Управление вентиляторами для охлаждения светодиодных матриц

Введение

Светодиодные светильники прочно вошли в нашу жизнь, их можно встретить почти в каждом доме, на предприятиях, в различных учреждениях, на улице. Они способствуют экономии электроэнергии, надежны, обладают продолжительным сроком эксплуатации, а также целым набором технических характеристик, обеспечивающих этим светильникам преимущество перед осветительными приборами предыдущих поколений.

Светодиодные светильники выделяют меньше тепла, чем большинство светильников с другими источниками света. Но, тем не менее, во время работы устройства происходит естественный нагрев светодиодов. При плохом теплоотводе температура светодиодов может быть выше допустимой для их нормальной работы. Если повышенная температура светодиодов будет сохраняться постоянно, через некоторое время произойдет деградация люминофора, изменится цветовая температура диодов. А так же снизится световой поток, при том что энергопотребление останется прежним, то есть снизится энергоэффективность, и заметно уменьшится продолжительность срока эксплуатации светильника.

Виды и области применения

Сохраняя единый принцип размещения светодиодных кристаллов на теплопроводящей подложке, светодиодные матрицы существенно отличаются по количеству кристаллов на одном основании и способам их соединения между собой.

Количество кристаллов на одной подложке определяет итоговую мощность матрицы, которая может достигать сотен ватт на одно изделие. Мощные матричные источники света хорошо зарекомендовали себя в прожекторах и светильниках для уличного освещения.

Еще одной особенностью внутренних соединений кристаллов между собой с внешними выводами выступает возможность использования светодиодных матричных структур в информационных табло и в графических или символьных экранах. Такие LED-матрицы находят свое применение в контрольно-измерительной аппаратуре и всевозможных инсталляциях рекламного характера.

Как закрепить светодиод

Существует два основных способа крепления, рассмотрим оба из них.

Первый способ

– это механический. Он заключается в том, чтобы прикрутить светодиод саморезами или другим крепежом к радиатору, для этого нужна специальная подложка типа «звезда» (см. star). К ней припаивается диод, предварительно смазанный термопастой.

На «пузе» у светодиода есть специальный контактный пятачок диаметром как сигарета типа slim. После чего к этой подложке припаиваются питающие провода, и она прикручивается к радиатору. Некоторые светодиоды поступают в продажу уже закреплённые на переходной пластине, как на фото.

Второй способ

– это клеевой. Он пригоден как и для монтажа через пластину, так и без неё. Но метал к металлу крепить не всегда получается, чем приклеить светодиод к радиатору? Для этого нужно приобрести специальный термопроводящий клей. Он может встречаться как в хозяйственной, так и в магазине радиодеталей.

Выглядит результат такого крепления следующим образом.

Ремонт светодиодного прожектора своими руками

Оригинальный светодиодный прожектор отработав почти четыре года и после месяца неустойчивой работы окончательно погас. Диагностика внешним осмотром не выявила конкретной поломки. Повреждений на деталях драйвера обнаружено не было.

1. Разбираем прожектор. Снимаем крышку отсека драйвера светодиода и разбираем корпус драйвера.
2. Откручиваем винты крепления рамки держателя стекла прожектора и винты крепления отражателя. Извлекаем отражатель.
3. Откручиваем крепление светодиода к радиатору. В моем случае замечен косяк установки светодиода. Смотрите фото.
4. Паяльником отсоединяем провода питания светодиода и драйвера.
5. Соединяем провода питания 220 Вольт на драйвер с проводниками питания светодиода. Я это сделал при помощи двухполюсной клеммной колодки.
6. Очищаем от термопасты место крепления светодиода.
7. Приклеиваем тепло проводящим клеем LED COB чип. И оставляем клей застывать.
8. Подрезаем ножницами на отражателе отверстие для установки светодиода для повышения безопасности схемы от замыкания проводов питания на корпус. Смотрите фото и видео.
9. Припаиваем проводники питания LED COB чипа. Сделайте это аккуратно и ответственно! Дополнительно горячим клеем фиксируем на корпусе прожектора проводники питания чипа. Смотрите видео.
10. Проверяем работу схемы. Подаем питание 220 Вольт на светодиод. LED COB чип должен светиться. Отключаем питание.
11. Устанавливаем отражатель. Расстояние от места подключения питания чипа должно быть безопасным до металлических частей отражателя.
12. Устанавливаем рамку со стеклом, прикручиваем проводник заземления корпуса светодиода и закрываем отсек драйвера прожектора. Делаем заключительную проверку работы отремонтированного прожектора.

