Моделирование теплообмена от светодиода Power к металлическому стержню

Я играю с освещением на рабочем месте и разработал источник постоянного тока на 20 В -> 38 В для управления моими светодиодами (максимальная мощность около 64 Вт). Все идет нормально. Тем не менее, я почти термически погубил один светодиод, закрепив его на радиаторе значительно меньшего размера («к счастью», проводные контакты распаяны как раз вовремя, остановив процесс).

Теперь я рассматриваю варианты охлаждения. Желая избежать активного охлаждения (т. Е. Гудения вентилятора), я рассматривал «ленивый» выход (измерение далеко от финала, у меня пока нет кандидата на радиатор ):

Я бы хотел установить светодиод 19 x 19 мм непосредственно на алюминиевую планку или профиль. Теперь я уже играю с программным обеспечением для теплового моделирования, но это кажется чрезмерным (и до сих пор оно в основном дает сбой, плюс у меня есть много теории, чтобы наверстать упущенное). Так:

• Существует ли хорошо известная аналитическая модель для распределения тепла при подключении источника тепла постоянной мощности к куску металла?
  • если нет, то есть ли программа для симуляции? Пока что я играю с Элмером.
• Является ли симуляция подходом, или пассивное охлаждение проклято для светодиодов мощностью 60 Вт?

Данные (из таблицы данных светодиодов ):

• Тепловое сопротивление распределительного шкафа 0,8 К / Вт
• 19x19 мм
• максимальная номинальная мощность 64,2 Вт
• длительную мощность, которую я планирую использовать: 36,6 В · 0,72 А = 26,352 Вт

Если мое понимание верно, вы хотите оценить тепловое сопротивление радиатора или плиты из теплопроводного материала к окружающей среде без какого-либо воздушного потока ( = естественная конвекция ).

Есть хороший онлайн калькулятор для оребренных прямоугольных радиаторов, который реализует модель естественной конвекции для радиаторов (более академическое, подробное объяснение модели здесь ).

Вот пример отношения к вашей проблеме проектирования (55x55x55mm наружных размеров, 10x1mm плавники, опорная плита толщины 10 мм и довольно консервативна 2000 Вт / m2ºC контакт проводимость):

Результирующая температура источника для температуры окружающей среды 25ºC и 26,35 Вт тепла, поступающего в радиатор, составляет приблизительно 110ºC, что означает, что радиатор будет иметь тепловое сопротивление 3,23ºC / Вт в условиях естественной конвекции.

Поэкспериментируйте с калькулятором, чтобы найти внешние размеры, которые лучше всего подходят вашему дизайну.

Я шел по этому пути, но тренажеры стоят слишком дорого и имеют крутой курс обучения. Если вы не инженер по термодинамике, у вас могут возникнуть проблемы с пониманием жаргона, я понял. Я читаю учебники по термодинамике и всевозможные статьи о радиаторах и симуляторах радиатора.

Я предлагаю вам купить алюминиевую планку по цене $ 1,23 (0,125 x 1,5 x 12) (6061 T6511 - наименее дорогой), установить светодиод, чтобы он заработал, поставить планку в холодильник. Вынесите его во влажную комнату, где он конденсируется. Затем положите его в морозильник, заморозьте, достаньте, разожгите и посмотрите, как образуются кристаллы льда, когда они тают, когда грелка бара. Результат аналогичен выводу симулятора. Реальная жизнь тоже удивительно точна.

Кроме того, это не напрасное усилие, если вы делаете симуляцию, вам все еще нужна полоса, чтобы увидеть, насколько далеко от симуляции были.

Но проблема в том, что в течение часа или около того вы получите очень горячий алюминиевый стержень, почти такой же горячий, как светодиод. Но вам не нужно много воздушного потока с большой поверхностью. Алюминиевый пруток за 1,23 долл. США или меньше за фут - чертовски дешевый радиатор.

Я тоже не люблю фанатов. Этот очень тихий, потому что он движется только 13 CFM при 12 В постоянного тока, 30,3 дБ, 2300 об / мин, но он был эффективен.

36 В 2,4 А макс.
Узор показан только с одной стороны, он был фактически симметричным.

Измерение температуры обратной стороны.

