Power LED'den metal bara ısı transferini modelleme

İşyeri aydınlatması ile oynuyorum ve güç LED'lerimi sürmek için 20 V -> 38 V PWM'able sabit akım kaynağı geliştirdim (maksimum güç yaklaşık 64W). Çok uzak çok iyi. Ancak, neredeyse bir LED'i önemli ölçüde küçük boyutlu bir ısı emiciye sabitleyerek öldürdüm ("neyse ki", tel kontakları tam zamanında lehimlenerek işlemi durdurdu).

Şimdi soğutma seçeneklerini düşünüyorum. Aktif soğutmadan (yani bir fanın uğultusu) kaçınmak isteyen, "tembel" çıkış yolu düşünüyordum (nihai boyuttan çok uzak, henüz bir soğutucu adayı yok ):

19 x 19 mm LED'i doğrudan bir alüminyum çubuğa veya profile monte etmek istiyorum. Şimdi, zaten termal simülasyon yazılımı ile oynuyorum, ama bu üstte görünüyor (ve şimdiye kadar çoğunlukla çöküyor, artı yakalamak için çok fazla teorim var). Yani:

• Bir metal parçasına sabit güçte bir ısı kaynağı takarken ısı dağılımı için iyi bilinen bir analitik model var mı?
  • değilse, bir simülasyon yazılımı var mı? Şimdiye kadar Elmer ile oynuyorum.
• Simülasyon buraya gitmenin yolu mu, yoksa 60W LED'ler için pasif soğutma mı?

Veriler ( LED veri sayfasından ):

• Bağlantı Kutusu Termal Direnci 0.8 K / W
• 19x19 mm
• maksimum nominal güç 64,2 W
• kullanmayı planladığım sürekli güç: 36,6 V · 0,72 A = 26,352 W

Anladığım doğru ise, bir soğutucu veya ısı ileten malzeme levhasının hava akışı olmadan ortama karşı termal direncini tahmin etmek istersiniz ( = doğal konveksiyon ).

Soğutucular için doğal konveksiyon modelini uygulayan kanatlı dikdörtgen soğutucu için güzel bir çevrimiçi hesap makinesi var ( modelin daha akademik, ayrıntılı bir açıklaması burada ).

Tasarım probleminizle ilgili bir örnek (55x55x55mm dış boyutlar, 10x1mm kanatçıklar, taban plakası kalınlığı 10mm ve oldukça muhafazakar 2.000 W / m2ºC temas iletkenliği):

25ºC ortam sıcaklığı ve soğutucuya akan 26.35 W ısı için elde edilen kaynak sıcaklığı yaklaşık 110ºC'dir, yani soğutucu doğal konveksiyon koşullarında 3.23 /C / W termal dirence sahip olacaktır.

Tasarımınıza en uygun dış boyutları bulmak için hesap makinesiyle denemeler yapın.

Ben o yoldaydım ama simülatörlerin maliyeti çok fazla ve dik bir öğrenme eğrisi var. Eğer bir termal dinamik mühendisi değilseniz, jargonu anlamakta bazı problemleriniz olabilir, yaptım. Termal dinamikler ve her türlü ısı emici tasarım kağıtları ve soğutucu simülatörleri hakkında ders kitapları okudum.

Sana önermek $ 1.23 (0.125 x 12 x 1.5) çevrimiçi metaller de alüminyum çubuğu almak , LED çalışma olsun monte (6061 T6511 az pahalı) buzdolabında bar koydu. Yoğunlaştığı nemli bir odaya çıkarın. Sonra dondurucuya koyun, ayaz alın, dışarı çıkarın ve buz kristallerinin çubuk ısındıkça eriyildikleri kalıpları izleyin. Sonuç, bir simülatörün çıkışına benzer. Gerçek hayat da şaşırtıcı derecede doğrudur.

Ayrıca, boşa harcanan bir çaba değildir, simülasyonu yaparsanız, simülasyonların ne kadar uzakta olduğunu görmek için yine de çubuğa ihtiyacınız vardır.

Ama sorun şu ki bir saat içinde LED kadar sıcak bir alüminyum çubuk ile sonuçlanacaksınız. Ancak geniş bir yüzeye sahip çok fazla hava akışına ihtiyacınız yoktur. Ayak başına 1,23 $ veya daha düşük bir alüminyum çubuk çok ucuz bir soğutucu.

Hayranları da sevmiyorum. Bu çok sessiz çünkü sadece 13 CFM @ 12VDC, 30.3 dB, 2300 RPM hareket ediyor, ancak etkili oldu.

36V 2.4 Amp maks.
Sadece bir tarafta gösterilen desen, aslında simetrikti.

