Modelagem da transferência de calor do LED de energia para a barra de metal

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Estou brincando com a iluminação do local de trabalho e desenvolvi uma fonte de corrente constante de 20 V -> 38 V PWM para acionar meus LEDs de energia (potência máxima em torno de 64W). Por enquanto, tudo bem. No entanto, eu quase terminei termicamente um LED, fixando-o em um dissipador de calor significativamente menor ("felizmente", os contatos dos fios se dessoldaram a tempo, parando o processo).

Agora, estou considerando opções de refrigeração. Querendo evitar o resfriamento ativo (ou seja, o zumbido de um ventilador), eu estava considerando a saída "preguiçosa" (dimensão longe da final, ainda não tenho um candidato a dissipador de calor ):

Gostaria de montar o LED de 19 x 19 mm diretamente em uma barra ou perfil de alumínio. Agora, eu já estou brincando com o software de simulação térmica, mas isso parece exagerado (e até agora, a maioria trava, mais eu tenho muita teoria para acompanhar). Assim:

Existe um modelo analítico conhecido para distribuição de calor ao conectar uma fonte de calor de potência constante a um pedaço de metal?
- caso contrário, existe um software de simulação obrigatório? Até agora, estou brincando com Elmer.
A simulação é o caminho a seguir aqui, ou o resfriamento passivo é danificado por LEDs de 60W?

Dados (da folha de dados do LED ):

Resistência térmica de caixa de junção 0,8 K / W
19x19 mm
potência nominal máxima 64,2 W
energia contínua que pretendo usar: 36,6 V · 0,72 A = 26,352 W

— Marcus Müller
fonte

destacou o fato de que ainda não tenho a barra de metal.

— Marcus Müller

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Se seus fios começarem a dessoldar a si mesmos, você pode ter dúvidas sobre como usar o que esquentou novamente. As peças podem ter sido parcial mas permanentemente danificadas.

— Mast

PEC, considerado que, o diodo emissor de luz afectada é agora a uma reservados para uso experimental, mas, até agora, para rajadas, a curva I / V da matriz de LED ainda é ok

— Marcus Müller

A calculadora sugerida parece assumir que o calor é aplicado uniformemente na placa de base do dissipador de calor. Sua fonte de calor é um ponto de 19x19mm. Você deve usar pelo menos um espalhador de calor de cobre para se aproximar da eficiência calculada da transferência de calor. Além disso, para que a convecção livre seja eficiente em um delta razoável, o espaçamento entre as aletas deve ser de 7 a 8 mm, levando a um maior afundamento na área necessária, e a propagação de calor é cada vez mais importante. Você pode querer considerar dissipadores de calor omnidirecionais, esse dissipador terá ~ 2C / W de um aquecedor de 1sq.inch a uma convecção livre de ambiente, micforg.co.jp/en/c_n80e.html

— Ale..chenski

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Se meu entendimento estiver correto, você deseja estimar a resistência térmica de um dissipador de calor ou uma laje de material termicamente condutor ao ambiente, sem nenhum fluxo de ar ( = convecção natural ).

Existe uma boa calculadora on-line para dissipadores de calor retangulares com aletas que implementa o modelo de convecção natural para dissipadores de calor (uma explicação mais acadêmica e detalhada do modelo está aqui ).

Aqui está um exemplo relevante para o seu problema de projeto (dimensões externas de 55x55x55mm, aletas de 10x1mm, espessura da placa de base 10mm e uma condutância de contato bastante conservadora de 2.000 W / m2ºC):

A temperatura da fonte resultante para 25ºC de temperatura ambiente e 26,35 W de calor que flui para o dissipador de calor é de aproximadamente 110ºC, o que significa que o dissipador de calor teria uma resistência térmica de 3,23 ºC / W em condições de convecção natural.

Experimente a calculadora para encontrar as dimensões externas que melhor se adequam ao seu projeto.

— Enric Blanco
fonte

Qual navegador você está usando? Eu nunca consigo fazer aparecer a temperatura da fonte. Ah Tenho que trabalhar.

