Memodelkan perpindahan panas dari LED Daya ke batang logam

Saya bermain-main dengan penerangan tempat kerja dan telah mengembangkan sumber arus konstan 20 V -> 38 V PWM'able untuk menggerakkan LED daya saya (daya maksimum sekitar 64W). Sejauh ini baik. Namun, saya hampir secara termal membunuh satu LED dengan memperbaikinya pada heat sink yang berukuran sangat kecil ("untungnya", kontak kawat dibuka sendiri tepat waktu, menghentikan proses).

Sekarang, saya sedang mempertimbangkan opsi pendinginan. Ingin menghindari pendinginan aktif (yaitu senandung kipas), saya sedang mempertimbangkan jalan keluar "malas" (dimensi jauh dari final, saya belum memiliki kandidat heatsink ):

Saya ingin memasang LED 19 x 19 mm langsung ke panel atau profil aluminium. Sekarang, saya sudah bermain-main dengan perangkat lunak simulasi termal, tetapi itu tampaknya di atas (dan sejauh ini, sebagian besar crash, ditambah saya punya banyak teori untuk mengejar ketinggalan). Begitu:

• Apakah ada model analitik yang terkenal untuk distribusi panas saat memasang sumber panas berdaya konstan ke sepotong logam?
  • jika tidak, apakah ada perangkat lunak simulasi masuk? Sejauh ini, saya bermain dengan Elmer.
• Apakah simulasi cara untuk pergi di sini, sama sekali, atau pendinginan pasif terkutuk untuk 60W LED?

Data (dari lembar data LED ):

• Perlawanan Termal Persimpangan-Kasus 0,8 K / W
• 19x19 mm
• nilai maksimum daya 64.2 W
• kekuatan berkelanjutan yang saya rencanakan untuk digunakan: 36.6 V · 0.72 A = 26.352 W

Jika pemahaman saya benar, Anda ingin memperkirakan resistansi termal dari heatsink atau lempengan material konduktif termal ke sekitar, tanpa aliran udara apa pun ( = konveksi alami ).

Ada kalkulator online yang bagus untuk heatsink persegi panjang bersirip yang mengimplementasikan model konveksi alami untuk heatsink (penjelasan lebih rinci tentang model ini ada di sini ).

Berikut adalah contoh yang relevan dengan masalah desain Anda (dimensi luar 55x55x55mm, sirip 10x1mm, tebal pelat dasar 10mm, dan konduktansi kontak 2.000 W / m2ºC yang agak konservatif):

Suhu sumber yang dihasilkan untuk suhu sekitar 25ºC dan panas 26,35 W yang mengalir ke heatsink adalah aprox 110ºC, yang berarti bahwa heatsink akan memiliki ketahanan termal 3,23 ºC / W dalam kondisi konveksi alami.

Percobaan dengan kalkulator untuk menemukan dimensi luar yang paling sesuai dengan desain Anda.

Saya sudah menyusuri jalan itu tetapi simulator harganya terlalu mahal dan memiliki kurva belajar yang curam. Jika Anda bukan seorang insinyur dinamika termal Anda mungkin memiliki beberapa masalah memahami jargon, saya lakukan. Saya membaca buku teks tentang dinamika termal dan segala macam kertas desain heat sink dan simulator heatsink.

Saya sarankan Anda mendapatkan bar aluminium di logam online $ 1,23 (0,125 x 1,5 x 12) (6061 T6511 adalah yang paling murah), pasang LED membuatnya bekerja, letakkan bar di lemari es. Bawa keluar ke ruang lembab tempat kondensat. Kemudian masukkan ke dalam freezer, dinginkan, keluarkan, dan perhatikan pola kristal es yang terbentuk saat mereka mencair saat batang memanas. Hasilnya mirip dengan output dari simulator. Kehidupan nyata juga sangat akurat.

Selain itu bukan usaha yang sia-sia, jika Anda melakukan simulasi, Anda masih memerlukan bilah untuk melihat seberapa jauh simulasi itu.

Tetapi masalahnya adalah Anda akan dalam satu jam atau lebih berakhir dengan batang aluminium yang sangat panas hampir sama panasnya dengan LED. Tetapi Anda tidak perlu banyak aliran udara dengan permukaan yang besar. Bar aluminium @ $ 1,23 atau kurang per kaki adalah heat sink murah.

Saya juga tidak suka penggemar. Yang ini sangat sepi karena hanya bergerak 13 CFM @ 12VDC, 30,3 dB, 2300 RPM tetapi efektif.

36V 2,4 Amp maks.
Pola yang ditampilkan hanya di satu sisi, sebenarnya simetris.

Mengukur suhu bagian belakang.

Arus berbalik menurun dan menyebar.

