершенно новой конструкции;
  2. Поверочный. Алгоритм действий противоположный предыдущему, то есть, по известной геометрии теплоотвода определяется количество тепла, которое он способен при этом утилизировать. Очевидно, что такая методика подходит для тех случаев, когда для охлаждения светодиодной платы планируется использовать какой-нибудь стандартный (серийный) радиатор.

И в первом, и во втором случае все сводится к определению рассеиваемой тепловой энергии, которая зависит от параметров питающей сети (ток и падение напряжения), и теплового сопротивления. Исходя из его значения подбирается стандартный радиатор или проектируется новый.

Інтерв’ю Олександра Лопатіна президенту АСС Андрію Гундеру
Подробнее
13 май
Интервью Александра Лопатина президенту АСС Андрею Гундеру
ITW Systems взяла участь у онлайн зустрічі з в.о. першого заступника голови КМДА
Подробнее
6 май
Компания ITW Systems приняла участие в онлайн встречи с и.о. первого заместителя председателя КГГА
Олександр Лопатін для агенції Інтерфакс-Україна
Подробнее
4 май
Александр Лопатин для агенства Интерфакс-Украина
covid
Подробнее
27 апр
Режим работы ITW Systems на время продления карантина
alexander lopatin
Подробнее
22 апр
Александр Лопатин, ITW Systems: основной и бесценный ресурс нашей компании – это люди
ITW
Подробнее
17 апр
Онлайн встреча с Юлией Ковалив
Вплив COVID-19 на бізнес в Україні - повторне опитування АСС та Deloitte
Подробнее
11 апр
Влияние COVID-19 на бизнес в Украине – повторный опрос АСС и Deloitte
О. Лопатін
Подробнее
30 мар
Государство должно позаботиться о механизме поддержки отечественных производителей – основатель ITW Systems Александр Лопатин
Подробнее
25 мар
Александр Лопатин в эфире телеканала Украина 24
Подробнее
20 мар
Как влияет эпидемия COVID-19 на бизнес в Украине?
itw systems
Подробнее
13 мар
Вниманию наших партнеров!
Олександр Лопатін в етері Obozrevatel TV
Подробнее
26 фев
Александр Лопатин в эфире Obozrevatel TV
Фото: офіційне інтернет-представництво Президента України
Подробнее
25 фев
ПОЗИЦИЯ ITW SYSTEMS ОЗВУЧЕНА ВО ВРЕМЯ ВСТРЕЧИ С ПРЕЗИДЕНТОМ УКРАИНЫ
itw systems
Подробнее
14 фев
Интелтек Украина на AmCham Ukraine Annual Members Appreciation Reception 2020
Американська торговельна палата в Україні.
Подробнее
7 фев
Достижения американского бизнеса в Украине обсуждали во время визита госсекретаря США
©2020
- ООО «Интелтек Украина». Все права защищены.
Top