Ток повернулся вниз и рассеян.

Хорошая новость: действительно есть простая математическая модель, которая довольно точна.

В основном вы можете смоделировать большинство тепловых проблем в виде простой электрической цепи:

1. Тепловая мощность = электрический ток
2. Разница температурных температур = электрическое напряжение
3. Тепловое сопротивление = электрический резистор
4. Тепловая масса = электрический конденсатор

Ваш случай еще проще: поскольку вам не нужны постоянные времени, вам не нужно беспокоиться о тепловой массе.

Итак, ваша модель должна выглядеть так

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

где

• R1: тепловое сопротивление от светодиодного перехода до монтажной поверхности светодиода
• R2: тепловое сопротивление для подключения светодиода к Al
• R3: тепловое сопротивление от Al до окружающего воздуха

Они все в серии, так что вы можете просто сложить их. Если у вас R1 = 1,2 К / Вт, R2 = 0,8 К / Вт и R3 = 0,1 К / Вт, ваше общее сопротивление составит 2,1 К / Вт. Для рассеянного тепла 40 Вт ваш светодиодный переход будет на 2,1 К / Вт * 40 Вт = 84 Кельвина (или Цельсия) выше температуры окружающей среды. При температуре окружающей среды 25 ° место соединения будет при 109 °.

Плохая новость: известно, что данные, которые вам нужно смоделировать, предсказать сложно

Вам понадобятся три тепловых сопротивления и максимально допустимая температура перехода светодиодов.

1. Если вам повезет, вы можете найти R1 и максимальную температуру для светодиода в спецификации.
2. R2 очень сложен, так как он зависит от точного материала, точной формы, степени плоскостности, точной обработки поверхности как вашей монтажной поверхности, так и алюминиевой планки. Здесь важны даже цвет и детали процесса анодирования алюминия.
3. R3: Если планка достаточно большая, она должна быть довольно маленькой

Что делать, зависит от способностей измерения, которые у вас есть. В целом это имеет хорошие шансы на работу. Убедитесь, что светодиод надежно прикреплен к шине AL, и поместите термоподушку или немного термопасты на соединение.

Коснитесь панели: она должна быть заметно теплее в непосредственной близости от светодиода. Если нет, это означает, что вы не получаете никакого тепла, передаваемого в стержень, и тепловое соединение не работает. Если весь бар ощущается теплым или даже горячим, у вас недостаточно тепловой связи с окружающей средой. Рассмотрим большую площадь поверхности для бара.

Один светодиод мощностью 60 Вт представляет собой тепловую проблему, потому что источник тепла небольшой и очень мощный. Следовательно, вам понадобится толстый металл, чтобы распределить тепло в достаточно большой радиатор.

Это похоже на процессор настольного ПК: небольшая площадь поверхности, много энергии. Многие радиаторы настольных ПК используют тепловые трубки для решения проблемы распространения тепла. Безвентиляторный радиатор ПК должен работать.

Тем не менее, это не решает другую проблему, которая заключается в том, что один светодиод мощностью 60 Вт является очень ярким точечным источником и не идеален для освещения рабочего места. Он будет ослепительно ярким и будет отбрасывать резкие тени.

Вы можете решить обе проблемы, используя светодиодные ленты следующим образом:

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

Я использовал их в проекте:

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

Они поставляются на металлической плате, а полосу можно разрезать на отдельные светодиоды. Затем я приклеил их к алюминиевым L-профилям с помощью теплопроводящей эпоксидной смолы (один светодиод на каждые 10 см).

Распределение выделяющих тепло светодиодов по длине алюминиевого профиля позволяет значительно облегчить охлаждение и создать более приятный свет.

РЕДАКТИРОВАТЬ

Хорошо, поехали со светодиодом 60W.

Я полагаю, это указывает вниз. Вы хотите, чтобы ребра радиатора были вертикальными для оптимальной конвекции. Это указывает на этот вид форм-фактора:

Ссылка Ссылка

Если вы используете плоский радиатор, вам необходимо установить светодиод на толстый алюминиевый квадрат, а затем установить его на радиатор.