Прожектор установлен на заданное место и управляется объемным датчиком движения. Стоимость ремонта с установкой 5 Вт LED COB чипа по деталям просто смешная. Смотрите результат работы по ремонту прожектора на видео.

Для нормальной работы чипа как и для всех светодиодов необходим щадящий температурный режим. Был проведен контроль температуры чипа при долговременной работе прожектора в комнатной температуре. Чип нагрелся только до 30º С.

LED COB чип со встроенным драйвером питания от сети 220 Вольт хорошая альтернатива замены драйвера или светодиода при ремонте LED прожекторов.

sekret-mastera.ru

Особенности охлаждения мощных светодиодов

Как указывалось ранее, обеспечить эффективный отвод тепла от светодиода можно при помощи организации пассивного или активного охлаждения. Светодиоды мощностью потребления до 10 вт целесообразно устанавливать на алюминиевые (медные) радиаторы, так как их массогабаритные показатели будут иметь приемлемые значения.

Применение пассивного охлаждения для светодиодных матриц мощностью 50 Вт и более становится затруднительным; размеры радиатора составят десятки сантиметров, а масса возрастёт до 200-500 грамм. В этом случае стоит задуматься о применении компактного радиатора вместе с небольшим вентилятором. Этот тандем позволит снизить массу и размеры системы охлаждения, но создаст дополнительные трудности. Вентилятор необходимо обеспечить соответствующим напряжением питания, а также позаботиться о защитном отключении светодиодного светильника в случае поломки кулера.

Существует ещё один способ охлаждения мощных светодиодных матриц. Он состоит в применении готового модуля SynJet, который внешне напоминает кулер для видеокарты средней производительности. Модуль SynJet отличается высокой производительностью, тепловым сопротивлением не больше 2 °C/Вт и массой до 150 г. Его точные размеры и вес зависят от конкретной модели. К недостаткам стоит отнести необходимость в источнике питания и высокую стоимость. В результате получается, что светодиодную матрицу в 50 Вт нужно крепить либо на громоздкий, но дешёвый радиатор, либо на маленький радиатор с вентилятором, блоком питания и системой защиты.

Каким бы ни был радиатор, он способен обеспечить хороший, но не самый лучший тепловой контакт с подложкой светодиода. Для снижения теплового сопротивления на контактируемую поверхность наносят теплопроводящую пасту. Эффективность её воздействия доказана повсеместным применением в системах охлаждения компьютерных процессоров. Качественная термопаста устойчива к затвердеванию и обладает низкой вязкостью. При нанесении на радиатор (подложку) достаточно одного тонкого ровного слоя на всей площади соприкосновения. После прижима и фиксации толщина слоя составит около 0,1 мм.

Детали

Схема работает под напряжением сети 220 В, поэтому используют конденсаторы с рабочим напряжением не менее 600 В, бумажные типа КГБ или пленочные К73-17. Мощность теплового рассеивания резистора 0,25÷0,5 Вт.

Минимальное допустимое обратное напряжение диодов 400 В. Подходят Д226Б, КД105Б-Г или их импортные аналоги. Диоды заменяет мостовая сборка КЦ402-407. Стабилитрон выбирается с максимальным током при рабочем напряжении 12 В.

Параллельное включение конденсаторов увеличивает общую емкость, суммируя номиналы всех элементов. Нужное значение подбирается соединением нескольких элементов.

Материалы для изготовления

Радиаторы для охлаждения светодиодов различаются по конструкции и материалу.

Окружающий воздух может принять не более 5-10 Вт с единичной поверхности

При выборе материала для изготовления радиатора следует принять во внимание выполнение следующего условия: теплопроводность его должна быть не менее 5-10 Вт. Материалы с меньшим параметром не смогут обеспечить передачу всего тепла, которое может принять воздух

Для изготовления радиаторов традиционно используют алюминий, медь или керамику. В последнее время появились изделия, выполненные из теплорассеивающих пластмасс.

