بثق الألومنيوم لمبددات حرارة LED؟
تعمل مصابيح LED ساخنة. يمكن أن تؤدي السخونة الزائدة إلى تقصير العمر الافتراضي وتغيير اللون. تفشل العديد من التصميمات في إبعاد الحرارة بسرعة كافية. يمكن للمشتت الحراري المناسب إصلاح ذلك.
يُعد بثق الألومنيوم مثاليًا لمشتتات الحرارة لمصابيح LED لأنه يوفر توصيلًا حراريًا عاليًا، ويسمح بأشكال مخصصة مع زعانف لتبريد أفضل، ويظل خفيف الوزن وفعال من حيث التكلفة في ظل الإنتاج الضخم.
تستكشف هذه المقالة لماذا يعمل بثق الألومنيوم بشكل جيد. ثم يوضح كيفية تصميم أشكال الزعانف وتجنب الحدود الحرارية واستخدام تدفق الهواء بحكمة. سوف تتعلم ما الذي يجعل تصميم البثق جيدًا لتبريد LED.
ما الذي يجعل بثق الألومنيوم مثاليًا لتبريد مصابيح LED؟
أواني LED الساخنة تدق ناقوس الخطر. يقلق صانعو مصابيح LED من تراكم الحرارة، ومسارات الحرارة الرديئة، ومبددات الحرارة الثقيلة. يؤدي سوء التصميم إلى قصر عمر المصابيح أو احتراقها.
يعتبر قذف الألومنيوم مثاليًا لأنه ينقل الحرارة بسرعة، ويتيح للمصممين صنع العديد من أشكال التبريد، ويبقى خفيفًا بحيث تظل التركيبات سهلة التركيب.
هناك العديد من الأشياء التي تجعل من بثق الألومنيوم جيدًا لتجهيزات LED. أولاً، يتميز الألومنيوم بموصلية حرارية عالية مقارنة بالعديد من المواد. يمكنه سحب الحرارة بعيدًا عن رقائق LED بسرعة. ثم ينشر الحرارة على طول جسم البثق. وهذا يجنب البقع الساخنة ويحافظ على درجة حرارة LED تحت السيطرة. ثانيًا، البثق عملية مرنة. حيث يمكن للمصممين دفع أو سحب الألومنيوم من خلال قالب على شكل قالب. وهذا يخلق أجسامًا طويلة ذات مقاطع عرضية معقدة. تصبح الزعانف والأجزاء المجوفة وثقوب التثبيت كلها ممكنة في مسار واحد. تسمح هذه المرونة بتصميم الشكل الدقيق اللازم لتجهيزات الإضاءة.
عندما تعمل وحدات LED بمئات اللومنات، فحتى التسريبات الحرارية الصغيرة مهمة. يمكن للصفائح الرقيقة أو المعدن المختوم أن تعطي مساحة سطح كبيرة فقط. تضيف الزعانف المبثوقة مساحة سطح أكبر بكثير مقارنة بالحجم وتساعد على طرد الحرارة في الهواء. كما أن تشطيب السطح يمكن أن يحسن الإشعاع الحراري أو مقاومة التآكل. على سبيل المثال، يضيف الألومنيوم المؤكسد متانة دون الإضرار بالتوصيل الحراري كثيرًا. وهذا مهم إذا كانت مصابيح LED تعمل في الهواء الطلق. باختصار، يجمع بثق الألومنيوم بين التدفق الحراري القوي والمسارات الحرارية الواسعة وحرية التصميم والتحكم في التكلفة.
يسمح بثق الألومنيوم بأشكال معقدة لزيادة مساحة السطح لتبريد مصابيح LEDصحيح
يجعل البثق من السهل تضمين الزعانف وغيرها من الهياكل التي تحسن من تبديد الحرارة.
الفولاذ أفضل من الألومنيوم لتبريد مصابيح LED بسبب القوةخطأ
الفولاذ أقوى ولكنه أقل توصيلًا للحرارة وأثقل وزنًا، مما يجعله أقل ملاءمة للمشتتات الحرارية.
ما هي تكوينات الزعانف التي تعمل على تحسين تبديد الحرارة؟
التصميم السيء للزعانف يقتل المشتتات الحرارية الجيدة. بعض الزعانف تحجب الهواء أو تكون قريبة جداً. والبعض الآخر رقيق للغاية. يحتاج المصممون إلى التصميم الصحيح، وشكل الزعانف وتباعد الزعانف. الخيارات الخاطئة تبطئ التبريد وتهدر المواد.