Поскольку ваша проблема заключается в распространении тепла, генерируемого небольшим источником, вы также можете использовать плоские тепловые трубки:

Ссылка Ссылка

Есть Lisa, инструмент для анализа методом конечных элементов, который является бесплатным, по крайней мере, для моделей с макс. около 1000 узлов.

Моделирование сложно, требует глубокого понимания и основано на предположениях о граничных условиях. Реальные испытания, если они безопасны и возможны, лучше. Если у вас уже есть светодиод и кандидат на радиатор, вы можете попробовать его. Запустите его на известном, но безопасном уровне мощности, дайте ему достичь равновесия (= нет более ощутимого повышения температуры) и сохраните эту конечную температуру. Вы должны иметь надлежащее оборудование для измерений. Разница температур между светодиодом и окружающей средой прямо пропорциональна рассеиваемой мощности. Конечно, вы не можете войти внутрь светодиода, пока не используете себя в качестве датчика. Производитель может предоставить некоторые полезные данные о соотношении между прямым напряжением, током и температурой.

Но вы также можете измерить на границе между светодиодом и радиатором. Безусловно, имеется тепловое сопротивление между этой точкой и полупроводником, или допустимые температурные пределы прямо указываются в виде температур на границе радиатора.

Если ваше повышение температуры на 10 Вт составляет, скажем, 1/3 от допустимого повышения, вы можете максимально иметь рассеивание = 30 Вт.

Обратите внимание, что в шкафу также повышается температура окружающей среды, и это необходимо учитывать. Соседнее другое нагревательное устройство также должно быть принято во внимание. Он нагревает атмосферу, а также излучает тепло. Вы видите сейчас и, вероятно, уже знали, что тепловое проектирование - это область, полная проблем и ловушек.

ДОБАВЛЕНИЕ: проблема интересная. Я принял это как должное, что установка на алюминиевую пластину решает проблему нагрева с светодиодами. Некоторые быстрые расчеты показали, что никакая тонкая пластинка не прижмет ее. Рассеяние почти такое же, как в усилителе звука мощностью 100 Вт на один из 2 выходных транзисторов, поэтому необходимы такие же теплоотводы. Их производительность сильно страдает, если пыль забивает их. Не забывайте требовать регулярной очистки в качестве условия гарантии или изготавливать радиаторы большого размера.

Чтобы дать вам представление о том, с чем вы столкнулись, с помощью пассивного радиатора. Cree сделала эталонный дизайн в качестве замены лампы мощностью 1000 Вт HPS.

Светильник состоит из четырех «двигателей» . Каждый 130-ваттный двигатель имеет размер 11,25 "x 7,25" x 2,5 ". Это в основном размер радиатора.

Используемый радиатор - анодированный черный Aavid, артикул 62625

Ориентировочная цена (только для радиатора) $ 450

Это $ 3,46 за ватт.

Для ваших 64 Вт это будет $ 222.

Стоимость в 450 долларов США основана на анодированном черном номере Aavid 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ")

А Aavid 701652 1,78 "х 12" х 48 "был $ 431.

Каждый двигатель состоит из 48 светодиодов мощностью 130 Вт .

Вам потребуется радиатор только в два раза меньше. Этот теплоотвод составляет 11,25 "х 7,25" х 2,28 "

Прочтите сообщение в блоге «Как спроектировать плоский радиатор» http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Это дает подробное объяснение того, как рассчитать тепловое сопротивление металлической пластины, используемой в качестве радиатора. Я считаю, что вы также можете получить электронную таблицу, которая выполняет расчеты, если вы дадите им свой адрес электронной почты.

По сути, вам необходимо определить сопротивление излучения и естественной конвекции от внешних поверхностей, а затем определить тепловое сопротивление проводимости. Добавьте три вместе на основе тепловой схемы, показанной ниже:

где:

Rconv - сопротивление внешней конвекции

Ррад - внешняя радиационная стойкость

Rsp - сопротивление распространению

Rint / Rcont - это сопротивление контакта или интерфейса

Rth-jc - это случай сопротивления светодиода перехода

Ts - температура поверхности радиатора

Tj - температура светодиодного перехода

Уравнения для Rconv и Rrad довольно сложны и подробно объясняются в блоге.

Простой симулятор специй сделает это: он как разряженный конденсатор.