Fuente de alimentación sin contacto de LED mediante un enfriador: una solución original

Acerca de la fuente de alimentación sin contacto de los LED en las hojas del enfriador

Algunas consideraciones para diseños térmicos pasivos, es decir, disipadores de calor LED, para proporcionar una buena gestión térmica cuando se utilizan LED de alta potencia incluyen:

El pegamento se usa comúnmente para unir LED y tableros, así como tableros y disipadores de calor. El uso de adhesivo termoconductor puede optimizar aún más el rendimiento térmico.

Radiador

Los disipadores de calor proporcionan un camino para que el calor pase de la fuente de LED al entorno exterior. Los disipadores de calor pueden disipar energía de tres formas: conducción (transferencia de calor de un cuerpo a otro), convección (transferencia de calor de un sólido a un fluido en movimiento, que para la mayoría de las aplicaciones LED será aire) o radiación (transferencia de calor de dos cuerpos de diferente temperatura superficial a través de una radiación térmica).

  • Материал – La conductividad térmica del material del que está hecho el radiador afecta directamente a la eficiencia de disipación debido a la conductividad térmica. Suele ser aluminio, aunque el cobre se puede utilizar con ventaja para los disipadores de calor planos. Los nuevos materiales incluyen termoplásticos, que se utilizan cuando los requisitos de disipación de calor son más bajos de lo normal, o una forma compleja se beneficiará del moldeo por inyección, así como soluciones de grafito natural, que brindan una mejor transferencia de calor que el cobre, con menos peso que el aluminio, además de la posibilidad de formar un complejo. figuras bidimensionales. El grafito se considera una solución de enfriamiento exótica y tiene un costo de producción más alto.
  • Forma – La transferencia térmica tiene lugar en la superficie del disipador. Por lo tanto, los radiadores deben tener una gran superficie. Este objetivo se puede lograr utilizando una gran cantidad de aletas pequeñas o aumentando el tamaño del propio disipador de calor.
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La dependencia de la conductividad térmica del radiador para LED en la forma.

Aunque un área de superficie más grande da como resultado una mejor eficiencia de enfriamiento, debe haber suficiente espacio entre las aletas para crear una diferencia de temperatura significativa entre la aleta y el aire circundante. Cuando las aletas están demasiado juntas, el aire entre ellas puede alcanzar casi la misma temperatura que las aletas, por lo que no se produce la transferencia de calor. Por lo tanto, más aletas no conducen necesariamente a un mejor rendimiento de refrigeración.

  • Acabado de la superficie – La radiación de calor de los radiadores es función del acabado superficial, especialmente a temperaturas más altas. Una superficie pintada tendrá una emisividad más alta que una superficie brillante sin pintar. El efecto es más notable en los disipadores de calor planos, donde alrededor de un tercio del calor se disipa por radiación. Además, el área de contacto perfectamente plana permite una capa termoplástica más delgada, lo que reducirá la resistencia térmica entre el disipador de calor y la fuente de LED. Por otro lado, anodizar o grabar la superficie de contacto también reduce la resistencia térmica.
  • Método de montaje – La fijación del disipador de calor con tornillos o resortes suele ser mejor que las abrazaderas convencionales, el pegamento conductor del calor o la cinta adhesiva.

Para el intercambio de calor entre fuentes LED de más de 15 W y un disipador de calor, se recomienda utilizar un material de interfaz de alta conductividad térmica (TIM), que creará una resistencia térmica en la interfaz por debajo de 0,2 K/W. Actualmente, la solución más común es también el material de cambio de fase, que se aplica como una almohadilla sólida a temperatura ambiente, pero luego se convierte en un líquido gelatinoso espeso cuando supera los 45 °C.

Características de los LED de alta potencia de refrigeración.

Como se mencionó anteriormente, es posible garantizar una eliminación eficiente del calor del LED organizando un enfriamiento pasivo o activo. Es recomendable instalar LED con un consumo de energía de hasta 10 W en radiadores de aluminio (cobre), ya que sus indicadores de peso y tamaño tendrán valores aceptables.

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El uso de enfriamiento pasivo para arreglos de LED con una potencia de 50 W o más se vuelve difícil; las dimensiones del radiador serán decenas de centímetros y el peso aumentará a 200-500 gramos. En este caso, deberías pensar en usar un disipador de calor compacto junto con un pequeño ventilador. Este tándem reducirá el peso y el tamaño del sistema de refrigeración, pero creará dificultades adicionales. El ventilador debe contar con el voltaje de suministro adecuado y también cuidar el apagado protector de la lámpara LED en caso de falla del enfriador.

Cualquiera que sea el disipador de calor, es capaz de proporcionar un buen contacto térmico con el sustrato LED, aunque no el mejor. Para reducir la resistencia térmica, se aplica una pasta conductora de calor a la superficie de contacto. La efectividad de su impacto ha sido probada por su uso generalizado en los sistemas de enfriamiento de procesadores de computadoras. La pasta térmica de alta calidad es resistente al endurecimiento y tiene una baja viscosidad. Cuando se aplica a un radiador (sustrato), una capa delgada y uniforme es suficiente sobre toda el área de contacto. Después de prensar y fijar, el espesor de la capa será de aproximadamente 0,1 mm.

¿Y por qué es necesario?