Алюминиевые

Основным недостатком алюминиевого радиатора является многослойность конструкции. Это неизбежно приводит к возникновению переходных тепловых сопротивлений, преодолевать которые приходится с помощью применения дополнительных теплопроводящих материалов:

• клейких веществ;
• изолирующих пластин;
• материалов, заполняющих воздушные промежутки и пр.

Алюминиевые радиаторы для светодиодов 1 вт

Медные

Медь обладает большей теплопроводностью, чем алюминий, поэтому в некоторых случаях ее использование для изготовления радиаторов оправдано. В целом же данный материал уступает алюминию в плане легкости конструкции и технологичности (медь – менее податливый металл).

Изготовление медного радиатора методом прессования – наиболее экономичным – невозможно. А обработка резанием дает большой процент отходов дорогостоящего материала.

Медные радиаторы

Керамические

Одним из наиболее удачных вариантов теплоотводчика является керамическая подложка, на которую предварительно наносятся токоведущие трассы. Непосредственно к ним и подпаиваются светодиоды. Такая конструкция позволяет отвести в два раза больше тепла по сравнению с металлическими радиаторами.

Лампочка с керамическим радиатором

Пластмассы теплорассеивающие

Все чаще появляется информация о перспективах замены металла и керамики на терморассеивающую пластмассу. Интерес к этому материалу понятен: стоит пластмасса намного дешевле алюминия, а ее технологичность намного выше. Однако теплопроводность обычной пластмассы не превышает 0,1-0,2 Вт/м.К. Добиться приемлемой теплопроводности пластмассы удается за счет применения различных наполнителей.

При замене алюминиевого радиатора на пластмассовый (равной величины) температура в зоне подвода температур возрастает всего на 4-5%. Учитывая, что теплопроводность теплорассеивающей пластмассы намного меньше алюминия (8 Вт/м.К против 220-180 Вт/м.К), можно сделать вывод: пластический материал вполне конкурентоспособен.

Лампочка с радиатором из термопластика

Какой контроллер вентилятора купить?

Выбор лучшего контроллера вентилятора ПК стал намного проще (я надеюсь). Очевидный победитель в списке – могучий Corsair Commander Pro, и это определяется его функциональностью, а также отличным программным обеспечением. Хотя Commander Pro не оснащен сенсорным дисплеем, как у Thermaltake Commander, он, безусловно, хорошо справляется со своей задачей и имеет два отдельных канала для RGB-подсветки.

В качестве более бюджетного, простого контроллера вентиляторов мы выбрали DeepCool FH-10 – это то, что нужно, так как он доступен по непревзойденной стоимости. Для более низкопрофильной установки с меньшим количеством вентиляторов Noctua NA-FC1 является надежной опцией.

Конечно, то, что вы выбираете, полностью зависит от ваших предпочтений и сборки, но будьте уверены, что независимо от того, какой контроллер вентилятора вы выберете из этого списка, вы не будете разочарованы.

Причины поломок

Обычно ремонт автомобильных радиаторов необходим или из-за банальной человеческой халатности (невыполнения правил ТО) или из-за несчастного случая (аварии, ДТП). В случае аварии страдает, как правило, фронтальная часть авто, и радиатор, являясь относительно хрупкой конструкцией, получает чрезмерные нагрузки. Однако если же потек радиатор охлаждения после того, как вы воду зимой забыли слить, значит, во время мороза лед сделал свое страшное дело. Или, например, недобросовестный автолюбитель заправлял в систему охлаждения не дистиллированную воду, а водопроводную или колодезную. В таком случае при нагреве на внутренних стенках трубопроводов и сот радиатора осели остатки солей и прочих шлаков, которые, в конечном счете, снизили эффективность системы охлаждения и привели к поломке.

Правда, если вы умеете обращаться с промышленным паяльником, то сможете попробовать отремонтировать радиатор охлаждения собственноручно. Однако контроль качества пропаянных швов, как и общую герметичность, нужно обеспечить на наивысшем уровне.

