Ich spiele mit der Arbeitsplatzbeleuchtung herum und habe eine konstante Stromquelle mit 20 V -> 38 V PWM entwickelt, um meine Power-LEDs anzusteuern (maximale Leistung ca. 64 W). So weit, ist es gut. Ich habe jedoch eine LED fast thermisch getötet, indem ich sie auf einem deutlich zu kleinen Kühlkörper befestigt habe ("zum Glück" lösten sich die Drahtkontakte gerade noch rechtzeitig ab und stoppten den Prozess).
Jetzt denke ich über Kühloptionen nach. Um eine aktive Kühlung (dh das Summen eines Lüfters) zu vermeiden, dachte ich über den "faulen" Ausweg nach (Dimension weit vom Finale entfernt, ich habe noch keinen Kühlkörperkandidaten ):
Ich möchte die 19 x 19 mm LED direkt auf einer Aluminiumstange oder einem Aluminiumprofil montieren. Jetzt spiele ich bereits mit thermischer Simulationssoftware herum, aber das scheint übertrieben (und bis jetzt stürzt es meistens ab, und ich habe eine Menge Theorie, die ich nachholen muss). So:
- Gibt es ein bekanntes analytisches Modell für die Wärmeverteilung beim Anbringen einer Wärmequelle mit konstanter Leistung an einem Metallstück?
- Wenn nicht, gibt es eine Simulationssoftware? Bisher spiele ich mit Elmer.
- Ist die Simulation überhaupt der richtige Weg oder ist die passive Kühlung für 60-W-LEDs verdammt?
Daten (aus LED-Datenblatt ):
- Wärmewiderstand im Anschlussgehäuse 0,8 K / W.
- 19 x 19 mm
- maximale Nennleistung 64,2 W.
- Dauerleistung, die ich verwenden möchte: 36,6 V · 0,72 A = 26,352 W.
Antworten:
Wenn mein Verständnis richtig ist, möchten Sie den Wärmewiderstand eines Kühlkörpers oder einer Platte aus wärmeleitendem Material gegenüber der Umgebung ohne Luftstrom ( = natürliche Konvektion ) abschätzen .
Es gibt einen schönen Online-Rechner für rechteckige Kühlkörper mit Rippen , der das natürliche Konvektionsmodell für Kühlkörper implementiert (eine akademischere, detailliertere Erklärung des Modells finden Sie hier ).
Hier ist ein Beispiel, das für Ihr Konstruktionsproblem relevant ist (Außenabmessungen 55 x 55 x 55 mm, Lamellen 10 x 1 mm, Dicke der Grundplatte 10 mm und eine eher konservative Kontaktleitfähigkeit von 2.000 W / m2ºC):
Die resultierende Quellentemperatur für 25 ° C Umgebungstemperatur und 26,35 W Wärme, die in den Kühlkörper fließt, beträgt ca. 110 ° C, was bedeutet, dass der Kühlkörper unter natürlichen Konvektionsbedingungen einen Wärmewiderstand von 3,23 ºC / W haben würde.
Experimentieren Sie mit dem Taschenrechner, um die Außenmaße zu finden, die am besten zu Ihrem Design passen.
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Ich war auf diesem Weg, aber die Simulatoren kosten viel zu viel und haben eine steile Lernkurve. Wenn Sie kein Thermodynamiker sind, haben Sie möglicherweise Probleme, den Jargon zu verstehen, den ich getan habe. Ich lese Lehrbücher über Wärmedynamik und alle Arten von Kühlkörper-Designpapieren und Kühlkörpersimulatoren.
Ich schlage vor, Sie erhalten die Aluminiumstange bei Online-Metallen 1,23 USD (0,125 x 1,5 x 12) (der 6061 T6511 ist am billigsten), montieren Sie die LED, damit sie funktioniert, und legen Sie die Stange in den Kühlschrank. Nehmen Sie es in einen feuchten Raum, in dem es kondensiert. Stellen Sie es dann in den Gefrierschrank, lassen Sie es frostig werden, nehmen Sie es heraus, zünden Sie es an und beobachten Sie die Muster, die die Eiskristalle beim Schmelzen des Riegels beim Schmelzen erzeugen. Das Ergebnis ähnelt der Ausgabe eines Simulators. Das wirkliche Leben ist auch erstaunlich genau.
Außerdem ist es keine Verschwendung, wenn Sie die Simulation durchführen, benötigen Sie immer noch die Leiste, um zu sehen, wie weit die Simulationen entfernt waren.
Das Problem ist jedoch, dass Sie innerhalb einer Stunde einen sehr heißen Aluminiumbalken erhalten, der fast so heiß ist wie die LED. Sie benötigen jedoch nicht viel Luftstrom mit einer großen Oberfläche. Eine Aluminiumstange für 1,23 USD oder weniger pro Fuß ist ein verdammt billiger Kühlkörper.