Junto con otros dispositivos semiconductores, el LED no es un elemento ideal con un coeficiente de rendimiento (COP) del 100 %. La mayor parte de la energía que consume se disipa en calor. El valor exacto de la eficiencia depende del tipo de diodo emisor y su tecnología de fabricación. La eficiencia de los LED de baja corriente es del 10-15%, y para los LED blancos modernos con una potencia de más de 1 W, su valor alcanza el 30%, lo que significa que el 70% restante se gasta en calor.

Cualquiera que sea el LED, para un funcionamiento estable y a largo plazo, necesita una eliminación constante de energía térmica del cristal, es decir, un radiador. En led de baja corriente, las salidas (ánodo y cátodo) realizan la función de un radiador. Por ejemplo, en SMD 2835, el plomo del ánodo ocupa casi la mitad de la parte inferior del elemento. En los LED de alta potencia, el valor absoluto de la potencia disipada es varios órdenes de magnitud mayor. Por lo tanto, no pueden funcionar normalmente sin un disipador de calor adicional. El sobrecalentamiento constante del cristal emisor de luz reduce significativamente la vida útil del dispositivo semiconductor y contribuye a una pérdida suave de brillo con un cambio en la longitud de onda operativa.

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Cómo arreglar el LED

Hay dos formas principales de fijación, consideraremos ambas.

La primera forma es mecánica. Consiste en atornillar el LED con tornillos autorroscantes u otros sujetadores al radiador, para esto necesita un sustrato especial tipo estrella (ver estrella). Se le suelda un diodo prelubricado con pasta térmica.

En el “vientre” del LED hay un parche de contacto especial con un diámetro como un cigarrillo delgado. Después de eso, los cables de alimentación se sueldan a este sustrato y se atornillan al radiador. Algunos LED salen a la venta ya fijados en la placa adaptadora, como en la foto.

La segunda forma es el pegamento. Es adecuado tanto para montar a través de la placa como sin ella. Pero no siempre es posible unir metal con metal, ¿cómo pegar un LED a un radiador? Para hacer esto, debe comprar un adhesivo especial termoconductor. Se puede encontrar tanto en el hogar como en la tienda de componentes de radio.

El resultado de tal fijación se ve así.

Lo que afecta el brillo de la cinta.

El brillo de la tira LED cuando se conecta a una fuente de alimentación depende de varios factores:

  1. Dimensiones de los cristales de hielo.
  2. La densidad de los LED.
  3. Honestidad del fabricante.

Hay varios tamaños de elementos LED utilizados en los modelos más brillantes de tiras de LED, y todos difieren en luminosidad:

  1. Nivel de brillo: no más de 5 Lm. Se utilizan, por regla general, como iluminación adicional, por ejemplo, para decorar el techo, el armario o el área de trabajo de la mesa.
  2. 5050, 5055, 5060. El nivel de luminosidad de tales cristales de hielo alcanza unos 15 lm, lo que ya es suficiente para usar tiras de LED basadas en ellos como lámparas independientes. Una madeja del producto es suficiente para 7-9 metros cuadrados. metros de la habitación.
  3. El indicador de brillo alcanza un valor de casi 30 lúmenes. Además, la corriente de luz creada por la cinta basada en ellos tiene un enfoque estrecho y es más potente. Se consume un rollo de 5 metros para 11-13 m2 de una habitación.
  4. 5630 o 5730. Los diodos de este tipo se distinguen por el indicador de luminosidad más brillante, hasta 75 lm. Las tiras de LED basadas en ellas sirven como fuente principal de iluminación en lugares con una habitación espaciosa: tiendas, exposiciones, salas.
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El indicador de densidad de colocación de diodos también afecta el nivel de brillo de la tira de LED. Por ejemplo, productos a base de cristales de hielo 3528, el grado de luminosidad varía dentro de los siguientes límites apropiados (cantidad de hielo – luminosidad en lúmenes):

  1. 60 – 300.
  2. 120 – 600.
  3. 240 – 1200.

Como ya se señaló, no todos los fabricantes siguen el camino honesto, pero intentan ahorrar en componentes reduciendo o reemplazando los componentes principales. Con las mismas características externas y precio, una falsificación diferirá peor del original en brillo, vida útil y rendimiento general.

Resolviendo el problema del enfriamiento

Los LED de baja potencia, por ejemplo: 3528, 5050 y similares, emiten calor debido a sus contactos, y tales muestras tienen mucha menos potencia. Cuando aumenta la potencia del dispositivo, surge la cuestión de eliminar el exceso de calor. Para ello se utilizan sistemas de refrigeración pasivos o activos.

El enfriamiento pasivo es un disipador de calor convencional hecho de cobre o aluminio. Los beneficios de los materiales de enfriamiento son controvertidos. La ventaja de este tipo de refrigeración es la ausencia de ruido y la ausencia casi total de la necesidad de su mantenimiento.

Instalación de LED con refrigeración pasiva en un foco

Un sistema de enfriamiento activo es un método de enfriamiento que utiliza una fuerza externa para mejorar la disipación de calor. Como el sistema más simple, puede considerar un conjunto de radiador + enfriador. La ventaja es que dicho sistema puede ser mucho más compacto que uno pasivo, hasta 10 veces. La desventaja es el ruido del enfriador y la necesidad de lubricarlo.

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