Первый способ охлаждения светодиодов

Этот метод основан на излучении тепловых волн в атмосферу, или тепловой конвекции. Способ относится к разряду пассивного охлаждения. Часть энергии поступает в атмосферу лучистым инфракрасным потоком, а часть уходит посредством циркуляции нагретого воздуха от радиатора.

Среди техники для светодиодов пассивная охлаждающая схема получила наибольшее распространение. Она не обладает вращающимися механизмами и не требует периодического обслуживания.

К минусам этой системы можно отнести необходимость установки крупного теплоотвода. Вес его достаточно большой, да и цена на него высокая.

Типы радиаторов

Некоторые соображения относительно пассивных тепловых конструкций, т.е радиаторов для светодиодов, для обеспечения хорошего управления температурой при работе светодиодов высокой мощности включают в себя:

Клей

Клей обычно используется для склеивания светодиодов и платы, а также платы и радиаторов. Использование теплопроводящего клея может дополнительно оптимизировать тепловые характеристики.

Радиатор

Радиаторы обеспечивают путь для прохождения тепла от светодиодного источника к внешней среде. Радиаторы могут рассеивать энергию тремя способами: проводимость (передача тепла от одного тела к другому), конвекция (передача тепла от твердого тела к движущейся жидкости, которая для большинства применений СИД будет воздухом) или излучение (передача тепла от двух тел различных температур поверхности через тепловое излучение ).

• Материал – Теплопроводность материала, из которого сделан радиатор, напрямую влияет на эффективность рассеивания за счет теплопроводности. Обычно это алюминий , хотя медь может использоваться с преимуществом для плоских радиаторов. Новые материалы включают термопласты, которые используются, когда требования к теплоотдаче ниже, чем нормальные, или сложная форма получит преимущество от литья под давлением, а также решения из натурального графита, которые обеспечивают лучшую теплопередачу, чем медь, с меньшим весом, чем алюминий, плюс возможность формования в комплекс. двумерные фигуры. Графит считается экзотическим решением для охлаждения и имеет более высокую стоимость производства.
• Форма – Термический перенос происходит на поверхности радиатора. Поэтому радиаторы должны иметь большую площадь поверхности. Эта цель может быть достигнута путем использования большого количества мелких ребер или увеличения размера самого радиатора.

Зависимость теплопроводности радиатора для светодиодов от формы

Хотя большая площадь поверхности приводит к лучшей эффективности охлаждения, между ребрами должно быть достаточно места, чтобы создать значительную разницу температур между ребром и окружающим воздухом. Когда ребра стоят слишком близко друг к другу, воздух между ними может стать почти такой же температуры, как ребра, так что передача тепла не произойдет. Следовательно, большее количество ребер не обязательно приводит к лучшей производительности охлаждения.

• Отделка поверхности – тепловое излучение радиаторов является функцией отделки поверхности, особенно при более высоких температурах. Окрашенная поверхность будет иметь большую излучательную способность, чем яркая, неокрашенная. Эффект наиболее заметен в плоских радиаторах, где около трети тепла рассеивается излучением. Кроме того, идеально плоская область контакта позволяет использовать более тонкий слой термопласта, что уменьшит тепловое сопротивление между радиатором и светодиодным источником. С другой стороны, анодирование или травление поверхности контакта также уменьшает тепловое сопротивление.
• Способ монтажа – крепления радиатора с помощью винтов или пружин часто лучше, чем обычные зажимы, теплопроводящий клей или клейкая лента.

Для теплообмена между светодиодными источниками мощностью более 15 Вт и радиатором рекомендуется использовать материал теплопроводности интерфейса с высокой теплопроводностью (TIM), который создаст тепловое сопротивление на границе раздела ниже 0,2 К / Вт. В настоящее время наиболее распространенным решением является и материал с фазовым переходом , который наносится в виде твердой прокладки при комнатной температуре, но затем превращается в густую желатиновую жидкость, когда она поднимается выше 45 ° C.

Что такое автономное охлаждение и как оно используется?

