Водяное охлаждение мощных светодиодов

Содержание

Охлаждение мощных светодиодов

Для отведения тепла применяются принудительные или естественные системы. Использование второго варианта при изготовлении осветительных приборов мощностью более 50W нецелесообразно. Габариты радиаторов достигают 20-30 см, вес – 0,5 кг. В таком случае устройства совмещают с компактными вентиляторами. Прибор требует подведения питающего кабеля. Кроме того, светильник снабжается системой аварийного отключения, которая срабатывает в случае поломки вентилятора.

Существует и другой метод охлаждения мощных светодиодных элементов – установка готового устройства SynJet.

Главными преимуществами модуля являются:

увеличенная производительность;
минимальное тепловое сопротивление;
небольшой вес.

Габариты устройства зависят от модели. Недостатками считаются высокая цена и необходимость подключения дополнительного источника питания. Обеспечить самый лучший тепловой контакт модуля с подложкой диода невозможно, поэтому поверхности покрывают термопастой. Качественный состав характеризуется низкой вязкостью, неспособностью к затвердеванию.

Материалы изготовления радиаторов

В настоящее время охлаждение мощных светодиодов производят преимущественно на радиаторах из алюминия. Такой выбор обусловлен лёгкостью, низкой стоимостью, податливостью в обработке и хорошими теплопроводящими свойствами этого металла. Монтаж медного радиатора для светодиода оправдан в светильнике, где первостепенное значение имеют размеры, так как медь в два раза лучше рассеивает тепло, чем алюминий. Свойства материалов, которые наиболее часто используются для охлаждения мощных светодиодов, рассмотрим более детально.

Алюминиевые

Коэффициент теплопроводности алюминия находится в пределах 202–236 Вт/м*К и зависит от чистоты сплава. По этому показателю он в 2,5 раза превосходит железо и латунь. Кроме этого, алюминий поддаётся разным видам механической обработки. Для увеличения теплоотводящих свойств алюминиевый радиатор анодируют (покрывают в чёрный цвет).

Медные

Теплопроводность меди составляет 401 Вт/м*К, уступая среди других металлов лишь серебру. Тем не менее медные радиаторы встречаются намного реже алюминиевых, что обусловлено наличием ряда недостатков:

высокая стоимость меди;
сложная механическая обработка;
большая масса.

Применение медной охлаждающей конструкции ведёт к увеличению себестоимости светильника, что недопустимо в условиях жёсткой конкуренции.

Керамические

Новым решением в создании высокоэффективных теплоотводов стала алюмонитридная керамика, теплопроводность которой составляет 170–230 Вт/м*К. Этот материал отличается низкой шероховатостью и высокими диэлектрическими свойствами.

С применением термопластика

Несмотря на то что свойства теплопроводных пластмасс (3–40 Вт/м*К) хуже, чем у алюминия, их главными преимуществами являются низкая себестоимость и лёгкость. Многие производители светодиодных ламп используют термопластик для изготовления корпуса. Однако термопластик проигрывает конкуренцию металлическим радиаторам в проектировании светодиодных светильников мощностью более 10 Вт.

Это интересно: Подключение диммера с выключателем к люстре и светильникам: описываем в общих чертах

Стоимость системы водяного охлаждения

Стоимость, как фактор, является, наверное наиболее часто упоминаемым «минусом», который приписывают всем системам водяного охлаждения ПК. При этом все забывают, что стоимость системы водяного охлаждения сильно зависит от того, на каких компонентах ее собрать: можно собирать СВО, чтобы общая стоимость была подешевле не в ущерб производительности, а можно — выбирать комплектующие по максимальной цене

Стоимость системы водяного охлаждения также зависит от того, на какой компьютер ее будут ставить, ведь чем мощнее компьютер, тем, в принципе, и дороже будет СВО для него, так как для мощного компьютера и СВО нужна более мощная. По нашему мнению, стоимость СВО является вполне оправданной на фоне других комплектующих, ведь система водяного охлаждения по факту и является отдельным компонентом, причем, по нашему мнению, обязательным для по-настоящему мощных ПК. Еще одним фактором, который необходимо учитывать при оценки стоимости СВО, является ее долговечность так как, правильно подобранные, компоненты СВО могут служить не один год подряд, переживая многочисленные апгрейды всего остального железа — не многие компоненты ПК могут похвастаться такой живучестью (разве что корпус или, взятый с избытком, БП), соответственно трата относительно большой суммы на СВО плавно распределяется по времени и не выглядит расточительной.

Если же вам очень хочется установить себе СВО, а с финансами напряг и в ближайшее время улучшений не намечается, то никто не отменял самодельные компоненты

Водяное охлаждение в моддинге

Помимо высокой эффективности, системы водяного охлаждения для ПК отлично выглядят, что объясняет популярность использования систем водяного охлаждения в множестве моддинг проектов. Благодаря возможности применять цветные или флуоресцентные шланги и/или жидкости, возможности подсветить светодиодами водоблоки, подобрать комплектующие, которые будут подходить вам по цветовой гамме и стилю, систему водяного охлаждения можно отлично вписать в практически любой моддинг проект, и/или сделать ее основной фишкой вашего моддинг проекта. Использование СВО в моддинг проекте, при правильной установке, позволяет улучшить обзор некоторых комплектующих, обычно, скрытых большими воздушными кулерами, например, материнской платы, навороченных модулей памяти и так далее.