Berita baiknya: Memang ada model matematika sederhana yang cukup akurat.

Pada dasarnya Anda dapat memodelkan sebagian besar masalah termal sebagai rangkaian listrik sederhana:

1. Daya Thermal = Arus Listrik
2. Perbedaan Suhu Termal = Tegangan Listrik
3. Resistansi Termal = Resistor Listrik
4. Massa Termal = Kapasitor Listrik

Kasus Anda bahkan lebih sederhana: karena Anda tidak peduli dengan konstanta waktu Anda tidak perlu khawatir tentang massa termal.

Jadi model Anda akan terlihat seperti ini

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

Dimana

• R1: tahan panas dari persimpangan LED ke permukaan pemasangan LED
• R2: tahan panas untuk koneksi LED ke Al
• R3: ketahanan termal dari Al ke Udara sekitar

Semuanya dalam seri sehingga Anda bisa menambahkannya. Jika Anda memiliki R1 = 1.2K / W, R2 = 0.8K / W dan R3 = 0.1 K / W total perlawanan Anda akan 2.1K / W. Untuk 40W panas yang hilang persimpangan LED Anda akan berada pada 2.1K / W * 40W = 84 Kelvin (atau Celsius) di atas suhu sekitar. Pada 25C ambient persimpangan akan berada di 109C.

Berita buruknya: Data yang Anda butuhkan untuk model ini terkenal sulit diprediksi

Anda akan membutuhkan tiga resistensi termal dan suhu sambungan LED maksimum yang diijinkan.

1. Jika Anda beruntung, Anda dapat menemukan R1 dan suhu maksimum untuk LED di lembar data.
2. R2 sangat rumit, karena itu tergantung pada bahan yang tepat, bentuk yang tepat, jumlah kerataan, perawatan permukaan yang tepat dari kedua permukaan pemasangan Anda dan bar Al. Bahkan warna dan detail proses anodisasi dari Aluminium memang penting di sini.
3. R3: JIKA bilah cukup besar, itu harus cukup kecil

Apa yang harus dilakukan tergantung pada kemampuan pengukuran yang Anda miliki. Secara umum ini memiliki peluang bagus untuk bekerja. Pastikan bahwa LED terpasang dengan kuat ke bar AL dan letakkan panel termal atau pasta panas pada koneksi.

Sentuh bilah: itu seharusnya terasa lebih hangat sangat dekat dengan LED. Jika tidak, itu berarti Anda tidak mendapatkan panas yang ditransfer ke bar dan koneksi termal tidak baik. Jika seluruh bilah terasa hangat atau bahkan panas, Anda tidak mendapatkan sambungan termal yang cukup ke lingkungan. Pertimbangkan lebih banyak area permukaan untuk bilah.

Satu LED 60W merupakan tantangan termal karena sumber panasnya kecil dan sangat kuat. Oleh karena itu, Anda akan memerlukan logam tebal untuk menyebarkan panas ke lateral ke heatsink yang cukup besar.

Ini mirip dengan cpu PC desktop: luas permukaan kecil, banyak daya. Banyak heat sink PC desktop menggunakan pipa panas untuk mengatasi masalah penyebaran panas. Heatsink PC tanpa kipas harus bekerja.

Namun, ini tidak menyelesaikan masalah Anda yang lain, yaitu bahwa satu LED 60W adalah sumber titik yang sangat cerah, dan itu tidak ideal untuk penerangan di tempat kerja. Itu akan sangat terang dan akan memberikan bayangan yang keras.

Anda dapat menyelesaikan kedua masalah dengan menggunakan strip LED seperti ini:

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

Saya menggunakan ini dalam sebuah proyek:

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

Mereka datang pada PCB logam, dan strip dapat dipotong menjadi LED individu. Saya kemudian menempelkannya ke profil L aluminium menggunakan epoksi konduktif termal (satu LED setiap 10cm).

Menyebarkan LED penghasil panas pada profil aluminium yang panjang memungkinkan pendinginan yang lebih mudah, dan menghasilkan cahaya yang lebih menyenangkan.

EDIT

OK, mari kita pergi dengan LED 60W.

Saya kira itu menunjuk ke bawah. Anda ingin sirip pendingin menjadi vertikal untuk konveksi optimal. Ini menunjuk pada faktor bentuk semacam ini:

Tautan Tautan

Jika Anda menggunakan heat sink datar, Anda harus memasang LED pada persegi aluminium tebal, lalu pasang ini pada heat sink.

Karena masalah Anda adalah menyebarkan panas yang dihasilkan oleh sumber kecil, Anda juga bisa menggunakan pipa panas datar:

Tautan Tautan

Ada Lisa, alat analisis elemen hingga yang setidaknya gratis untuk model yang memiliki maks. sekitar 1000 node.