Sıcaklığın arka tarafının ölçülmesi.

Akım azaldı ve dağıldı.

İyi haber: Gerçekten de oldukça doğru olan basit bir matematiksel model var.

Temel olarak çoğu termal sorunu basit bir elektrik devresi olarak modelleyebilirsiniz:

1. Termal Güç = Elektrik Akımı
2. Termal Sıcaklık Farkı = Elektrik Gerilimi
3. Termal Direnç = Elektriksel Direnç
4. Termal Kütle = Elektrik Kondansatörü

Durumunuz daha da basit: Zaman sabitlerini umursamadığınız için termal kütle konusunda endişelenmenize gerek yok.

Yani modelin böyle görünmeli

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

Nerede

• R1: LED bağlantısından LED montaj yüzeyine termal direnç
• R2: LED-Al bağlantısı için termal direnç
• R3: Al'den ortam havasına termal direnç

Hepsi seri halinde, böylece onları ekleyebilirsiniz. R1 = 1,2K / W, R2 = 0,8K / W ve R3 = 0,1 K / W varsa, toplam direnciniz 2,1K / W olacaktır. 40W harcanan ısı için LED bağlantınız Ortam sıcaklığının 2.1K / W * 40W = 84 Kelvin (veya Santigrat) üzerinde olacaktır. 25 ° C sıcaklıkta kavşak 109 ° C'da olacaktır.

Kötü haber: Bunu modellemek için ihtiyaç duyduğunuz verileri tahmin etmek çok zor

Üç termal dirence ve izin verilen maksimum LED bağlantı sıcaklığına ihtiyacınız olacak.

1. Şanslıysanız, R1 ve LED için Maks sıcaklık değerlerini veri sayfasında bulabilirsiniz.
2. R2 çok zor, çünkü tam malzemeye, tam şekle, düzlük miktarına, hem montaj yüzeyinizin hem de Al çubuğunun kesin yüzey işlemlerine bağlıdır. Alüminyumun eloksal işleminin rengi ve detayları bile burada önemlidir.
3. R3: Çubuk oldukça büyükse, oldukça küçük olmalıdır

Ne yapmak sahip olduğunuz ölçüm yeteneklerine bağlıdır. Genel olarak bunun iyi bir çalışma şansı vardır. LED'in AL çubuğuna sıkıca takıldığından emin olun ve bağlantıya bir termal ped veya biraz ısı macunu koyun.

Çubuğa dokunun: LED'e çok yakın bir şekilde daha sıcak olmalıdır. Aksi takdirde, bara ısı aktarmazsınız ve termal bağlantı iyi değildir. Tüm çubuk sıcak veya hatta sıcak hissediyorsa, çevreye yeterli termal bağlantı elde edemezsiniz. Çubuk için daha fazla yüzey alanı düşünün.

Bir 60W LED, ısı kaynağı küçük ve çok güçlü olduğu için termal bir zorluktur. Bu nedenle, ısıyı yanal olarak yeterince büyük bir soğutucuya yaymak için kalın metale ihtiyacınız olacaktır.

Bu bir masaüstü PC cpu ile benzer: küçük yüzey alanı, çok fazla güç. Birçok masaüstü PC ısı emicisi, ısı yayma sorununu çözmek için ısı boruları kullanır. Fansız bir PC soğutucu çalışmalıdır.

Ancak, bu diğer sorununuzu çözmez, yani bir 60W LED çok parlak bir nokta kaynağıdır ve işyeri aydınlatması için ideal değildir. Körü körüne parlak olacak ve sert gölgeler oluşturacak.

Her iki sorunu aşağıdaki gibi LED şeritleri kullanarak çözebilirsiniz:

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

Bunları bir projede kullandım:

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

Metal bir PCB'ye gelirler ve şerit bireysel LED'lere kesilebilir. Daha sonra termal iletken epoksi (her 10 cm'de bir LED) kullanarak alüminyum L profillerine yapıştırdım.

Isı üreten LED'leri bir alüminyum profilin üzerine yaymak çok daha kolay soğutma sağlar ve daha hoş bir ışık üretir.

DÜZENLE

Tamam, 60W LED ile gidelim.

Sanırım aşağıya bakıyor. Isı emici kanatçıklarının optimum konveksiyon için dikey olmasını istiyorsunuz. Bu, bu tür bir form faktörüne işaret eder:

Bağlantı Bağlantı

Düz bir ısı emici kullanıyorsanız, LED'i kalın bir alüminyum kareye monte etmeniz ve ardından bunu bir ısı emiciye monte etmeniz gerekir.