— Marcus Müller

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Safári. Esteja ciente de que a calculadora é bastante exigente. Por exemplo: se a soma de todos os seus espaços e espessuras de aletas não corresponder à largura total, a calculadora se recusará silenciosamente a calcular a temperatura da fonte sem lançar nenhum código de erro ou aviso.

— Enric Blanco

Devo admitir que é muito complicado. I pensou a fórmula era largura total = N_fins * fin_width * (N_fins -1) * fin_spacing, mas que não funciona

— Marcus Müller

ah esperar, não como se H + tp não exatamente somam, quer

— Marcus Müller

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O @ Misunderstended para ser justo, eu apenas fui e li o código fonte do script, e descobri as coisas. Também parece que os navegadores modernos pode ser suprimindo os mecanismos dos usos coisa a avisos de exibição, assim não é realmente culpa da ferramenta

— Marcus Müller

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Eu estive nessa estrada, mas os simuladores custam muito e têm uma curva de aprendizado acentuada. Se você não é um engenheiro de dinâmica térmica, pode ter alguns problemas para entender o jargão, eu fiz. Leio livros didáticos sobre dinâmica térmica e todos os tipos de papéis de design de dissipadores de calor e simuladores de dissipadores de calor.

Sugiro que você obtenha a barra de alumínio em metais on-line de US $ 1,23 (0,125 x 1,5 x 12) (o 6061 T6511 é o menos caro), monte o LED para que funcione e coloque a barra na geladeira. Leve-o para uma sala úmida, onde se condensa. Em seguida, coloque-o no freezer, deixe-o gelado, retire-o do fogo e observe os padrões que os cristais de gelo fazem enquanto derreterão enquanto a barra esquenta. O resultado é semelhante à saída de um simulador. A vida real também é surpreendentemente precisa.

Além disso, não é um esforço desperdiçado; se você fizer a simulação, ainda precisará da barra para ver a que distância as simulações estavam.

Mas o problema é que, em uma hora ou mais, você acaba com uma barra de alumínio muito quente quase tão quente quanto o LED. Mas você não precisa de muito fluxo de ar com uma superfície grande. Uma barra de alumínio a US $ 1,23 ou menos por pé é um maldito dissipador de calor barato.

Eu também não gosto de fãs. Este é muito silencioso porque move apenas 13 CFM a 12VDC, 30,3 dB, 2300 RPM, mas foi eficaz.

36V 2,4 Amp máx.
Padrão mostrado apenas de um lado, na verdade era simétrico.

Medindo a parte traseira da temperatura.

A corrente foi reduzida e difusa.

— Incompreendido
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essa é uma excelente ideia para observação da difusão de temperatura! Ótimo! Não nos EUA, para que a loja não seja útil para mim, mas vou encontrar uma barra Alu (de tamanho métrico: D) localmente e fazer isso.

— Marcus Müller

Eu fui para o resfriamento a água. O que obtive desse exercício que descrevi foi o espaçamento entre os COBs. Pude ver até que ponto o calor estava descendo a barra, longe do COB. E eu já comprei um teste extra de COB para quando (e não se) esse já não pode mais sofrer o abuso.

— Incompreendido

Ao bombear 2,4 A a voltagem a frente era 39,5V (102 Watts), a temperatura da barra diretamente sob o LED era de cerca de 42,5 ° C quando estabilizada após 20 minutos e era a mesma 10 minutos depois.

— entendi

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A boa notícia: Na verdade, existe um modelo matemático simples que é bastante preciso.

Basicamente, você pode modelar a maioria dos problemas térmicos como um circuito elétrico simples:

Potência térmica = corrente elétrica
Diferença de temperatura térmica = tensão elétrica
Resistência térmica = Resistor elétrico
Massa térmica = Capacitor elétrico

Seu caso é ainda mais simples: como você não se importa com constantes de tempo, não precisa se preocupar com massa térmica.

Portanto, seu modelo deve ficar assim

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

Onde

R1: resistência térmica da junção do LED à superfície de montagem do LED
R2: resistência térmica para a conexão LED a Al
R3: resistência térmica do Al ao ar ambiente

Eles são todos em série, para que você possa adicioná-los. Se você tiver R1 = 1,2K / W, R2 = 0,8K / W e R3 = 0,1 K / W, sua resistência total será 2,1K / W. Para 40 W de calor dissipado, sua junção de LED estaria em 2,1 K / W * 40 W = 84 Kelvin (ou Celsius) acima da temperatura ambiente. A 25 ° C, a junção seria a 109 ° C.