تتضمن أفضل تكوينات الزعانف العديد من الزعانف الرفيعة، متباعدة للسماح بتدفق الهواء، مع شكل مساحة سطح عالية. يساعد ذلك على نقل الحرارة من المعدن إلى الهواء بسرعة وثبات.
عدد الزعانف وتباعد الزعانف وسُمكها
يوازن التصميم الجيد لزعانف المشتت الحراري بين عدد الزعانف والتباعد والسماكة. إذا كانت الزعانف قليلة جدًا أو سميكة، تفقد مساحة السطح. إذا كانت الزعانف كثيرة جدًا أو رقيقة جدًا، فلن يتمكن الهواء من التدفق ويتوقف الحمل الحراري. يعمل النطاق المتوسط بشكل أفضل: العديد من الزعانف ولكن مفصولة بما يكفي لمرور الهواء.
| عنصر تخطيط الزعنفة | التأثير على التبريد | النطاق النموذجي لأحواض LED |
|---|---|---|
| سُمك الزعنفة | زعانف أكثر سماكة تخزن المزيد من الحرارة ولكنها تقلل من مساحة السطح | 1.5 - 3.0 مم |
| تباعد الزعانف | تسمح المسافات الأوسع بتدفق الهواء ولكن تقلل من عدد الزعانف | 3.0 - 6.0 مم بين أطراف الزعانف |
| ارتفاع الزعنفة فوق القاعدة | تزيد الزعانف الأطول من المساحة ولكنها تزيد من الوزن والحجم | 15 - 40 مم |
في التصميم الذي رأيته، أعطى استخدام زعانف بسماكة 2.2 مم متباعدة 4 مم تبريدًا أفضل من زعانف بسماكة 3 مم متباعدة 2 مم. كان تدفق الهواء أفضل وبقيت مساحة السطح مرتفعة.
شكل الزعنفة ومعالجة السطح
لا يجب أن تكون الزعانف مسطحة. فبعض التصميمات تستخدم زعانف مدببة. ويستخدم البعض الآخر أشكالاً منحنية أو موجية. تساعد هذه الأشكال على تعطيل طبقات الهواء الحدودية. ويساعد تعطيل الطبقات الحدودية على ملامسة الهواء النقي لأسطح الزعانف. وهذا يحسن نقل الحرارة إلى الهواء. كما أن تشطيب السطح مهم أيضًا. فالسطح النظيف المؤكسد يساعد على الابتعاثية ويقاوم التآكل. وبالنسبة لمصابيح LED الخارجية، فإن ذلك يساعد على إطالة العمر الافتراضي.
مثال: مقارنة بين تخطيطين للزعانف
إليك مثال بسيط. لنفترض أن لدينا اثنين من خافضات الحرارة المبثوقة بنفس عرض القاعدة والسُمك. أحدهما يحتوي على 10 زعانف متباعدة بإحكام، والآخر يحتوي على 6 زعانف متباعدة بإحكام. مع تدفق هواء جيد، قد يبرد التصميم ذو 6 زعانف متباعدة بشكل أفضل لأن تدفق الهواء لا يتم حظره. مع ضعف تدفق الهواء (كما هو الحال في التركيبات المغلقة)، قد يفشل تصميم 10 زعانف لأن الهواء لا يمكن أن يدخل الزعانف.
هذا يوضح أنه لا يوجد تصميم واحد يناسب الجميع. يجب أن يطابق المصمم تصميم الزعنفة مع مسار الهواء ونوع التركيب.
تتفوق العديد من الزعانف الرقيقة المتباعدة بشكل معتدل على عدد أقل من الزعانف السميكة في المشتتات الحرارية لمصابيح LED عندما يكون تدفق الهواء جيدًاصحيح
لأن الزعانف الرقيقة تزيد من مساحة السطح والتباعد المعتدل يسمح بتدفق الهواء للحمل الحراري.
كلما زاد عدد الزعانف كلما زاد تبديد الحرارة بغض النظر عن التباعد بين الزعانفخطأ
إذا كانت الزعانف قريبة جدًا لا يمكن للهواء أن يتدفق بشكل صحيح ويقل الحمل الحراري، لذا يمكن أن تؤدي الزعانف الكثيرة إلى تفاقم تبديد الحرارة.
