แบบจำลองการถ่ายเทความร้อนจาก Power LED ไปยังแถบโลหะ

ฉันกำลังเล่นกับแสงสว่างในที่ทำงานและได้พัฒนาแหล่งจ่ายกระแสคงที่ 20M -> 38 V PWM'able เพื่อขับเคลื่อน LED พลังงานของฉัน (กำลังสูงสุดประมาณ 64W) จนถึงตอนนี้ดีมาก อย่างไรก็ตามฉันเกือบจะฆ่า LED หนึ่งตัวด้วยความร้อนได้ด้วยการติดตั้งบนแผงระบายความร้อนที่มีขนาดเล็ก ("โชคดี") ที่หน้าสัมผัสของลวดเชื่อมต่อกับตัวเองไม่ทันเวลาหยุดกระบวนการ)

ตอนนี้ฉันกำลังพิจารณาตัวเลือกการระบายความร้อน ต้องการหลีกเลี่ยงการระบายความร้อนที่ใช้งาน (เช่นฮัมแฟนของ) ฉันกำลังพิจารณาทางออก "ขี้เกียจ" (ขนาดไกลจากรอบสุดท้ายฉันยังไม่มีผู้สมัครฮีทซิงค์ ):

ฉันต้องการติดตั้ง LED 19 x 19 มม. ลงบนแท่งอลูมิเนียมหรือโปรไฟล์ ตอนนี้ฉันกำลังเล่นกับซอฟต์แวร์จำลองความร้อน แต่ดูเหมือนว่าจะอยู่ด้านบนสุด (และจนถึงตอนนี้มันก็ล้มเหลวเป็นส่วนใหญ่รวมถึงฉันมีทฤษฎีมากมายที่ต้องติดตาม) ดังนั้น:

• มีรูปแบบการวิเคราะห์ที่รู้จักกันดีสำหรับการกระจายความร้อนเมื่อติดตั้งแหล่งพลังงานความร้อนคงที่กับชิ้นส่วนของโลหะหรือไม่?
  • ถ้าไม่เป็นเช่นนั้นมีซอฟต์แวร์จำลองสถานการณ์จริงหรือไม่? จนถึงตอนนี้ฉันกำลังเล่นกับ Elmer
• การจำลองวิธีที่จะไปที่นี่ได้เลยหรือการระบายความร้อนแบบพาสซีฟถูกสาปสำหรับไฟ LED 60W หรือไม่?

ข้อมูล (จากแผ่นข้อมูล LED ):

• Junction-Case ความต้านทานความร้อน 0.8 K / W
• 19x19 มม
• กำลังไฟสูงสุด 64.2 W
• พลังงานอย่างต่อเนื่องฉันวางแผนที่จะใช้: 36.6 V · 0.72 A = 26.352 W

หากความเข้าใจของฉันถูกต้องคุณต้องการประเมินความต้านทานความร้อนของฮีทซิงค์หรือแผ่นของวัสดุที่นำความร้อนสู่สภาพแวดล้อมโดยไม่มีการไหลเวียนของอากาศ ( = การพาความร้อนตามธรรมชาติ )

มีเครื่องคิดเลขออนไลน์ที่ดีสำหรับฮีทซิงค์รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าครีบที่ใช้รูปแบบการพาความร้อนตามธรรมชาติสำหรับฮีทซิงค์ (คำอธิบายทางวิชาการเพิ่มเติมโดยละเอียดของรูปแบบอยู่ที่นี่ )

นี่คือตัวอย่างที่เกี่ยวข้องกับปัญหาการออกแบบของคุณ (ขนาดภายนอก 55x55x55 มม. ครีบ 10x1 มม. ความหนาแผ่นฐาน 10 มม. และตัวนำสัมผัสที่ค่อนข้างอนุรักษ์นิยม 2,000 W / m2ºC):

อุณหภูมิแหล่งกำเนิดที่เกิดขึ้นสำหรับ25ºCอุณหภูมิแวดล้อมและ 26.35 W ของความร้อนที่ไหลเข้าไปในฮีทซิงค์คือ aprox 110ºCซึ่งหมายความว่าฮีทซิงค์จะมีความต้านทานความร้อน 3.23 ºC / W ในสภาพการพาความร้อนตามธรรมชาติ