Принцип работы автономной охлаждающей системы базируется на том, что жидкость-охладитель подается в холодильник из небольшой ёмкости объемом 5л с использованием насоса. В результате в холодильнике происходит конденсирование спиртовых паров. Нагретая вода из холодильника поступает к нижнему патрубку радиатора, где она охлаждается вентилятором. Затем охлажденная жидкость вновь попадает в ёмкость из верхнего патрубка радиатора. Данная установка изображена на схеме ниже:

1 — Перегонный куб. 2 — Холодильник. 3 — Радиатор с вентилятором. 4 — Канистра с водой. 5 — Водяной насос.

Подобная система имеет следующие преимущества:

1. Минимальный расход жидкости. Систему достаточно 1 раз наполнить водой. Менять жидкость нужно лишь после 1-2 перегонок.
2. Вода в системе подвергается давлению, поэтому ее уровень в шлангах не будет резко изменяться.
3. Самогонный агрегат можно установить независимо от близости источника воды — в подвале, гараже, на лоджии и т.д.
4. Нет проблемы, связанной с утилизацией жидкости.
5. При отсутствии водоснабжения система автономного типа станет оптимальным решением.
6. Зимой автономный самогонный аппарат можно поставить на свежий воздух, не используя вентилятор.

Из минусов можно выделить лишь шумную работу, необходимость в электроэнергии и затраты на приобретение всех необходимых деталей.

Сделать своими руками

Радиолюбители редко берутся за изготовление радиаторов, поскольку этот элемент – вещь ответственная, напрямую влияющая на долговечность светодиода. Но в жизни бывают разные ситуации, когда приходится мастерить теплоотводчик из подручных средств.

Вариант 1

Самая простая конструкция самодельного радиатора – круг, вырезанный из листа алюминия с выполненными на нем надрезами. Полученные сектора немного отгибаются (получается нечто, похожее на крыльчатку вентилятора).

По осям радиатора отгибаются 4 усика для крепления конструкции к корпусу лампы. Светодиод можно закрепить через термопасту саморезами.

Вариант 1 – самодельный радиатор из алюминия

Вариант 2

Радиатор для светодиода можно изготовить своими руками из куска трубы прямоугольного сечения и алюминиевого профиля.

Необходимые материалы:

• труба 30х15х1,5;
• пресс-шайба диаметром 16 мм;
• термоклей;
• термопаста КТП 8;
• профиль 265 (Ш-образный);
• саморезы.

В трубе для улучшения конвекции сверлятся три отверстия диаметром 8 мм, а в профиле – отверстия диаметром 3,8 мм – для его крепления саморезами.

В местах соединения деталей радиатора наносится слой термопасты КТП 8. Затем производится сборка конструкции с помощью саморезов с пресс шайбой.

Способы крепления светодиодов к радиатору

Светодиоды прикрепляют к радиаторам двумя способами:

• механическим;
• приклеиванием.

Приклеить светодиод можно на термоклей. Для этого на металлическую поверхность наносится капелька клеящей массы, затем на нее садится светодиод.

Однако большинство радиолюбителей предпочитают механическое крепление светодиодов. Сейчас выпускаются специальные панели, с помощью которых можно быстро и надежно смонтировать светодиод.

В некоторых моделях предусмотрены зажимы для вторичной оптики. Монтаж выполняется просто: на радиатор устанавливается светодиод, на него – панелька, которая крепится к основанию саморезами.

Но не только радиаторы для светодиода можно изготовить самостоятельно. Любителям заниматься растениями рекомендуем ознакомиться со светодиодной .

Качественное охлаждение светодиода является залогом долговечности светодиода. Поэтому к подбору радиатора следует подходить со всей серьезностью. Лучше всего использовать готовые теплообменники: они продаются в магазинах радиотоваров. Стоят радиаторы недешево, зато легко монтируются и светодиод защищает от избытка тепла надежнее.

Светодиоды считаются одним из наиболее эффективных источников света, их световой поток доходит до фантастических значений, порядка 100 Лм/Вт. Люминесцентные лампы выдают в два раза меньше, а именно 50-70 Лм/Вт. Однако для долгой работы светодиода нужно выдерживать их тепловые режимы. Для этого применяются фирменные или самодельные радиаторы для светодиодов.

Что учитывать перед покупкой контроллера вентиляторов

Перед покупкой нового контроллера вентилятора или концентратора вентиляторов необходимо рассмотреть несколько вещей. Некоторые контроллеры вентиляторов имеют разные характеристики, количество каналов и, разумеется, программное обеспечение.

