Звоните нам с 9 до 18 в рабочие дни →

Заказать звонок

+38 066 994 50 00 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.

Подробнее
18 Окт
Что такое теплоотвод в светодиодном светильнике?
Подробнее
18 Окт
Сколько в год можно сэкономить на электроэнергии с использованием светодиодного освещения?
Подробнее
20 Сен
Энергоэффективное освещение, как конкурентное преимущество
Подробнее
30 Авг
Особенности эксплуатации светодиодного освещения
Подробнее
16 Авг
Автоматизация освещения
Подробнее
26 Июл
Окупаемость инвестиций в модернизацию системы освещения
Подробнее
19 Июл
Оптическая система LED светильника: линзы, отражатели
Подробнее
12 Июл
Виды монтажа светильников
Подробнее
5 Июл
Особенности освещения для торговых помещений
Подробнее
28 Июн
Системы управления освещения: виды, назначение и особенности
Подробнее
21 Июн
Принцип работы светодиодных ламп
Подробнее
14 Июн
Особенности проектирования освещения
Подробнее
7 Июн
Корпус светильника — ключ к энергоэффективности и продолжительному сроку службы
Подробнее
31 Май
Как производятся светодиодные светильники?
Подробнее
17 Май
Устройство светодиодного светильника. Почему важен подбор качественных компонентов?
©2017
- ООО «Интелтек Украина». Все права защищены.
Top