Hliníkový výlisek pro chladiče LED?

Světla LED se zahřívají. Přehřátí může zkrátit životnost a změnit barvu. Mnoho konstrukcí nedokáže odvádět teplo dostatečně rychle. Správný chladič to může napravit.

Hliníkový výlisek je pro chladiče LED ideální, protože má vysokou tepelnou vodivost, umožňuje vytvářet vlastní tvary s žebry pro lepší chlazení a při hromadné výrobě zůstává lehký a cenově výhodný.

V tomto článku se dozvíte, proč se vytlačování hliníku tak dobře osvědčilo. Dále ukazuje, jak navrhovat tvary žeber, vyhnout se tepelným limitům a rozumně využívat proudění vzduchu. Dozvíte se, díky čemu je extruzní konstrukce vhodná pro chlazení LED.

Proč je hliníkový výlisek ideální pro chlazení LED?

Zvukový signál horkých hrnců LED. Výrobci LED se obávají zahřívání, špatných tepelných cest a těžkých chladičů. Špatná konstrukce vede ke zkrácení životnosti nebo spálení světel.

Hliníkový výlisek je ideální, protože rychle přenáší teplo, umožňuje konstruktérům vytvářet mnoho chladicích tvarů a zůstává lehký, takže se svítidla snadno instalují.

Hliníkový výlisek je pro svítidla LED vhodný díky mnoha věcem. Za prvé, hliník má v porovnání s mnoha jinými materiály vysokou tepelnou vodivost. Dokáže rychle odvádět teplo od LED čipů. Poté rozvádí teplo podél těla výlisku. Díky tomu nevznikají horká místa a teplota LED diod zůstává pod kontrolou. Za druhé, vytlačování je flexibilní proces. Konstruktéři mohou hliník protlačit nebo protáhnout tvarovanou matricí. Tím vznikají dlouhá tělesa se složitými průřezy. Ploutve, duté díly, montážní otvory, to vše je možné při jednom průchodu. Tato flexibilita umožňuje navrhnout přesný tvar potřebný pro svítidlo.

Když moduly LED pracují s výkonem stovek lumenů, jsou důležité i malé úniky tepla. Tenký plech nebo lisovaný kov může poskytnout pouze takovou plochu. Extrudovaná žebra přidávají v porovnání s objemem mnohem větší plochu a pomáhají odvádět teplo do vzduchu. Také povrchová úprava může zlepšit tepelné vyzařování nebo odolnost proti korozi. Například eloxovaný hliník zvyšuje odolnost, aniž by příliš poškodil vodivost. To má význam, pokud jsou LED světla provozována venku. Stručně řečeno, vytlačování hliníku kombinuje silný tepelný tok, široké tepelné cesty, svobodu designu a kontrolu nákladů.

Které konfigurace žeber optimalizují odvod tepla?

Špatná konstrukce žeber ničí dobré chladiče. Některá žebra blokují vzduch nebo jsou příliš blízko. Jiné jsou příliš tenké. Konstruktéři potřebují správné uspořádání, tvar žeber a jejich rozteč. Špatná volba zpomaluje chlazení a plýtvá materiálem.

Nejlepší konfigurace ploutví zahrnují mnoho tenkých ploutví, rozmístěných tak, aby umožňovaly proudění vzduchu, s velkou plochou tvaru. To napomáhá rychlému a rovnoměrnému přenosu tepla z kovu do vzduchu.

Počet žeber, jejich rozteč a tloušťka

Správné uspořádání žeber chladiče vyvažuje počet, rozteč a tloušťku žeber. Pokud je žeber příliš málo nebo jsou příliš tlustá, ztrácíte plochu. Pokud je žeber příliš mnoho nebo jsou příliš tenká, vzduch nemůže proudit a konvekce vázne. Nejlépe funguje střední třída: mnoho žeber, ale dostatečně rozdělených, aby vzduch mohl procházet.

V návrhu, který jsem viděl, poskytovalo použití 2,2 mm silných žeber vzdálených od sebe 4 mm lepší chlazení než 3 mm silná žebra vzdálená od sebe 2 mm. Proudění vzduchu bylo lepší a povrchová plocha zůstala vysoká.

Tvar a povrchová úprava žeber

Ploutve nemusí být ploché. Některé konstrukce používají kuželovité ploutve. Jiné používají zakřivené nebo vlnité tvary. Tyto tvary pomáhají narušovat mezní vrstvy vzduchu. Narušení mezních vrstev pomáhá čerstvému vzduchu dotýkat se povrchu žeber. To zlepšuje přenos tepla do vzduchu. Záleží také na povrchové úpravě. Čistý, eloxovaný povrch zlepšuje vyzařování a odolává korozi. U venkovních LED světel to zvyšuje životnost.

Příklad: Srovnání dvou uspořádání žeber

Zde je jednoduchý příklad. Předpokládejme, že máme dva extrudované chladiče stejné základní šířky a tloušťky. Jeden má 10 žeber rozmístěných natěsno, druhý má 6 žeber rozmístěných na šířku. Při dobrém proudění vzduchu může konstrukce s 6 široce rozprostřenými žebry chladit lépe, protože proudění vzduchu není blokováno. Při špatném proudění vzduchu (například v uzavřeném zařízení) může být konstrukce s 10 žebry neúspěšná, protože vzduch se do žeber nedostane.

To ukazuje, že žádný design nevyhovuje všem. Návrhář musí přizpůsobit uspořádání žeber dráze vzduchu a typu svítidla.

Existují tepelné limity pro LED aplikace?