Водяное охлаждение в моддинг проекте Garmr

СВО Thermaltake в пре-мод корпусе

Теплоотводы для светодиодов .

Привет пикабушники, народ просит поделиться моими радиаторами для светодиодов .

Итак первый на отрезке консервной банки ,,сделан в 2012 году -переделка светильника дневного света в светодиодный .Диоды 3 ватта на звезде ,,драйвер LM317 Два драйвера и 6 диодов .

Водяное охлаждение ..сделано в 2013 где то работало 2 года . снял после ремонта и замены на магазинные . 9 ватт .вода нагревается до 30 градусов

10 ватт матрица нагревается до 45 градусов

Радиатор кондиционера ,из него можно клепать мощные радиаторы для 100 ватных матриц

а можно и для 3 ватт приклеить

10 ватт матрица на радиаторе от компа

Я на такой вешал 2 матрицы 50 ватт на одну секцию, прожили несколько месяцев.

Конструкция у радиатора не сильно подходящая для точечного теплоотвода, к тому же он не из алюминия а из силумина, что так же не прибавляет теплопроводности. Самый оптимальный вариант, подключить к нему самую дешевую помпу, можно рыбью приспособить на Ватт 5 а на светодиоды водоблоки от компового железа, либо просто приклеить крышечки с штуцерами или прямо в них вклеить трубочки. У меня 200 ватт светодиоды, еле теплый, светики холодные как покойники

Считаем площадь

Допустим мы имеем светильник мощностью 3Вт. Площадь радиатора для светодиода 3Вт, согласно описанному выше правилу будет равна 70-100см2. С первого взгляда может показаться большой.

Но рассмотрим расчет площади радиатора для светодиода. Для плоского пластинчатого радиатора площадь считается:

a * b * 2 = S

Где a, b – длины сторон пластины, S – полная площадь радиатора.

Откуда взялся коэффициент 2? Дело в том, что у такого радиатора две стороны и они равносильно отдают тепло окружающей среде, поэтому полная полезная площадь радиатора равна площади каждой из его сторон. Т.е. в нашем случае нужна пластина с размерами сторон 5*10см.

Для ребристого радиатора полная площадь равна – площади основания и площадям каждого из рёбер.

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.

Рекомендуем Вам также более подробно прочитать про импульсный блок питания своими руками.

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

Таблица – Сравнение теплопроводности различных материалов
Материал	Теплопроводность, Вт/м.К
Алюминий	120-240
Медь	401
Керамика	15-40; 100-200
Теплорассеивающие пластмассы	1 – 40
Термопаста	0,1 – 10

Охлаждение мощных светодиодов

Существует и другой метод охлаждения мощных светодиодных элементов – установка готового устройства SynJet.

Главными преимуществами модуля являются:

увеличенная производительность;
минимальное тепловое сопротивление;
небольшой вес.

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.

Как охлаждать светодиод

Эффективным способом охлаждения кристалла будет отвод избыточного тепла, используя явление теплопроводности.

В радиоэлектронике для теплоотвода применяют радиаторы, с помощью которых тепло отводят в атмосферу двумя способами. При первом способе охлаждения – пассивном, одна часть тепловых инфракрасных волн излучается в атмосферу, а вторая уходит благодаря конвекции теплого воздуха от радиатора (Рис. 2). В светодиодах с невысокой мощностью при этом пассивном способе тепловой конвекции тепло проводится через металлические контакты, показатель теплопроводности которых позволяет в достаточном объеме отводить его излишки от кристалла. Более длинные контакты позволяют лучше отводить и рассеивать тепло по плате. Недостатком пассивного метода является большой размер, вес и высокая стоимость устанавливаемого теплоотвода.

Рис. 2. Пассивный способ тепловой конвекции

Турбулентная конвекция относится ко второму активному способу охлаждения. Для вывода тепла из мощных светодиодных приборов на радиаторе закрепляется смонтированный на подложке кристалл.

Размеры, форма и количество ребер радиатора напрямую зависят от мощности диода. В систему встроены механические устройства и вентиляторы, создающие активные потоки воздуха (Рис.3). К примеру, лампы мощностью 20 ватт в фарах автомашин бизнес-класса принудительно обдуваются встроенными куллерами. Этот способ более производительный, но применим только в условиях хорошей погоды и отсутствии большой запыленности помещения.

Рис.3. Вентиляторы для активного способа охлаждения

Решаем проблему охлаждения

Маломощные светодиоды, например: 3528, 5050 и им подобные отдают тепло за счёт своих контактов, да и мощность у таких экземпляров гораздо меньше. Когда мощность прибора возрастает, появляется вопрос отвода лишнего тепла. Для этого применяют системы пассивного или активного охлаждения.