As más notícias: os dados que você precisa para modelar são notoriamente difíceis de prever

Você precisará de três resistências térmicas e a temperatura máxima permitida da junção do LED.

Se você tiver sorte, poderá encontrar R1 e a temperatura máxima do LED na folha de dados.
O R2 é muito complicado, pois depende do material exato, da forma exata, da quantidade de planicidade, dos tratamentos exatos da superfície da superfície de montagem e da barra Al. Até a cor e os detalhes do processo de anodização do alumínio são importantes aqui.
R3: SE a barra for razoavelmente grande, ela deverá ser bem pequena

O que fazer depende das habilidades de medição que você possui. Em geral, isso tem uma boa chance de funcionar. Verifique se o LED está firmemente conectado à barra AL e coloque uma almofada térmica ou um pouco de pasta de calor na conexão.

Toque na barra: deve estar visivelmente mais quente muito perto do LED. Caso contrário, isso significa que você não está recebendo calor transferido para a barra e a conexão térmica não é boa. Se a barra inteira estiver quente ou até quente, você não estará recebendo acoplamento térmico suficiente para o ambiente. Considere mais área de superfície para a barra.

— Hilmar
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Então, sim, modelar o R3 é exatamente o problema! R1 é (é claro) fornecido na folha de dados; O R2 é um aspecto interessante, embora eu planejasse mantê-lo abaixo de 5K / W por montagem sob pressão e pasta de calor. No entanto, como dito na minha pergunta, ainda não tenho um limite para medir, portanto, embora desejasse que essa fosse uma resposta à minha pergunta, não é.

— Marcus Müller

Eu gosto desse toque no bar. Funciona muito melhor do que as fórmulas. Eu continuaria aumentando a corrente, esperaria uma hora para que as coisas se estabilizassem, medisse a temperatura na parte de trás e depois aumentasse a corrente, repita. Você conseguiu meu voto.

— entendi

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Um LED de 60W é um desafio térmico, porque a fonte de calor é pequena e muito poderosa. Portanto, você precisará de metal grosso para espalhar o calor lateralmente em um dissipador de calor grande o suficiente.

É semelhante a uma CPU de desktop: pequena área de superfície, muita energia. Muitos dissipadores de calor de computadores de mesa usam tubos de calor para resolver o problema de propagação de calor. Um dissipador de calor de PC sem ventilador deve funcionar.

No entanto, isso não resolve seu outro problema, que é que um LED de 60W é uma fonte de ponto muito brilhante e não é ideal para iluminação no local de trabalho. Será ofuscantemente brilhante e lançará sombras duras.

Você pode resolver os dois problemas usando tiras de LED como estas:

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

Eu usei estes em um projeto:

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

Eles vêm em uma placa de circuito impresso de metal e a tira pode ser cortada em LEDs individuais. Em seguida, colei-os em perfis L de alumínio usando epóxi condutor térmico (um LED a cada 10 cm).

Espalhar os LEDs geradores de calor por um comprimento de perfil de alumínio permite um resfriamento muito mais fácil e gera uma luz mais agradável.

EDITAR

OK, vamos com o LED de 60W.

Suponho que esteja apontando para baixo. Você deseja que as aletas do dissipador de calor sejam verticais para uma convecção ideal. Isso aponta para esse tipo de fator de forma:

Link Link

Se você usar um dissipador de calor plano, precisará montar o LED em um quadrado grosso de alumínio e montá-lo em um dissipador de calor.

Como o problema é espalhar o calor gerado por uma pequena fonte, você também pode usar tubos de calor planos:

Link Link

— peufeu
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Embora eu valorizo a estimativa, eu tenho difusores no lugar, além de uma distância saudável entre a fonte de luz e desk top :)

— Marcus Müller

Sua edição ainda não aborda minha pergunta, desculpe.

— Marcus Müller

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Existe o Lisa, uma ferramenta de análise de elementos finitos que é gratuita, pelo menos para modelos com capacidade máxima. cerca de 1000 nós.