ทดลองกับเครื่องคิดเลขเพื่อหาขนาดภายนอกที่เหมาะสมกับการออกแบบของคุณ

ฉันลงไปที่ถนนนั้นแล้ว แต่ตัวจำลองราคาแพงเกินไปและมีช่วงการเรียนรู้ที่สูงชัน หากคุณไม่ใช่วิศวกรพลศาสตร์ของความร้อนคุณอาจมีปัญหาในการทำความเข้าใจกับศัพท์แสง ฉันอ่านหนังสือเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนและเอกสารการออกแบบชุดระบายความร้อนและเครื่องจำลองฮีทซิงค์ทุกประเภท

ฉันขอแนะนำให้คุณใช้แท่งโลหะอลูมิเนียมที่โลหะออนไลน์ $ 1.23 (0.125 x 1.5 x 12) (6061 T6511 นั้นแพงที่สุด) ติด LED ให้ทำงานวางแถบไว้ในตู้เย็น นำออกไปในห้องที่มีความชื้นซึ่งจะควบแน่น จากนั้นนำไปใส่ในช่องแช่แข็งทำให้มันเย็นจัดนำออกมาเผาและดูรูปแบบที่ผลึกน้ำแข็งทำตามที่ละลายขณะที่แท่งบาร์อุ่นขึ้น ผลลัพธ์จะคล้ายกับเอาต์พุตของโปรแกรมจำลอง ชีวิตจริงมีความแม่นยำอย่างน่าอัศจรรย์เช่นกัน

นอกจากนี้ยังไม่ใช่ความพยายามที่สูญเปล่าถ้าคุณทำแบบจำลองคุณยังคงต้องใช้แถบเพื่อดูว่าการจำลองมีระยะไกลแค่ไหน

แต่ปัญหาคือคุณจะได้ภายในหนึ่งชั่วโมงหรือประมาณนั้นจะจบลงด้วยแท่งอลูมิเนียมที่ร้อนจัดจนเกือบจะร้อนเท่ากับ LED แต่คุณไม่ต้องการการไหลของอากาศที่มีพื้นผิวขนาดใหญ่ แท่งอลูมิเนียมที่ราคา $ 1.23 หรือน้อยกว่าต่อเท้าเป็นแผ่นระบายความร้อนราคาถูก

ฉันไม่ชอบแฟนเลย อันนี้เงียบมากเพราะมันเคลื่อนที่เพียง 13 CFM @ 12VDC, 30.3 dB, 2300 รอบต่อนาทีแต่มันก็มีประสิทธิภาพ

สูงสุด 36V 2.4 แอมป์
รูปแบบการแสดงเพียงด้านเดียวมันเป็นสมมาตรจริง

การวัดอุณหภูมิด้านหลัง

กระแสไฟเลี้ยวลงและกระจาย

ข่าวดี:แน่นอนมีแบบจำลองทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายที่ค่อนข้างแม่นยำ

โดยทั่วไปคุณสามารถจำลองปัญหาความร้อนส่วนใหญ่เป็นวงจรไฟฟ้าอย่างง่าย

1. พลังงานความร้อน = กระแสไฟฟ้า
2. ความแตกต่างของอุณหภูมิความร้อน = แรงดันไฟฟ้า
3. ความต้านทานความร้อน = ตัวต้านทานไฟฟ้า
4. มวลความร้อน = ตัวเก็บประจุไฟฟ้า

กรณีของคุณง่ายขึ้น: เนื่องจากคุณไม่สนใจค่าคงที่เวลาคุณไม่ต้องกังวลกับมวลความร้อน

ดังนั้นโมเดลของคุณควรมีลักษณะเช่นนี้

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

ที่ไหน

• R1: ความต้านทานความร้อนจากจุดแยก LED ไปยังพื้นผิวการติดตั้ง LED
• R2: ความต้านทานความร้อนสำหรับการเชื่อมต่อ LED เป็นอัล
• R3: ความต้านทานความร้อนจาก Al ถึงอากาศแวดล้อม

พวกเขาทั้งหมดอยู่ในชุดเพื่อให้คุณสามารถเพิ่มพวกเขา หากคุณมี R1 = 1.2K / W, R2 = 0.8K / W และ R3 = 0.1 K / W ความต้านทานรวมของคุณจะเป็น 2.1K / W สำหรับความร้อน 40W ที่กระจายความร้อนทางแยก LED ของคุณจะอยู่ที่ 2.1K / W * 40W = 84 เคลวิน (หรือเซลเซียส) เหนืออุณหภูมิโดยรอบ ที่ 25C โดยรอบทางแยกจะอยู่ที่ 109C

ข่าวร้าย:ข้อมูลที่คุณต้องการสร้างแบบจำลองนี้ยากต่อการคาดการณ์

คุณจะต้องมีตัวต้านทานความร้อนสามแบบและอุณหภูมิหัวต่อ LED สูงสุดที่อนุญาต

1. หากคุณโชคดีคุณสามารถค้นหา R1 และอุณหภูมิสูงสุดสำหรับ LED ในแผ่นข้อมูล
2. R2 นั้นยุ่งยากมากเนื่องจากขึ้นอยู่กับวัสดุที่แน่นอนรูปร่างที่แน่นอนปริมาณของความเรียบการรักษาพื้นผิวที่แน่นอนของทั้งพื้นผิวการติดตั้งและแถบอัล แม้แต่สีและรายละเอียดของกระบวนการอะโนไดซ์ของอลูมิเนียมก็มีความสำคัญเช่นกัน
3. R3: ถ้าแถบมีขนาดใหญ่พอสมควรก็ควรจะค่อนข้างเล็ก

สิ่งที่ต้องทำขึ้นอยู่กับความสามารถในการวัดที่คุณมี โดยทั่วไปนี่เป็นโอกาสที่ดีในการทำงาน ตรวจสอบให้แน่ใจว่า LED ติดแน่นกับแถบ AL แล้ววางแผ่นความร้อนหรือแผ่นความร้อนบางส่วนในการเชื่อมต่อ

แตะที่แถบ: มันควรจะอุ่นขึ้นอย่างเห็นได้ชัดใกล้กับ LED ถ้าไม่นั่นหมายความว่าคุณไม่ได้รับความร้อนใด ๆ ที่ถูกถ่ายโอนเข้าไปในบาร์และการเชื่อมต่อทางความร้อนนั้นไม่ดี หากแถบทั้งหมดรู้สึกว่าอุ่นหรือร้อนคุณจะไม่ได้รับความร้อนจากสภาพแวดล้อมมากพอ พิจารณาพื้นที่ผิวเพิ่มเติมสำหรับแถบ

หนึ่ง LED 60W เป็นความร้อนเนื่องจากแหล่งความร้อนมีขนาดเล็กและทรงพลังมาก ดังนั้นคุณจะต้องมีโลหะหนาเพื่อกระจายความร้อนในแนวขวางเป็นฮีทซิงค์ขนาดใหญ่พอ

คล้ายกับพีซีเดสก์ท็อปซีพียู: พื้นที่ผิวขนาดเล็กพลังงานจำนวนมาก ชุดระบายความร้อนของพีซีตั้งโต๊ะจำนวนมากใช้ท่อความร้อนเพื่อแก้ปัญหาการกระจายความร้อน พีซีที่ไม่มีพัดลมฮีทซิงค์น่าจะทำงานได้

อย่างไรก็ตามนี่ไม่ได้ช่วยแก้ปัญหาอื่น ๆ ของคุณซึ่งก็คือไฟ LED 60W ตัวหนึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างมากและไม่เหมาะสำหรับการให้แสงสว่างในที่ทำงาน มันจะสดใสอย่างไม่น่าเชื่อและจะทำให้เกิดเงาที่รุนแรง

คุณสามารถแก้ปัญหาทั้งสองได้โดยใช้แถบ LED แบบนี้:

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

ฉันใช้สิ่งเหล่านี้ในโครงการ:

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

พวกเขามาบน PCB โลหะและแถบสามารถตัดเป็น LED แต่ละตัว จากนั้นฉันติดกาวพวกเขาลงบนโปรไฟล์ L- อลูมิเนียมโดยใช้อีพ็อกซี่นำความร้อน (หนึ่ง LED ทุก 10 ซม.)

การกระจายไฟ LED ที่เกิดจากความร้อนในโปรไฟล์อลูมิเนียมที่มีความยาวช่วยให้ระบายความร้อนได้ง่ายขึ้นและสร้างแสงที่น่าพอใจ

แก้ไข

ตกลงให้ไปกับ LED 60W

ฉันคิดว่ามันกำลังชี้ลง คุณต้องการครีบระบายความร้อนในแนวตั้งเพื่อการพาความร้อนที่เหมาะสม สิ่งนี้ชี้ไปที่ฟอร์มแฟคเตอร์ประเภทนี้:

ลิงค์ ลิงค์

หากคุณใช้แผ่นระบายความร้อนแบบแบนคุณจะต้องติดตั้ง LED บนสี่เหลี่ยมอลูมิเนียมหนาจากนั้นติดตั้งบนแผงระบายความร้อน

เนื่องจากปัญหาของคุณแพร่กระจายความร้อนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดขนาดเล็กคุณสามารถใช้ท่อความร้อนแบบแบน:

ลิงค์ ลิงค์

มี Lisa เครื่องมือวิเคราะห์องค์ประกอบอัน จำกัด ที่แจกฟรีอย่างน้อยสำหรับรุ่นที่มีค่าสูงสุด ประมาณ 1,000 โหนด

การจำลองเป็นเรื่องยากต้องการความเข้าใจอย่างลึกซึ้งและเป็นไปตามสมมติฐานเกี่ยวกับเงื่อนไขขอบเขต การทดสอบจริงถ้าปลอดภัยและเป็นไปได้จะดีกว่า หากคุณมีผู้นำและผู้สมัครฮีทซิงค์อยู่แล้วคุณสามารถลองใช้ได้ เรียกใช้ในระดับที่รู้จัก แต่ระดับพลังงานที่ปลอดภัยปล่อยให้มันไปถึงสมดุล (= ไม่มีการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่สามารถวัดได้) และเก็บอุณหภูมิสุดท้ายไว้ คุณต้องมีอุปกรณ์ที่เหมาะสมสำหรับการวัด ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหลอดไฟ LED กับสภาพแวดล้อมนั้นเป็นพลังงานโดยตรงกับกำลังงานที่กระจายออกไป แน่นอนว่าคุณไม่สามารถเข้าไปข้างในไฟ LED ได้จนกว่าคุณจะใช้ตัวเองเป็นเซ็นเซอร์ของคุณ ผู้ผลิตอาจให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไปข้างหน้ากระแสและอุณหภูมิ

แต่คุณยังสามารถวัดที่ชายแดนระหว่าง LED และฮีทซิงค์ได้ แน่นอนว่ามีความต้านทานความร้อนระหว่างจุดนั้นกับเซมิคอนดักเตอร์หรือขีด จำกัด อุณหภูมิที่อนุญาตจะมีการบอกโดยตรงว่าเป็นอุณหภูมิที่ขอบฮีทซิงค์

หากอุณหภูมิของคุณเพิ่มขึ้นที่ 10W คือ 1 ใน 3 ของการเพิ่มขึ้นที่อนุญาตคุณสามารถกระจายได้สูงสุด = 30W

โปรดทราบว่าในตู้อุณหภูมิโดยรอบก็เพิ่มขึ้นเช่นกันและต้องนำมาพิจารณาด้วย ต้องนำอุปกรณ์ทำความร้อนอื่นที่อยู่ติดกันมาพิจารณา มันอุ่นบรรยากาศและยังแผ่ความร้อน คุณเห็นแล้วและอาจรู้อยู่แล้วว่าการออกแบบระบายความร้อนเป็นพื้นที่ที่เต็มไปด้วยความท้าทายและกับดัก

ภาคผนวก: ปัญหาน่าสนใจ ฉันได้รับมันว่าการติดตั้งบนแผ่นอลูมิเนียมแก้ปัญหาความร้อนด้วยไฟ LED การคำนวณอย่างรวดเร็วแสดงให้เห็นว่าไม่มีแผ่นบาง ๆ จะตอกตะปู การกระจายค่อนข้างเหมือนกับในแอมพลิไฟเออร์ 100W ต่อหนึ่งใน 2 ทรานซิสเตอร์ดังนั้นจำเป็นต้องใช้ฮีทซิงค์แบบ Samelike ประสิทธิภาพการทำงานของพวกเขาประสบอย่างมากหากฝุ่นอุดตันพวกเขา อย่าลืมล้างทำความสะอาดตามปกติเป็นเงื่อนไขในการรับประกันหรือทำฮีทซิงค์ที่มีขนาดใหญ่มาก

เพื่อให้คุณมีความคิดว่าคุณกำลังทำอะไรอยู่กับฮีทซิงค์แบบพาสซีฟ Cree ทำการออกแบบอ้างอิงแทนหลอดไฟ HPS 1000W

ฟิกซ์เจอร์นั้นประกอบด้วย"เครื่องยนต์" สี่ตัว เครื่องยนต์ 130 วัตต์แต่ละอันมีขนาด 11.25 "x 7.25" x 2.5 "ซึ่งโดยทั่วไปจะมีขนาดของฮีทซิงค์

ฮีทซิงค์ที่ใช้คือ Aavid Black Anodized P / N 62625

ราคาโดยประมาณ (สำหรับฮีทซิงค์เท่านั้น) $ 450

นั่นคือ $ 3.46 ต่อวัตต์

สำหรับ 64 Watts ของคุณที่จะเป็น $ 222

ค่าใช้จ่าย $ 450 ขึ้นอยู่กับP / N Aodid ดำ 627252 (2.28 "x 9.75" x 55 ")

และ Aavid 701652 1.78 "x 12" x 48 "คือ $ 431

แต่ละเครื่องยนต์ถูกสร้างขึ้นจาก 48 ไฟ LED ผลักดัน130 วัตต์

คุณต้องใช้แผ่นระบายความร้อนเพียงครึ่งเดียวเท่านั้น ฮีทซิงค์นี้มีค่า 11.25 "x 7.25" x 2.28 "

ตรวจสอบการโพสต์บล็อก 'วิธีการออกแบบแผ่นแบนระบายความร้อน' http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ มันมีคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีการคำนวณความต้านทานความร้อนของแผ่นโลหะที่ใช้เป็นแผ่นระบายความร้อน ฉันเชื่อว่าคุณสามารถรับสเปรดชีตที่คำนวณได้หากคุณให้ที่อยู่อีเมลแก่พวกเขา

โดยพื้นฐานแล้วคุณจำเป็นต้องกำหนดความต้านทานการแผ่รังสีและการพาความร้อนตามธรรมชาติจากพื้นผิวภายนอกจากนั้นกำหนดความต้านทานการนำความร้อน เพิ่มทั้งสามเข้าด้วยกันตามวงจรความร้อนที่แสดงด้านล่าง:

ที่อยู่:

Rconv คือความต้านทานการพาความร้อนภายนอก

Rrad คือความต้านทานรังสีภายนอก

Rsp คือความต้านทานการแพร่กระจาย

Rint / Rcont คือการต้านทานหน้าสัมผัสหรืออินเตอร์เฟส

Rth-jc เป็นเคสสำหรับความต้านทานการแยกของ LED

Ts คืออุณหภูมิพื้นผิวแผ่นระบายความร้อน

Tj คืออุณหภูมิจุดแยก LED

สมการสำหรับ Rconv และ Rrad ค่อนข้างเกี่ยวข้องกันและมีการอธิบายอย่างละเอียดในบล็อกโพสต์

เครื่องจำลองเครื่องเทศที่เรียบง่ายจะทำสิ่งนี้: มันเหมือนกับตัวเก็บประจุที่ถูกปล่อยออกมา