Simulasi ini sulit, perlu pemahaman yang mendalam dan didasarkan pada asumsi tentang kondisi batas. Tes nyata, jika aman dan mungkin lebih baik. Jika Anda sudah memiliki kandidat yang dipimpin dan heatsink, Anda dapat mencobanya. Jalankan pada tingkat daya yang diketahui, tetapi aman, biarkan mencapai keseimbangan (= tidak ada kenaikan suhu yang lebih terukur) dan simpan suhu akhir itu. Anda harus memiliki peralatan yang tepat untuk pengukuran. Perbedaan suhu antara led dan ambient secara langsung propostional dengan daya yang hilang. Tentu saja Anda tidak bisa masuk ke dalam led sampai Anda menggunakan sendiri sebagai sensor Anda. Pabrikan mungkin dapat memberikan beberapa data yang berguna tentang hubungan antara tegangan maju, arus dan suhu.

Tapi kamu juga bisa mengukur di perbatasan antara led dan heatsink. Pasti ada tersedia hambatan termal antara titik itu dan semikonduktor atau batas suhu yang diizinkan secara langsung dikatakan sebagai suhu di perbatasan heatsink.

Jika kenaikan suhu Anda pada 10W adalah 1/3 dari kenaikan yang diizinkan, Anda dapat memiliki maksimum disipasi = 30W.

Perhatikan bahwa dalam kabinet suhu lingkungan juga naik dan itu harus diperhitungkan. Perangkat pemanas lain yang berdekatan juga harus dipertimbangkan. Itu menghangatkan suasana dan juga memancarkan panas. Anda lihat sekarang dan mungkin sudah tahu bahwa desain termal adalah area yang penuh dengan tantangan dan perangkap.

ADDENDUM: Masalahnya menarik. Saya telah menerima begitu saja bahwa pemasangan ke plat aluminium memecahkan masalah panas dengan led. Beberapa perhitungan cepat menunjukkan bahwa tidak ada pelat tipis yang akan memakukannya. Pembuangannya hampir sama dengan penguat audio 100W per salah satu dari 2 transistor keluaran, sehingga heatsink samelike diperlukan. Performa mereka akan berkurang secara drastis jika debu menyumbat mereka. Ingatlah untuk mengganti pembersihan rutin sebagai syarat untuk garansi atau membuat heatsink yang terlalu besar.

Untuk memberi Anda gambaran tentang apa yang Anda hadapi dengan heatsink pasif. Cree membuat desain referensi sebagai pengganti Lampu HPS 1000W.

Fixture ini terdiri dari empat "mesin" . Setiap mesin 130 Watt adalah 11,25 "x 7,25" x 2,5 ". Yang pada dasarnya adalah ukuran heatsink.

Heatsink yang digunakan adalah Aavid Black Anodized P / N 62625

Perkiraan Harga (untuk Heatsink Saja) $ 450

Itu $ 3,46 per Watt.

Untuk 64 Watt Anda, itu akan menjadi $ 222.

Biaya $ 450 didasarkan pada Aavid Black Anodized P / N 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ")

Dan Aavid 701652 1,78 "x 12" x 48 "adalah $ 431.

Setiap Mesin terdiri dari 48 LED yang mendorong 130 Watt .

Anda hanya membutuhkan setengah dari ukuran heat sink ini. Heatsink ini adalah 11.25 "x 7.25" x 2.28 "

Lihat posting blog 'Bagaimana merancang heat sink pelat datar' http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Ini memberikan penjelasan rinci tentang cara menghitung resistansi termal dari pelat logam yang digunakan sebagai heat sink. Saya percaya Anda juga bisa mendapatkan spreadsheet yang melakukan perhitungan jika Anda memberi mereka alamat email Anda.

Pada dasarnya Anda perlu menentukan radiasi dan ketahanan konveksi alami dari permukaan eksternal kemudian menentukan ketahanan termal konduksi. Tambahkan ketiga bersama-sama berdasarkan pada sirkuit termal yang ditunjukkan di bawah ini:

dimana:

Rconv adalah resistensi konveksi eksternal

Rrad adalah resistansi radiasi eksternal

Rsp adalah hambatan penyebaran

Rint / Rcont adalah resistansi kontak atau antarmuka

Rth-jc adalah kasus untuk resistensi persimpangan LED

Ts adalah suhu permukaan pendingin

Tj adalah suhu persimpangan LED

Persamaan untuk Rconv dan Rrad cukup terlibat dan dijelaskan secara rinci dalam posting blog.

Simulator bumbu sederhana akan melakukan ini: itu seperti kapasitor yang dikeluarkan.