هل هناك حدود حرارية لتطبيقات LED؟
المشتتات الحرارية LED قوية. ولكن لكل تصميم حدود. إذا تجاهل التصميم درجة الحرارة القصوى أو المقاومة الحرارية، يتأثر عمر LED. يؤدي الاكتظاظ بالمشتتات الحرارية أو تشغيل طاقة عالية جدًا إلى قتل العمر الطويل أو ثبات اللون.
نعم. المشتتات الحرارية لمصابيح LED لها حدود: يجب أن تحافظ على درجة حرارة علبة LED أقل من الحد الأقصى المقدر وأن تبدد القوة الكهربائية بأمان. يتسبب تجاوز الحدود الحرارية في حدوث عطل ويقلل من العمر الافتراضي.
المقاومة الحرارية ودرجة حرارة الوصلة
غالبًا ما يتم إعطاء الأداء الحراري للمشتت الحراري كمقاومة حرارية (درجة مئوية/ثانية). وهذا يقيس عدد الدرجات المئوية التي سيرتفع بها المشتت الحراري لكل واط من الحرارة. لنفترض أن وحدة LED تعطي حرارة 10 واط. المقاومة الحرارية 5 درجات مئوية/ث يعني ارتفاع 50 درجة مئوية. إذا كانت درجة الحرارة المحيطة 25 درجة مئوية، فإن علبة LED تعمل عند 75 درجة مئوية، ربما تكون مرتفعة جدًا. المقاومة الحرارية المنخفضة أفضل.
| المقاومة الحرارية للمشتت الحراري | طاقة الصمام الثنائي الباعث للضوء | الارتفاع المتوقع في درجة الحرارة |
|---|---|---|
| 5.0 درجة مئوية/ثانية | 5 W | 25 °C |
| 5.0 درجة مئوية/ثانية | 15 W | 75 °C |
| 2.0 درجة مئوية/ثانية | 15 W | 30 °C |
بالنسبة للعديد من رقائق LED، تبلغ درجة الحرارة القصوى للعلبة 85-105 درجة مئوية. لذا يجب أن يحافظ المشتت الحراري على العلبة تحت هذا المستوى في أكثر الظروف المتوقعة حرارة. غالبًا ما يستهدف المصممون الارتفاع الحراري تحت 40-50 درجة مئوية ليكون آمنًا.
مقاومة التلامس والتركيب
التلامس الحراري الجيد بين وحدة LED وقاعدة البثق مهم جدًا. قد تضيف الفجوة الهوائية أو الوسادة الحرارية الرقيقة مقاومة. حتى بضعة أعشار من الدرجة لكل واط تسبب العديد من درجات الحرارة الإضافية تحت الحمل. عندما يكون البثق بقاعدة مسطحة مشكّلة باستخدام الحاسب الآلي ووحدة مضغوطة بمعجون حراري أو وسادة حرارية، يصبح التلامس قويًا. عند استخدام قاعدة مختومة أو خشنة، يتأثر التلامس.
كما أن تركيبات LED تكون أحيانًا مغلقة. هذا يقتل الحمل الحراري. ثم يجب أن يكون المشتت الحراري أكبر بكثير أو استخدام التبريد النشط. في التركيبات المغلقة، يجب على المصممين حساب الحرارة الكلية والتأكد من وجود مساحة سطح كافية ومسار تدفق هواء أو إضافة فتحات تهوية أو مراوح.
يمكن أن يؤدي تجاوز حدود المقاومة الحرارية في المشتتات الحرارية لمصابيح LED إلى ارتفاع درجة الحرارة وتقليل عمر المصابيحصحيح
تعني المقاومة الحرارية العالية ضعف تبديد الحرارة، مما يرفع درجة حرارة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) إلى ما بعد الحد الآمن، مما يقلل من عمره الافتراضي.
طالما أن المشتت الحراري مصنوع من الألومنيوم، فلا يوجد حد حراري لطاقة LEDخطأ
حتى المشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم لها سعة محدودة؛ فالتصميم مهم ويجب أن يتعامل التلامس ومساحة السطح مع الحمل الحراري.