Chladiče LED jsou výkonné. Každá konstrukce však naráží na limity. Pokud návrh ignoruje maximální teplotu nebo tepelný odpor, životnost LED trpí. Přeplnění chladičů nebo příliš vysoký výkon zabíjí dlouhou životnost nebo barevnou stabilitu.

Ano. Chladiče LED mají své limity: musí udržovat teplotu pouzdra LED pod jmenovitou maximální hodnotou a bezpečně odvádět výkon. Překročení tepelných limitů způsobuje poruchu a zkracuje životnost.

Tepelný odpor a teplota spoje

Tepelný výkon chladiče se často udává jako tepelný odpor (°C/W). Ten udává, o kolik stupňů Celsia stoupne teplota chladiče na jeden watt tepla. Předpokládejme, že LED modul vydává 10 W tepla. Tepelný odpor 5 °C/W znamená nárůst o 50 °C. Pokud je okolní teplota 25 °C, běží pouzdro LED na 75 °C, což je možná příliš vysoká teplota. Lepší je nižší tepelný odpor.

U mnoha LED čipů je maximální teplota pouzdra 85-105 °C. Chladič tedy musí udržet skříň pod touto teplotou i při nejteplejších očekávaných podmínkách. Konstruktéři často pro jistotu cílí na nárůst teploty pod 40-50 °C.

Odpor kontaktů a montáž

Velmi záleží na dobrém tepelném kontaktu mezi modulem LED a základnou výlisku. Vzduchová mezera nebo tenká tepelná podložka mohou zvýšit odpor. I několik desetin stupně na watt způsobuje mnoho stupňů tepla navíc při zátěži. Když je výlisek CNC obráběn plochou základnou a modul přitlačen tepelnou pastou nebo podložkou, kontakt se stává silným. Při použití lisované nebo hrubé základny kontakt trpí.

Někdy jsou také LED svítidla uzavřená. Tím je konvekce znemožněna. Pak musí být chladič mnohem větší nebo se musí použít aktivní chlazení. U uzavřených svítidel musí konstruktéři spočítat celkové teplo a zajistit dostatečnou plochu a cestu proudění vzduchu nebo přidat větrací otvory či ventilátory.

Jak se při návrhu chladiče zohledňuje proudění vzduchu?

Špatné proudění vzduchu kazí dobrý návrh chladiče. Dokonce i vynikající vytlačování a uspořádání žeber selhává, pokud vzduch zůstává v klidu. Mnoho LED světel je umístěno v uzavřených skříních nebo u stěn. Bez proudění vzduchu zůstává teplo v blízkosti žeber. To způsobuje hromadění tepla a snižuje chlazení.

Na proudění vzduchu hodně záleží. Konstruktéři musí sladit žebra chladiče a otvory v příslušenství tak, aby se vzduch volně pohyboval přes žebra a rychle odváděl teplo.

Konstrukce vzduchových cest a svítidel

Chladič nemůže pracovat samostatně. Zařízení musí umožňovat proudění vzduchu přes žebra. Pokud je svítidlo utěsněné, musí konstruktéři přidat větrací otvory nebo se spolehnout na konvekční cestu nahoru nebo dolů. Konstruktéři musí myslet na to, kam horký vzduch odchází. Obvykle horký vzduch stoupá vzhůru. Pomáhají tedy větrací otvory nahoře. U venkovních LED pouličních svítidel musí přehřátý vzduch unikat. Návrháři mohou přidat štěrbiny nebo žaluzie. Jinak se teplo zachytí a hromadí.

Vliv rychlosti proudění vzduchu na chlazení

I malé proudění vzduchu pomáhá. Ventilátor nebo přirozený vítr zdvojnásobí nebo ztrojnásobí přenos tepla ve srovnání s nehybným vzduchem. Mírný vánek nebo malý ventilátor připojený do svítidla výrazně zvyšuje chladicí výkon. To znamená, že stejný výlisek může chladit LED diody s vyšším výkonem, pokud se vzduch pohybuje. Návrháři se rozhodují mezi větším výliskem nebo přidáním proudění vzduchu.

Příklady čísel (hrubý návod):

• Klidný vzduch, malá přirozená konvekce: chladič snižuje tepelný odpor možná o 30-50%.
• Slabé proudění vzduchu (0,5-1,5 m/s): přenos tepla se zdvojnásobí oproti klidnému vzduchu.
• Silné proudění vzduchu (3-5 m/s): chlazení je účinnější, žebra zůstávají blízko okolního prostředí.

Kombinovaný pohled: konstrukce žeber se setkává s prouděním vzduchu

Pokud jsou žebra hustá a vysoká, ale proudění vzduchu je slabé, proudění vzduchu se uvnitř žeber zastaví. Pak se účinná plocha zmenšuje. Pokud je proudění vzduchu silné, vysoká hustá žebra fungují dobře. Při návrhu je tedy třeba zohlednit jak hustotu žeber, tak očekávané proudění vzduchu. Mnoho LED svítidel volí střední hustotu žeber a spoléhá na pasivní konvekci nebo malé proudění ventilátoru v závislosti na svítidle.

Závěr

Hliníkový výlisek dobře vyhovuje potřebám chlazení LED, protože zajišťuje dobrý tepelný tok, vlastní tvar, nízkou hmotnost a snadnou výrobu. Záleží na uspořádání žeber, tepelných limitech a proudění vzduchu. Dobrá konstrukce chladiče je vyvažuje. Správné vytlačování plus žebra a proudění vzduchu udržují LED diody chladné a s dlouhou životností.