По мере роста мощности светодиодных осветительных приборов все чаще возникает потребность в специальных решениях по отводу тепла от светодиодов. В частности, для мощных светодиодов применяются специальные радиаторы. Радиаторы для мощных светодиодов позволяют отводить тепло от кристалла к поверхности за счет теплопроводности материалов системы охлаждения, а далее путем естественной воздушной конвекции тепло отводится от поверхности радиатора в окружающее пространство. Понятное дело, что в первом случае имеет значение объем и теплопроводность путей теплоотвода, во втором случае – площадь соприкосновения с воздухом. Поэтому радиаторы для светодиодных матриц производят из материалов (чаще всего металлов и сплавов, а также специальной керамики) с высокой теплопроводностью, а форма радиатора рассчитывается таким образом, чтобы суммарная площадь всех его граней была максимально-возможной в данном объеме пространства. Зачастую радиатор охлаждения для led похож на ежа, ощетинившегося иголками либо тонкими пластинами. Но, пассивное охлаждение для светодиодов не всегда дает требуемый эффект, поэтому в достаточно мощных светодиодных сборках нередко применяется и принудительное охлаждение. Создаваемый вентиляторами поток воздуха ускоряет отвод тепла от нагретых пластин радиатора. При этом, естественно, тратится дополнительная мощность на питание вентиляторов.
Впрочем, не только мощные и сверхяркие светодиоды требуют отвода тепла. Проблема отвода лишнего тепла от полупроводникового кристалла насущна абсолютно для всех светодиодов, но для разных типов LED она решается по-разному. Это не означает, конечно, что существуют отдельные радиаторы для CREE, радиаторы для OSRAM, радиаторы для SEOUL или, скажем, радиаторы для EDISON или других марок светодиодов. Нет, они-то, конечно, существуют, но принципиально не отличаются друг от друга в техническом плане. Различных подходов к охлаждению требуют не разные марки, а светодиоды, разные по мощности.
Распространенное обывательское мнение о том, что светодиод не нагревается, не соответствует действительности. Светодиоды, как, впрочем, и другие источники света, помимо излучения в видимой части спектра, также выделяют и тепло. Правда, природа теплообразования в твердотельных источниках света несколько отличается от природы выделения тепла в лампах накаливания. Нить накаливания при прохождении электрического тока нагревается (согласно закону Джоуля-Ленца, пропорционально сопротивлению и квадрату силы тока) и начинает излучать в инфракрасной части спектра. При достижении температуры выше 570°С нить накала начинает излучать и в видимой части спектра. Современные лампы накаливания с нитью из вольфрама или осмиево-вольфрамового сплава работают при температурах нити в диапазоне 2000-2800°С. При этом около 5% энергии излучения приходится на видимую часть спектра и 95% - на тепло. Тепло, несомое инфракрасными лучами, в зависимости от прозрачности цоколя и плафона частично задерживается на них, что приводит к их нагреву и дальнейший теплоотвод происходит путем воздушной конвекции. Другая часть инфракрасного излучения рассеивается в окружающем светильник пространстве, приводя к нагреву воздуха и окружающих предметов. По большому счету, лампочки накаливания являются более нагревательными приборами, нежели осветительными. И, кстати, по мере постепенного запрета на производство и реализацию ламп накаливания в некоторых странах эти же лампы по-прежнему продаются, но уже в качестве нагревателей.
Природа нагрева твердотельных источников света совершенно другая. В полупроводниковых приборах (не только светодиодах) имеют место быть термоэлектрические явления, в частности, эффект Пельтье. При прохождении тока через границу разных проводников/полупроводников выделяется тепло. При этом тепло не излучается в виде инфракрасного излучения – оно выделяется ВНУТРИ кристалла. Светодиоды вообще характеризуются узким спектром излучения, не связанным с нагревом. В инфракрасном спектре светодиоды практически не излучают (мизерное излучение все же происходит, но не от кристалла, а от нагретых металлических частей светодиода). Фотоны испускаются светодиодным кристаллом в результате электронно-дырочной рекомбинации, они частично «уходят» сквозь линзу в самостоятельное путешествие по окружающему миру. А частично «бомбардируют» подложку кристалла, дополнительно вызывая ее нагрев. Поскольку кристалл находится под линзой, речи о конвекции быть не может. Т.е. из трех способов теплоотвода: излучения, конвекции и теплопроводности для светодиодных источников света имеет актуальность только третий.
Ведь они же не греются… Выше мы уже говорили, что предположение о том, что светодиоды не нагреваются – не более, чем заблуждение. Да, действительно, на ощупь маломощные светодиоды совершенно не нагреваются. Что и неудивительно. Поскольку тепло не уходит во все стороны, как в случае с лампой накаливания, а… кстати, а куда же оно девается? Этот вопрос рассмотрим в следующем параграфе, а сейчас проанализируем, зачем вообще нужен отвод тепла от светодиодов. Ну, греются, ну и что в этом плохого?
Плохо то, что характеристики светодиодов очень сильно зависят от температуры. Чем выше температура нагрева светодиодного кристалла, тем:
Приведенных причин с лихвой достаточно, чтобы всерьез взяться за задачу охлаждения светодиодов. Кстати «охлаждение светодиодов» - термин не корректный для подавляющего числа случаев. Правильнее говорить – отвод тепла.
Как мы уже отметили ранее, единственный способ «охладить» светодиодный кристалл – отвести от него избыточное тепло с помощью явления теплопроводности.
В маломощных светодиодах теплоотвод осуществляется через металлические контакты. Их теплопроводящих свойств достаточно, чтобы лишнее тепло отводилось от кристалла и рассеивалось на плате. При этом, чем длиннее ножки светодиода – тем лучше он охлаждается.
В случае мощных светодиодов контактов уже недостаточно для отвода лишнего тепла. Для теплоотвода кристалл монтируется на диэлектрическую подложку, которая, в свою очередь, крепится на радиатор. Либо, в случае керамического радиатора кристалл крепится непосредственно на радиатор. Чем мощнее светодиод, тем массивнее должен быть радиатор и тем «ребристее» его форма, для обеспечения требуемой площади соприкосновения радиатора с воздухом. Так выглядит пассивное охлаждение мощных светодиодов или тепловая конвекция.
Если же естественной конвекции воздуха недостаточно, подключается принудительный обдув радиатора с целью ускорения отвода тепла. Как, например, в фарах современных автомобилей бизнес-класса, где 20-ваттные лампы охлаждаются специальными кулерами. Так выглядит активное охлаждение для мощных светодиодов или турбулентная конвекция.
Начнем с того, что практически все производители светодиодной продукции и их дистрибьюторы, как правило, предлагают комплексные решения. Когда каждому типу светодиода соответствует готовое решение для отвода тепла. Скажем, существуют специальные радиаторы для COB, для SMD, для DIP. В англоязычной документации применим термин LED HEATSINK– радиатор для светодиодов.
Сам процесс расчета системы теплоотвода нельзя назвать очень простым, но есть ряд упрощений и допущений, позволяющих сделать процесс выбора радиатора не таким сложным.
Получить более подробную информацию о продукции направления светотехническая продукция и о том, как купить радиаторы охлаждения для светодиодов в Киеве и Украине, Вы можете по телефону: +38 (044) 330-00-88 или по e-mail: info@sea.com.ua.
Написать отзыв