Пассивное охлаждение – это обычный радиатор, выполненный из меди или алюминия. О преимуществах материалов для охлаждения ходят споры. Достоинством такого типа охлаждение является – отсутствие шума и практически полное отсутствие необходимости его обслуживания.

Установка LED с пассивным охлаждением в точечный светильник

Активная система охлаждения – это способ охлаждения с применением внешней силы для улучшения отвода тепла. В качестве простейшей системы можно рассмотреть связку радиатор + кулер. Преимуществом является то, что такая система может быть значительно компактнее чем пассивная, до 10 раз. Недостатком — шум от кулера и необходимость его смазки.

Что лучше: медь или алюминий?

Перед осуществлением пайки неисправных областей в автомобильном радиаторе необходимо предварительно ознакомиться с материалами, из которых они сделаны. Современные модели радиаторов производят из алюминия, медного сплава или плотного пластика. Как понять, что за материал использовали в процессе создания радиатора?

Определить состав можно по нескольким признакам:

Медные детали легко поддаются пайке. Устранить поломки на алюминиевых моделях радиаторов сложно в домашних условиях. Физико-химические особенности этого материала требуют правильного подхода и специального оборудования в процессе работы.

Считаем площадь

a * b * 2 = S

Где a, b – длины сторон пластины, S – полная площадь радиатора.

Для ребристого радиатора полная площадь равна – площади основания и площадям каждого из рёбер.

Водяное охлаждение в моддинге

Водяное охлаждение в моддинг проекте Garmr

СВО Thermaltake в пре-мод корпусе

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.

Почему универсальное водяное охлаждение лучше самосбора?

Как видно из представленного выше списка оборудования, для водяного охлаждения ПК задействовано множество компонентов. Да и сама процедура сборки не то чтобы простая. Именно поэтому на начальном этапе логичнее выбрать СВО формата «все в одном», которые объединяют в себе вышеуказанные элементы в простом для установке комплексе. К тому же такие универсальные системы обойдутся дешевле.

Универсальные СВО оптимально подходят и для новичков, и для опытных пользователей, поскольку не предлагают собирать систему охлаждения самостоятельно из множества деталей: Насос зафиксирован прямо на водоблоке, трубки и фитинги предварительно собраны, и все сделано так, чтобы вам не приходилось возиться с водой. При этом такие системы обеспечивают не менее эффективный теплоотвод, чем самосбор.

Обратите внимание, что жидкостное охлаждение формата «все в одном» может применяться не только в связке с центральными процессорами материнских плат, но и с графическими картами. Кстати, есть еще одна причина, которая оправдывает использование универсальных СВО: программное обеспечение

Как правило, каждый производитель таких систем предлагает софт, позволяющий создавать устанавливать индивидуальные профили скорости вращения вентиляторов и работы насоса, контролировать нагрев CPU/GPU и настраивать RGB-подсветки.

Расчет площади радиатора

Методики точного расчета параметров радиатора предполагают учет множество факторов:

параметры окружающего воздуха;
площадь рассеивания;
конфигурацию радиатора;
свойства материала, из которого изготовлен теплообменник.

Но все эти тонкости нужны для проектировщика, разрабатывающего теплоотвод. Радиолюбители чаще всего используют старые радиаторы, взятые из отслужившей свой срок радиоаппаратуры. Все, что им надо знать – какова максимальная рассеиваемая мощность теплообменника.

Подсчитать этот параметр можно по формуле:

Ф = а х Sх (Т1 – Т2), где

Ф – тепловой поток (Вт);
S – площадь поверхности радиатора (сумма площадей всех ребер или иголок и подложки в кв. м). Подсчитывая площадь, следует иметь в виду, что ребро или пластина имеет две поверхности отвода тепла. То есть площадь теплоотвода прямоугольника площадью 1 см2 составит 2 см2. Поверхность иглы рассчитывается как длина окружности (p х D), умноженная на ее высоту;
Т1 – температура теплоотводящей среды (граничной), К;
Т2 – температура нагретой поверхности, К;
а – коэффициент теплоотдачи. Для неполированных поверхностей принимается равным 6-8 Вт/(м2К).

Есть еще одна упрощенная формула, полученная экспериментальным путем, по которой можно рассчитать необходимую площадь радиатора:

S = x W, где

S – площадь теплообменника;
W – подведенная мощность (Вт);
M – незадействованная мощность светодиода.

Для ребристых радиаторов, изготовленных из алюминия, можно воспользоваться примерными данными, представленными тайваньскими специалистами:

1 Вт – от 10 до 15 см2;
3 Вт – от 30 до 50 см2;
10 Вт – около 1000 см2;
60 Вт – от 7000 до 73000 см2.

Однако следует учесть, что вышеприведенные данные неточные, так как они указываются в диапазонах с достаточно большим разбегом. К тому же определены данные величины для климата Тайваня. Их можно использовать только для проведения предварительных расчетов.

Получить наиболее достоверный ответ об оптимальном способе расчета площади радиатора можно на следующем видео: