Моделирование теплообмена от светодиода Power к металлическому стержню

10

Я играю с освещением на рабочем месте и разработал источник постоянного тока на 20 В -> 38 В для управления моими светодиодами (максимальная мощность около 64 Вт). Все идет нормально. Тем не менее, я почти термически погубил один светодиод, закрепив его на радиаторе значительно меньшего размера («к счастью», проводные контакты распаяны как раз вовремя, остановив процесс).

Теперь я рассматриваю варианты охлаждения. Желая избежать активного охлаждения (т. Е. Гудения вентилятора), я рассматривал «ленивый» выход (измерение далеко от финала, у меня пока нет кандидата на радиатор ):

простой механический чертеж

Я бы хотел установить светодиод 19 x 19 мм непосредственно на алюминиевую планку или профиль. Теперь я уже играю с программным обеспечением для теплового моделирования, но это кажется чрезмерным (и до сих пор оно в основном дает сбой, плюс у меня есть много теории, чтобы наверстать упущенное). Так:

  • Существует ли хорошо известная аналитическая модель для распределения тепла при подключении источника тепла постоянной мощности к куску металла?
    • если нет, то есть ли программа для симуляции? Пока что я играю с Элмером.
  • Является ли симуляция подходом, или пассивное охлаждение проклято для светодиодов мощностью 60 Вт?

Данные (из таблицы данных светодиодов ):

  • Тепловое сопротивление распределительного шкафа 0,8 К / Вт
  • 19x19 мм
  • максимальная номинальная мощность 64,2 Вт
  • длительную мощность, которую я планирую использовать: 36,6 В · 0,72 А = 26,352 Вт
Маркус Мюллер
источник
подчеркнул тот факт, что у меня еще нет металлического стержня.
Маркус Мюллер
2
Если ваши провода сами начинают паяться, вы можете подумать об использовании того, что снова нагрелось. Части могут быть частично, но необратимо повреждены.
Мачта
jep, считая, что задействованный светодиод теперь зарезервирован для экспериментального использования, но пока для всплесков кривая I / V матрицы светодиодов все еще в порядке
Marcus Müller
Предполагается, что предлагаемый калькулятор предполагает, что тепло подается равномерно на опорную плиту радиатора. Ваш источник тепла - это место размером 19x19 мм. Вы должны использовать медный распределитель тепла как минимум, чтобы приблизиться к расчетной эффективности теплообмена. Кроме того, для эффективной конвекции при разумной дельте свободная конвекция должна составлять 7-8 мм, что приводит к увеличению поглотителя для требуемой области, а распределение тепла становится все более и более важным. Возможно, вы захотите рассмотреть всенаправленные радиаторы, этот радиатор будет иметь ~ 2C / W от 1 кв. Дюйма до свободной конвекции, micforg.co.jp/en/c_n80e.html
Ale..chenski

Ответы:

7

Если мое понимание верно, вы хотите оценить тепловое сопротивление радиатора или плиты из теплопроводного материала к окружающей среде без какого-либо воздушного потока ( = естественная конвекция ).

Есть хороший онлайн калькулятор для оребренных прямоугольных радиаторов, который реализует модель естественной конвекции для радиаторов (более академическое, подробное объяснение модели здесь ).

Вот пример отношения к вашей проблеме проектирования (55x55x55mm наружных размеров, 10x1mm плавники, опорная плита толщины 10 мм и довольно консервативна 2000 Вт / m2ºC контакт проводимость):

Снимок калькулятора

Результирующая температура источника для температуры окружающей среды 25ºC и 26,35 Вт тепла, поступающего в радиатор, составляет приблизительно 110ºC, что означает, что радиатор будет иметь тепловое сопротивление 3,23ºC / Вт в условиях естественной конвекции.

Поэкспериментируйте с калькулятором, чтобы найти внешние размеры, которые лучше всего подходят вашему дизайну.

Энрик Бланко
источник
какой браузер вы используете? Я никогда не смогу заставить температуру источника появляться. Ах. Получил это на работу.
Маркус Мюллер
2
Сафари. Имейте в виду, что калькулятор очень требователен. Например: если сумма всех ваших пространств плавников и толщин плавников не складывается с общей шириной, тогда калькулятор молча откажется вычислить температуру источника без выдачи кода ошибки или предупреждения.
Энрик Бланко
Я должен признать, что это очень сложно. Я думал, что формула была общая ширина = N_fins * fin_width * (N_fins -1) * fin_spacing, но это не работает
Маркус Мюллер
ах ждать, это не так, как если Н + ф не совсем сложить, либо
Маркус Мюллер
3
@ Неправильно понял, я просто пошел и прочитал исходный код сценария и выяснил все. Также кажется, что современные браузеры могут подавлять механизмы, которые используются для отображения предупреждений, поэтому на самом деле это не ошибка инструмента
Маркус Мюллер,
5

Я шел по этому пути, но тренажеры стоят слишком дорого и имеют крутой курс обучения. Если вы не инженер по термодинамике, у вас могут возникнуть проблемы с пониманием жаргона, я понял. Я читаю учебники по термодинамике и всевозможные статьи о радиаторах и симуляторах радиатора.

Я предлагаю вам купить алюминиевую планку по цене $ 1,23 (0,125 x 1,5 x 12) (6061 T6511 - наименее дорогой), установить светодиод, чтобы он заработал, поставить планку в холодильник. Вынесите его во влажную комнату, где он конденсируется. Затем положите его в морозильник, заморозьте, достаньте, разожгите и посмотрите, как образуются кристаллы льда, когда они тают, когда грелка бара. Результат аналогичен выводу симулятора. Реальная жизнь тоже удивительно точна.

Кроме того, это не напрасное усилие, если вы делаете симуляцию, вам все еще нужна полоса, чтобы увидеть, насколько далеко от симуляции были.

Но проблема в том, что в течение часа или около того вы получите очень горячий алюминиевый стержень, почти такой же горячий, как светодиод. Но вам не нужно много воздушного потока с большой поверхностью. Алюминиевый пруток за 1,23 долл. США или меньше за фут - чертовски дешевый радиатор.

Я тоже не люблю фанатов. Этот очень тихий, потому что он движется только 13 CFM при 12 В постоянного тока, 30,3 дБ, 2300 об / мин, но он был эффективен.

36 В 2,4 А макс.
Узор показан только с одной стороны, он был фактически симметричным.
Светодиод COB на радиаторе

Измерение температуры обратной стороны.

введите описание изображения здесь

Ток повернулся вниз и рассеян.
введите описание изображения здесь

Неправильно понятый
источник
2
Это отличная идея для наблюдения за температурной диффузией! Большой! Не в США, так что этот магазин мне не пригодится, но я найду бар Alu (метрических размеров: D) и сделаю это.
Маркус Мюллер
Я пошел на водяное охлаждение. То, что я получил от этого упражнения, которое я описал, было расстояние между COBs. Я мог видеть, как далеко жара спускалась по стойке от УДАРа. И я уже купил дополнительный тестовый COB для того, когда (не если) этот больше не может принять злоупотребление.
неправильно
Накачка 2,4 А. Напряжение прямого тока составляло 39,5 В (102 Вт), температура стержня непосредственно под светодиодом составляла около 42,5 ° С, когда стабилизировалась через 20 минут, и была такой же через 10 минут.
неправильно
2

Хорошая новость: действительно есть простая математическая модель, которая довольно точна.

В основном вы можете смоделировать большинство тепловых проблем в виде простой электрической цепи:

  1. Тепловая мощность = электрический ток
  2. Разница температурных температур = электрическое напряжение
  3. Тепловое сопротивление = электрический резистор
  4. Тепловая масса = электрический конденсатор

Ваш случай еще проще: поскольку вам не нужны постоянные времени, вам не нужно беспокоиться о тепловой массе.

Итак, ваша модель должна выглядеть так

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

где

  • R1: тепловое сопротивление от светодиодного перехода до монтажной поверхности светодиода
  • R2: тепловое сопротивление для подключения светодиода к Al
  • R3: тепловое сопротивление от Al до окружающего воздуха

Они все в серии, так что вы можете просто сложить их. Если у вас R1 = 1,2 К / Вт, R2 = 0,8 К / Вт и R3 = 0,1 К / Вт, ваше общее сопротивление составит 2,1 К / Вт. Для рассеянного тепла 40 Вт ваш светодиодный переход будет на 2,1 К / Вт * 40 Вт = 84 Кельвина (или Цельсия) выше температуры окружающей среды. При температуре окружающей среды 25 ° место соединения будет при 109 °.

Плохая новость: известно, что данные, которые вам нужно смоделировать, предсказать сложно

Вам понадобятся три тепловых сопротивления и максимально допустимая температура перехода светодиодов.

  1. Если вам повезет, вы можете найти R1 и максимальную температуру для светодиода в спецификации.
  2. R2 очень сложен, так как он зависит от точного материала, точной формы, степени плоскостности, точной обработки поверхности как вашей монтажной поверхности, так и алюминиевой планки. Здесь важны даже цвет и детали процесса анодирования алюминия.
  3. R3: Если планка достаточно большая, она должна быть довольно маленькой

Что делать, зависит от способностей измерения, которые у вас есть. В целом это имеет хорошие шансы на работу. Убедитесь, что светодиод надежно прикреплен к шине AL, и поместите термоподушку или немного термопасты на соединение.

Коснитесь панели: она должна быть заметно теплее в непосредственной близости от светодиода. Если нет, это означает, что вы не получаете никакого тепла, передаваемого в стержень, и тепловое соединение не работает. Если весь бар ощущается теплым или даже горячим, у вас недостаточно тепловой связи с окружающей средой. Рассмотрим большую площадь поверхности для бара.

Hilmar
источник
1
Так что да, моделирование R3 - это как раз проблема! R1 (конечно) указан в техническом описании; R2 - интересный аспект, хотя я планировал сохранить его ниже 5K / W с помощью термопасты и давления. Однако, как сказано в моем вопросе, у меня еще нет шкалы для измерения, поэтому, хотя я и хотел, чтобы это был ответ на мой вопрос, это не так.
Маркус Мюллер
Мне нравится, что коснуться панели. Работает намного лучше, чем формулы. Я бы продолжал увеличивать ток, подождать час, пока все стабилизируется, измерить температуру на обратной стороне, затем увеличить ток, повторить. Вы получили мой голос.
неправильно
2

Один светодиод мощностью 60 Вт представляет собой тепловую проблему, потому что источник тепла небольшой и очень мощный. Следовательно, вам понадобится толстый металл, чтобы распределить тепло в достаточно большой радиатор.

Это похоже на процессор настольного ПК: небольшая площадь поверхности, много энергии. Многие радиаторы настольных ПК используют тепловые трубки для решения проблемы распространения тепла. Безвентиляторный радиатор ПК должен работать.

Тем не менее, это не решает другую проблему, которая заключается в том, что один светодиод мощностью 60 Вт является очень ярким точечным источником и не идеален для освещения рабочего места. Он будет ослепительно ярким и будет отбрасывать резкие тени.

Вы можете решить обе проблемы, используя светодиодные ленты следующим образом:

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

Я использовал их в проекте:

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

Они поставляются на металлической плате, а полосу можно разрезать на отдельные светодиоды. Затем я приклеил их к алюминиевым L-профилям с помощью теплопроводящей эпоксидной смолы (один светодиод на каждые 10 см).

Распределение выделяющих тепло светодиодов по длине алюминиевого профиля позволяет значительно облегчить охлаждение и создать более приятный свет.

РЕДАКТИРОВАТЬ

Хорошо, поехали со светодиодом 60W.

Я полагаю, это указывает вниз. Вы хотите, чтобы ребра радиатора были вертикальными для оптимальной конвекции. Это указывает на этот вид форм-фактора:

Ссылка Ссылка

Если вы используете плоский радиатор, вам необходимо установить светодиод на толстый алюминиевый квадрат, а затем установить его на радиатор.

Поскольку ваша проблема заключается в распространении тепла, генерируемого небольшим источником, вы также можете использовать плоские тепловые трубки:

Ссылка Ссылка

peufeu
источник
Хотя я ценю оценку, у меня есть рассеиватели на месте, а также здоровое расстояние между источником света и рабочим столом :)
Маркус Мюллер
Ваше редактирование все еще не отвечает на мой вопрос, извините.
Маркус Мюллер
2

Есть Lisa, инструмент для анализа методом конечных элементов, который является бесплатным, по крайней мере, для моделей с макс. около 1000 узлов.

Моделирование сложно, требует глубокого понимания и основано на предположениях о граничных условиях. Реальные испытания, если они безопасны и возможны, лучше. Если у вас уже есть светодиод и кандидат на радиатор, вы можете попробовать его. Запустите его на известном, но безопасном уровне мощности, дайте ему достичь равновесия (= нет более ощутимого повышения температуры) и сохраните эту конечную температуру. Вы должны иметь надлежащее оборудование для измерений. Разница температур между светодиодом и окружающей средой прямо пропорциональна рассеиваемой мощности. Конечно, вы не можете войти внутрь светодиода, пока не используете себя в качестве датчика. Производитель может предоставить некоторые полезные данные о соотношении между прямым напряжением, током и температурой.

Но вы также можете измерить на границе между светодиодом и радиатором. Безусловно, имеется тепловое сопротивление между этой точкой и полупроводником, или допустимые температурные пределы прямо указываются в виде температур на границе радиатора.

Если ваше повышение температуры на 10 Вт составляет, скажем, 1/3 от допустимого повышения, вы можете максимально иметь рассеивание = 30 Вт.

Обратите внимание, что в шкафу также повышается температура окружающей среды, и это необходимо учитывать. Соседнее другое нагревательное устройство также должно быть принято во внимание. Он нагревает атмосферу, а также излучает тепло. Вы видите сейчас и, вероятно, уже знали, что тепловое проектирование - это область, полная проблем и ловушек.