كيف يتم مراعاة تدفق الهواء في تصميم المشتت الحراري؟
ضعف تدفق الهواء يفسد تصميم المشتت الحراري الجيد. حتى البثق الممتاز وتخطيط الزعانف يفشل إذا ظل الهواء ثابتًا. تعيش العديد من مصابيح LED في علب مغلقة أو بالقرب من الجدران. بدون تدفق الهواء، تبقى الحرارة بالقرب من الزعانف. يتسبب ذلك في تراكم الحرارة ويقلل من التبريد.
تدفق الهواء مهم جدًا. يجب على المصممين مطابقة زعانف المشتت الحراري وفتحات التركيبات بحيث يتحرك الهواء بحرية عبر الزعانف وينقل الحرارة بعيدًا بسرعة.
تصميم مسار الهواء والتركيبات
لا يمكن أن يعمل المشتت الحراري بمفرده. يجب أن تسمح التركيبات بتدفق الهواء عبر الزعانف. إذا كانت التركيبات محكمة الغلق، يجب على المصممين إضافة فتحات تهوية أو الاعتماد على مسار الحمل الحراري لأعلى أو لأسفل. يجب أن يفكر المصممون أين يذهب الهواء الساخن. عادةً ما يرتفع الهواء الساخن. لذا تساعد فتحات التهوية في الأعلى. في مصابيح الشوارع LED الخارجية، يجب أن يتسرب الهواء الساخن من الهواء الساخن. قد يضيف المصممون فتحات أو فتحات تهوية. وإلا فإن الحرارة تنحبس وتتراكم.
تأثير سرعة تدفق الهواء على التبريد
حتى تدفق الهواء الصغير يساعد. المروحة أو الرياح الطبيعية تضاعف أو تضاعف نقل الحرارة ثلاث مرات مقارنة بالهواء الساكن. نسيم لطيف أو موصل مروحة صغيرة في التركيبات يضيف قوة تبريد كبيرة. وهذا يعني أن نفس البثق يمكنه تبريد مصابيح LED ذات طاقة أعلى إذا تحرك الهواء. يختار المصممون بين البثق الأكبر أو إضافة تدفق الهواء.
أمثلة على الأرقام (دليل تقريبي):
- هواء ساكن، حمل حراري طبيعي صغير: يخفض المشتت الحراري المقاومة الحرارية ربما بنسبة 30-50%.
- تدفق الهواء الخفيف (0.5-1.5 م/ثانية): يتضاعف انتقال الحرارة مقابل الهواء الساكن.
- تدفق هواء قوي (3-5 م/ثانية): تبريد أكثر كفاءة، تبقى الزعانف بالقرب من المحيط.
عرض مشترك: تصميم الزعانف يلتقي مع تدفق الهواء
عندما تكون الزعانف كثيفة وطويلة ولكن تدفق الهواء ضعيف، يتوقف تدفق الهواء داخل الزعانف. ثم تتقلص المساحة الفعالة. إذا كان تدفق الهواء قويًا، فإن الزعانف الطويلة الكثيفة تعمل بشكل جيد. لذلك يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار كل من كثافة الزعانف وتدفق الهواء المتوقع. تختار العديد من تركيبات مصابيح LED كثافة زعانف معتدلة وتعتمد على الحمل الحراري السلبي أو تدفق مروحة صغيرة حسب التركيب.
حتى تدفق الهواء القسري الصغير يحسن أداء التبريد بالمشتت الحراري بشكل كبيرصحيح
يزيل الهواء المتحرك الحرارة من الزعانف بشكل أسرع من الهواء الساكن، مما يزيد من التبريد بالحمل الحراري.
تعمل صفائف الزعانف الكثيفة على التبريد بشكل أفضل من المتفرقة بغض النظر عن تدفق الهواءخطأ
وبدون تدفق الهواء، تمنع الزعانف الكثيفة تدفق الهواء وتقلل من التبريد الفعال على الرغم من مساحة السطح الكبيرة.
الخاتمة
يلائم بثق الألومنيوم احتياجات تبريد مصابيح LED بشكل جيد لأنه يوفر تدفقًا حراريًا جيدًا وشكلًا مخصصًا ووزنًا خفيفًا وسهولة في الإنتاج. تصميم الزعانف والحدود الحرارية وتدفق الهواء كلها أمور مهمة. التصميم الجيد للمشتت الحراري يوازن بينها. يحافظ البثق المناسب بالإضافة إلى الزعانف وتدفق الهواء على برودة مصابيح LED وتدوم طويلاً.