Ich mag auch keine Fans. Dieser ist sehr leise, weil er nur 13 CFM bei 12 VDC, 30,3 dB und 2300 U / min bewegt , aber er war effektiv.
36V 2,4 Ampere max.
Muster nur auf einer Seite gezeigt, es war tatsächlich symmetrisch.
Messung der Temperaturrückseite.
Der Strom ging weit zurück und diffundierte.
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Die gute Nachricht: Es gibt in der Tat ein einfaches mathematisches Modell, das ziemlich genau ist.
Grundsätzlich können Sie die meisten thermischen Probleme als einfachen Stromkreis modellieren:
Ihr Fall ist noch einfacher: Da Sie sich nicht um Zeitkonstanten kümmern, müssen Sie sich keine Gedanken über die thermische Masse machen.
Ihr Modell sollte also so aussehen
Wo
Sie sind alle in Serie, sodass Sie sie einfach addieren können. Wenn Sie R1 = 1,2 K / W, R2 = 0,8 K / W und R3 = 0,1 K / W haben, beträgt Ihr Gesamtwiderstand 2,1 K / W. Bei einer Wärmeableitung von 40 W liegt Ihr LED-Übergang bei 2,1 K / W * 40 W = 84 Kelvin (oder Celsius) über der Umgebungstemperatur. Bei 25 ° C wäre die Kreuzung bei 109 ° C.
Die schlechte Nachricht: Die Daten, die Sie benötigen, um dies zu modellieren, sind bekanntermaßen schwer vorherzusagen
Sie benötigen drei Wärmewiderstände und die maximal zulässige LED-Sperrschichttemperatur.
Was zu tun ist, hängt von Ihren Messfähigkeiten ab. Im Allgemeinen hat dies gute Arbeitschancen. Stellen Sie sicher, dass die LED fest mit der AL-Leiste verbunden ist, und setzen Sie ein Wärmeleitpad oder eine Wärmepaste auf die Verbindung.
Berühren Sie die Leiste: In der Nähe der LED sollte es merklich wärmer sein. Wenn nicht, bedeutet dies, dass keine Wärme in die Stange übertragen wird und die thermische Verbindung nicht gut ist. Wenn sich die gesamte Bar warm oder sogar heiß anfühlt, erhalten Sie nicht genügend Wärmekopplung an die Umgebung. Betrachten Sie mehr Oberfläche für die Stange.
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Eine 60-W-LED ist eine thermische Herausforderung, da die Wärmequelle klein und sehr leistungsstark ist. Daher benötigen Sie dickes Metall, um die Wärme seitlich auf einen ausreichend großen Kühlkörper zu verteilen.
Dies ähnelt einer Desktop-PC-CPU: kleine Oberfläche, viel Leistung. Viele Desktop-PC-Kühlkörper verwenden Heatpipes, um das Problem der Wärmeverteilung zu lösen. Ein lüfterloser PC-Kühlkörper sollte funktionieren.
Dies löst jedoch nicht Ihr anderes Problem: Eine 60-W-LED ist eine sehr helle Punktquelle und nicht ideal für die Beleuchtung am Arbeitsplatz. Es wird blendend hell sein und harte Schatten werfen.
Sie können beide Probleme lösen, indem Sie LED-Streifen wie folgt verwenden:
http://www.leds.de/de/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/
Ich habe diese in einem Projekt verwendet:
http://www.leds.de/de/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/PowerBar-LED-Strip-12-Nichia-LEDs-CRI- 90.html
Sie werden auf einer Metallplatine geliefert und der Streifen kann in einzelne LEDs geschnitten werden. Ich habe sie dann mit wärmeleitendem Epoxid (eine LED alle 10 cm) auf Aluminium-L-Profile geklebt.
Das Verteilen der wärmeerzeugenden LEDs über ein Aluminiumprofil erleichtert das Abkühlen erheblich und erzeugt ein angenehmeres Licht.
BEARBEITEN
OK, lass uns mit der 60W LED loslegen.
Ich nehme an, es zeigt nach unten. Sie möchten, dass die Kühlkörperlamellen für eine optimale Konvektion vertikal sind. Dies deutet auf diese Art von Formfaktor hin:
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Wenn Sie einen flachen Kühlkörper verwenden, müssen Sie die LED auf einem dicken Aluminiumquadrat montieren und dann auf einem Kühlkörper montieren.
Da Ihr Problem darin besteht, die von einer kleinen Quelle erzeugte Wärme zu verbreiten, können Sie auch flache Wärmerohre verwenden:
Link Link
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Es gibt Lisa, ein Finite-Elemente-Analyse-Tool, das zumindest für Modelle mit max. ungefähr 1000 Knoten.
Die Simulation ist schwierig, erfordert ein tiefes Verständnis und basiert auf Annahmen über die Randbedingungen. Echte Tests, wenn sicher und möglich, sind besser. Wenn Sie bereits den LED- und den Kühlkörperkandidaten haben, können Sie es gut versuchen. Lassen Sie es mit einem bekannten, aber sicheren Leistungsniveau laufen, lassen Sie es das Gleichgewicht erreichen (= kein messbarer Temperaturanstieg mehr) und speichern Sie diese Endtemperatur. Sie müssen über die richtige Ausrüstung für die Messungen verfügen. Der Temperaturunterschied zwischen der LED und der Umgebung ist direkt proportional zur Verlustleistung. Natürlich können Sie die LED erst betreten, wenn Sie sich selbst als Sensor verwenden. Der Hersteller kann möglicherweise einige nützliche Daten über die Beziehung zwischen Durchlassspannung, Strom und Temperatur angeben.
Sie können aber auch an der Grenze zwischen LED und Kühlkörper messen. Es ist sicher verfügbar, dass der Wärmewiderstand zwischen diesem Punkt und dem Halbleiter oder die zulässigen Temperaturgrenzen direkt als Temperaturen an der Kühlkörpergrenze angegeben werden.
Wenn Ihr Temperaturanstieg bei 10 W etwa 1/3 des zulässigen Anstiegs beträgt, können Sie maximal eine Verlustleistung von 30 W erreichen.
Beachten Sie, dass in einem Schrank auch die Umgebungstemperatur steigt und dies berücksichtigt werden muss. Ein benachbartes anderes Heizgerät muss ebenfalls berücksichtigt werden. Es erwärmt das Ambiente und strahlt auch Wärme ab. Sie sehen jetzt und haben wahrscheinlich bereits gewusst, dass thermisches Design ein Bereich voller Herausforderungen und Fallen ist.
ADDENDUM: Das Problem ist interessant. Ich hatte angenommen, dass die Montage auf einer Aluminiumplatte das Hitzeproblem mit LEDs löst. Einige schnelle Berechnungen zeigten, dass keine dünne Platte es nageln wird. Die Verlustleistung ist ungefähr die gleiche wie bei einem 100-W-Audioverstärker pro einem der beiden Ausgangstransistoren, daher werden die gleichen Kühlkörper benötigt. Ihre Leistung leidet drastisch, wenn der Staub sie verstopft. Denken Sie daran, die regelmäßige Reinigung als Bedingung für die Garantie zu fordern oder stark übergroße Kühlkörper herzustellen.
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Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, was Sie mit einem passiven Kühlkörper erwartet. Cree fertigte ein Referenzdesign als Ersatz für eine 1000-W-HPS-Lampe.
Die Leuchte besteht aus vier "Motoren" . Jeder 130-Watt-Motor ist 11,25 "x 7,25" x 2,5 "groß. Dies entspricht im Wesentlichen der Größe des Kühlkörpers.
Der verwendete Kühlkörper ist ein Aavid Black Elodized P / N 62625
Geschätzter Preis (nur für Kühlkörper) $ 450
Das sind 3,46 US-Dollar pro Watt.
Für Ihre 64 Watt wären das 222 US-Dollar.
Die Kosten von 450 US-Dollar basieren auf einem Aavid Black Elodized P / N 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ").
Und ein Aavid 701652 1,78 "x 12" x 48 "war $ 431.
Jeder Motor besteht aus 48 LEDs mit einer Leistung von 130 Watt .
Sie würden einen Kühlkörper benötigen, der nur halb so groß ist. Dieser Kühlkörper ist 11,25 "x 7,25" x 2,28 "
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Lesen Sie den Blog-Beitrag "So entwerfen Sie einen Flachkühlkörper" http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Es enthält eine detaillierte Erklärung zur Berechnung des Wärmewiderstands einer Metallplatte, die als Kühlkörper verwendet wird. Ich glaube, Sie können auch eine Tabelle erhalten, die die Berechnungen durchführt, wenn Sie ihnen Ihre E-Mail-Adresse geben.
Im Wesentlichen müssen Sie die Strahlung und den natürlichen Konvektionswiderstand von den Außenflächen bestimmen und dann den Wärmeleitungswiderstand der Leitung bestimmen. Addieren Sie die drei anhand des unten gezeigten Wärmekreises:
wo:
Rconv ist der externe Konvektionswiderstand
Rrad ist der externe Strahlungswiderstand
Rsp ist der Ausbreitungswiderstand
Rint / Rcont ist der Kontakt- oder Schnittstellenwiderstand
Rth-jc ist der Fall zum Sperrschichtwiderstand der LED
Ts ist die Kühlkörperoberflächentemperatur
Tj ist die LED-Sperrschichttemperatur
Die Gleichungen für Rconv und Rrad sind ziemlich kompliziert und werden im Blog-Beitrag ausführlich erklärt.
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Ein einfacher Gewürzsimulator erledigt dies: Es ist wie wenn ein Kondensator entladen wird.
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