ДОБАВЛЕНИЕ: проблема интересная. Я принял это как должное, что установка на алюминиевую пластину решает проблему нагрева с светодиодами. Некоторые быстрые расчеты показали, что никакая тонкая пластинка не прижмет ее. Рассеяние почти такое же, как в усилителе звука мощностью 100 Вт на один из 2 выходных транзисторов, поэтому необходимы такие же теплоотводы. Их производительность сильно страдает, если пыль забивает их. Не забывайте требовать регулярной очистки в качестве условия гарантии или изготавливать радиаторы большого размера.

user287001
источник
Нет, еще нет кандидата на радиатор! Дело в том, что я хотел бы знать, прежде чем я заказываю счетчики алюминия. Тепловое сопротивление, конечно, известно, но предположения о линейности (х кратная мощность в -> х раз выше дельта Т), по-видимому, нарушаются для распределения тепла в объеме - или нет? Я всегда думал, что модель теплового сопротивления просто применяется в близких границах.
Маркус Мюллер
Это в основном правильно, но пассивная конвекция из-за нагрева радиатора нелинейна. К счастью, это работает в ваших интересах. Делайте все так, как будто температура светодиодов поднимается выше температуры окружающей среды линейно с температурой, а дополнительная конвекция при высоких температурах дает вам небольшой запас.
Олин Латроп
@ MarcusMüller комментатор Олин означает, что тепло заставляет воздух течь. Это при низких уровнях мощности может быть довольно ламинарным, и воздушный поток уменьшает общее тепловое сопротивление. Наконец, на высоких уровнях он будет настолько бурным, что его эффективность станет практически непредсказуемой. Но он прав.
user287001
1
@ MarcusMüller Нет противоречия между неравномерным распределением температуры и законом x умножения на мощность => x умножения на дельту T. Формула применяется по-прежнему для каждой точки отдельно.
user287001
1
@ MarcusMüller У вас была идея не покупать кучу алюминия, пока вы не знаете, что она работает нормально. Затем возьмите меньшую часть - одну ведомую часть и выполните тестовый прогон.
user287001
1

Чтобы дать вам представление о том, с чем вы столкнулись, с помощью пассивного радиатора. Cree сделала эталонный дизайн в качестве замены лампы мощностью 1000 Вт HPS.

Светильник состоит из четырех «двигателей» . Каждый 130-ваттный двигатель имеет размер 11,25 "x 7,25" x 2,5 ". Это в основном размер радиатора.

 Светодиодный светильник с массивными радиаторами

Используемый радиатор - анодированный черный Aavid, артикул 62625

Ориентировочная цена (только для радиатора) $ 450

Это $ 3,46 за ватт.

Для ваших 64 Вт это будет $ 222.

Стоимость в 450 долларов США основана на анодированном черном номере Aavid 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ")

А Aavid 701652 1,78 "х 12" х 48 "был $ 431.



Каждый двигатель состоит из 48 светодиодов мощностью 130 Вт .

Вам потребуется радиатор только в два раза меньше. Этот теплоотвод составляет 11,25 "х 7,25" х 2,28 "

Светодиодный двигатель

Неправильно понятый
источник
1

Прочтите сообщение в блоге «Как спроектировать плоский радиатор» http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Это дает подробное объяснение того, как рассчитать тепловое сопротивление металлической пластины, используемой в качестве радиатора. Я считаю, что вы также можете получить электронную таблицу, которая выполняет расчеты, если вы дадите им свой адрес электронной почты.

По сути, вам необходимо определить сопротивление излучения и естественной конвекции от внешних поверхностей, а затем определить тепловое сопротивление проводимости. Добавьте три вместе на основе тепловой схемы, показанной ниже:

введите описание изображения здесь

где:

Rconv - сопротивление внешней конвекции

Ррад - внешняя радиационная стойкость

Rsp - сопротивление распространению

Rint / Rcont - это сопротивление контакта или интерфейса

Rth-jc - это случай сопротивления светодиода перехода

Ts - температура поверхности радиатора

Tj - температура светодиодного перехода

Уравнения для Rconv и Rrad довольно сложны и подробно объясняются в блоге.

Марио
источник
-1

Простой симулятор специй сделает это: он как разряженный конденсатор.

dannyf
источник
извини, я этого не вижу То, что я спрашиваю, в основном для способа получить параметры модели (например, тепловое сопротивление) из геометрии и свойств материала моего радиатора. Вы говорите: «Конечно, линейный анализатор электрических сетей сделает это». Боюсь, что это не так. Я ищу значения для подключения к "эквивалентной схеме", а не для схемы.
Маркус Мюллер
@ MarcusMüller Я сначала обвинил этот ответ в своем классе, но у него есть идея. Распределение температуры в длинном стержне будет уменьшать экспоненциальную функцию. Переменная не время, а расстояние от светодиода. Постоянная времени должна быть заменена постоянной длины термодиффузии. К сожалению, этот вполне правдивый факт не будет большим подспорьем на этом этапе.
user287001