Sorununuz küçük bir kaynaktan üretilen ısıyı yayıyor olduğundan, düz ısı boruları da kullanabilirsiniz:

Bağlantı Bağlantı

Lisa, en azından maks. yaklaşık 1000 düğüm.

Simülasyon zordur, derin bir anlayış gerektirir ve sınır koşulları hakkındaki varsayımlara dayanır. Gerçek testler, eğer güvenli ve mümkünse daha iyidir. Önceden liderlik ve soğutucu adayınız varsa, iyi deneyebilirsiniz. Bilinen ancak güvenli bir güç seviyesinde çalıştırın, dengeye ulaşmasına izin verin (= ölçülebilir sıcaklık artışı yok) ve bu nihai sıcaklığı saklayın. Ölçümler için uygun ekipmanlara sahip olmalısınız. Led ve ortam arasındaki sıcaklık farkı, harcanan güçle doğrudan orantılıdır. Elbette sensörün olarak kendini kullanana kadar ledin içine giremezsin. Üretici muhtemelen ileri voltaj, akım ve sıcaklık arasındaki ilişki hakkında bazı yararlı veriler verebilir.

Ancak led ve soğutucu arasındaki sınırda da ölçüm yapabilirsiniz. Kesinlikle bu nokta ile yarı iletken arasındaki termal direnç vardır veya izin verilen sıcaklık sınırları, soğutucu bloğundaki sıcaklıklar olarak doğrudan söylenir.

Eğer 10W'deki sıcaklık artışınız izin verilen artışın 1 / 3'ü ise, maksimum dağılma = 30W olabilir.

Bir kabin içinde ortam sıcaklığının da yükseldiğini ve bunun hesaba katılması gerektiğini unutmayın. Bitişik başka bir ısıtma cihazı da hesaba katılmalıdır. Ambiyansı ısıtır ve ayrıca ısı yayar. Şimdi görüyorsunuz ve muhtemelen termal tasarımın zorluklarla ve tuzaklarla dolu bir alan olduğunu zaten biliyorsunuz.

ADDENDUM: Sorun ilginç. Bir alüminyum plakaya monte etmenin ledlerdeki ısı problemini çözdüğünü kabul ettim. Bazı hızlı hesaplamalar, hiçbir ince plakanın çivilenmeyeceğini gösterdi. Dağılım, 2 çıkış transistörünün her biri başına 100W ses amplifikatörüyle aynıdır, bu nedenle benzer soğutuculara ihtiyaç vardır. Toz onları tıkarsa performansları büyük ölçüde düşer. Düzenli temizlemeyi garanti için bir koşul olarak demonte etmeyi veya aşırı büyük soğutucular yapmayı unutmayın.

Pasif bir soğutucu ile neyle karşı karşıya olduğunuz hakkında bir fikir vermek için. Cree, 1000W HPS Lambasının yerine referans tasarım yaptı .

Armatür dört "motordan" oluşur . Her 130 Watt motor 11,25 "x 7,25" x 2,5 "dir.

Kullanılan soğutucu Aavid Siyah Eloksallı P / N 62625

Tahmini Fiyat (Yalnızca Soğutucu için)

Watt başına 3.46 dolar.

64 Watt'ınız için bu 222 $ olurdu.

450 $ maliyet Aavid Siyah Eloksallı P / N 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ")

Ve Aavid 701652 1,78 "x 12" x 48 "431 dolardı.

Her Motor, 130 Watt iten 48 LED'den oluşur .

Bu boyutun sadece yarısına sahip bir soğutucu gerekir. Bu soğutucu 11,25 inç x 7,25 inç x 2,28 inç

'Düz plaka ısı emici nasıl tasarlanır' blog yazısına göz atın http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Isı alıcı olarak kullanılan metal bir plakanın termal direncinin nasıl hesaplanacağının ayrıntılı bir açıklamasını sağlar. E-posta adresinizi verirseniz, hesaplamaları yapan bir e-tablo da alabileceğinizi düşünüyorum.

Esasen dış yüzeylerden gelen radyasyon ve doğal konveksiyon direncini ve ardından iletim termal direncini belirlemeniz gerekir. Üçünü aşağıda gösterilen termal devreye göre bir araya getirin:

nerede:

Rconv harici konveksiyon direncidir

Rrad harici radyasyon direncidir

Rsp yayılma direncidir

Rint / Rcont, temas veya arayüz direncidir

Rth-jc LED'in birleşim direncinde

Ts ısı alıcı yüzey sıcaklığıdır

Tj LED bağlantı sıcaklığıdır

Rconv ve Rrad denklemleri oldukça karmaşıktır ve blog yazısında ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Basit bir baharat simülatörü bunu yapacaktır: tıpkı bir kapasitörün boşaltılması gibidir.