Эстетика контроллера вентиляторов

Большую часть времени контроллер вентилятора может быть скрытым. Иногда эти контроллеры вентиляторов проектируются так, чтобы они могли находиться внутри вашей системы и не выглядеть так, будто на вашем корпусе птицы свили гнездо.

Поддержка Pin

Различные контроллеры вентиляторов поддерживают разные типы контактов вентилятора; обычно это будет трёх- или четырёхконтактный.

3-контактные модели являются более сложными, чем старые 2-контактные модели, с двумя контактами для отрицательного и положительного тока и третьим контактом для контроля оборотов.

4-контактный вывод выполняет всё вышеперечисленное, но с добавлением дополнительного четвертого контакта, который предназначен для широтно-импульсной модуляции (ШИМ), работающей как переключатель, который постоянно включается и выключается, регулируя количество энергии на вентилятор.

Каналы

Количество каналов может варьироваться от контроллера к контроллеру

Важно убедиться, что вы получаете контроллер с нужным количеством каналов. Noctua в этом списке поддерживает только до трёх каналов, поэтому всегда следите за этим показателем!

Управление

Если какое-либо из этих устройств имеет элементы управления, они часто очень просты с ограниченными возможностями настройки. Программное обеспечение, такое как iCUE для Corsair Commander, превосходно и даёт вам реальную гибкость с конфигурациями. Другие варианты управления включают сенсорные экраны, такие как контроллер Thermaltake.

КАК РАССЧИТАТЬ РАДИАТОР ДЛЯ СВЕТОДИОДА

Расчет радиатора для светодиода осуществляется не по площади поверхности, а по полезной площади рассеивания. Чем она больше, тем интенсивнее устройство будет передавать тепло воздуху. Еще необходимо учитывать подводимую мощность. Если светодиод будет использоваться на полную мощность, то и в охлаждении он будет нуждаться сильнее

Не менее важно учитывать, где устройство будет расположено: на улице или в помещении

Методика профессионального расчета учитывает несколько важных факторов:

• показатели окружающего воздуха;
• модификация радиатора;
• материал теплоотводчика;
• площадь рассеивания.

Но такие характеристики учитываются обычно проектировщиками, которые разрабатывают теплоотвод. В бытовых условиях можно воспользоваться более простой формулой. Она предполагает вычисление максимальной рассеиваемой мощности теплообменника.

Ф = а · S · (Т1 – Т2),

где Ф – величина теплового потока, S – площадь поверхности радиатора (всех теплоотводящих поверхностей), Т1 и Т2 – температура среды, отводящей тепло, и температура нагретой поверхности соответственно, а – коэффициент теплоотдачи (условно принимается 6-8 Вт/м2·К).

При расчете площади поверхности теплоотводчика нужно учитывать следующее:

• У пластинчатых и ребристых радиаторов есть 2 поверхности для отвода тепла, поэтому в формуле это будет не S, а 2S.
• У игольчатых радиаторов площадь поверхности теплоотвода определяется как длина окружности (π · D), которую умножили на высоту (H).

Есть более простая формула расчета площади радиатора для светодиода, которая популярна среди пользователей интернета как экспериментальная. Она применима для алюминиевых радиаторов и выглядит следующим образом:

Sох = (22 – (М · 1,5) · W,

где Sох – площадь охладителя, М – не задействованная мощность светодиода (Вт), W – подведенная мощность (Вт). Получаемой по формуле площади достаточно для естественного охлаждения светодиода без применения кулера. Применяя формулу для расчета медного радиатора, площадь необходимо уменьшить в 2 раза.

Можно не производить расчет радиатора охлаждения светодиода, а воспользоваться усредненными данными, которые отражают зависимость площади от мощности. Для алюминиевых радиаторов актуальны следующие значения:

• 1 Вт – 10-15 см2;
• 3 Вт – 30-50 см2;
• 10 Вт – 1000 см2;
• 60 Вт – 7000-7300 см2.

Указанная площадь радиатора светодиода имеет достаточно большой разброс, поэтому данные считаются приблизительными, что нужно учитывать при выборе подходящего устройства