A simulação é difícil, precisa de um entendimento profundo e é baseada em suposições sobre as condições de contorno. Testes reais, se seguros e possíveis, são melhores. Se você já possui o candidato a led e a dissipador de calor, pode experimentá-lo. Execute-o em um nível de potência conhecido, mas seguro, deixe-o atingir o equilíbrio (= não haverá mais aumento mensurável da temperatura) e armazene a temperatura final. Você deve ter o equipamento adequado para as medições. A diferença de temperatura entre o led e o ambiente é diretamente proporcional à potência dissipada. Claro que você não pode entrar no led até usar o sensor como seu. O fabricante pode fornecer alguns dados úteis sobre a relação entre tensão direta, corrente e temperatura.

Mas você também pode medir na fronteira entre o led e o dissipador de calor. Certamente está disponível que a resistência térmica entre esse ponto e o semicondutor ou os limites de temperatura permitidos sejam contados diretamente como temperaturas na borda do dissipador de calor.

Se a sua subida de temperatura em 10W é 1/3 da subida permitida, você pode ter no máximo a dissipação = 30W.

Observe que em um gabinete a temperatura ambiente também aumenta e isso deve ser levado em consideração. Um outro dispositivo de aquecimento adjacente também deve ser levado em consideração. Aquece o ambiente e também irradia calor. Você vê agora e provavelmente já sabia que o design térmico é uma área cheia de desafios e armadilhas.

ADENDO: O problema é interessante. Eu tinha assumido que a montagem em uma placa de alumínio resolve o problema do calor com leds. Alguns cálculos rápidos mostraram que nenhuma placa fina irá pregar nela. A dissipação é a mesma que em um amplificador de áudio de 100W por um dos 2 transistores de saída, portanto, são necessários dissipadores de calor semelhantes. Seu desempenho sofre drasticamente se a poeira os obstruir. Lembre-se de considerar a limpeza regular como uma condição para a garantia ou faça dissipadores de calor muito grandes.

— user287001
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não, nenhum candidato a dissipador de calor ainda! O ponto é que eu gostaria de saber antes de encomendar metros de alu. A resistência térmica é conhecida, de fato, mas as premissas de linearidade (x vezes a potência em -> x vezes o deltaT) parecem se decompor na distribuição de calor em um volume - ou não? Eu sempre pensei que o modelo de resistência térmica fosse aplicado apenas dentro de limites próximos.

— Marcus Müller

Isso é correto, mas a convecção passiva devido ao aquecimento do dissipador de calor não é linear. Felizmente, isso funciona para sua vantagem. Faça tudo como se a temperatura do LED subisse acima da escala ambiente linearmente com a temperatura, e a convecção extra em altas temperaturas fornecerá uma pequena margem.

— precisa

@ MarcusMüller, o comentarista Olin, significa que o calor faz o ar fluir. Isso em baixos níveis de potência pode ser bastante laminar e o fluxo de ar diminui a resistência térmica total. Finalmente, em níveis elevados, será tão turbulento que sua eficiência se tornará praticamente imprevisível. Mas ele está certo.

— precisa saber é o seguinte

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@ MarcusMüller não há contradição entre a distribuição não uniforme de temperatura e a lei x vezes a potência => x vezes o delta T. A fórmula ainda se aplica a todos os pontos separadamente.

— precisa saber é o seguinte

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@ MarcusMüller Você teve a idéia de não comprar uma pilha de alumínio até saber que ela funciona bem. Em seguida, pegue um pedaço menor - aquele que foi liderado e faça o teste.

— user287001

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Para ter uma idéia do que você enfrenta com um dissipador de calor passivo. A Cree fez um design de referência em substituição a uma lâmpada de 1000W HPS.

O aparelho é composto por quatro "motores" . Cada mecanismo de 130 watts é de 11,25 "x 7,25" x 2,5 ". É basicamente o tamanho do dissipador de calor.

O dissipador de calor usado é um P / N 62625 Aavid Black Anodized

Preço estimado (apenas para dissipador de calor) $ 450

Isso significa US $ 3,46 por Watt.

Para os seus 64 Watts, isso seria $ 222.

O custo de US $ 450 é baseado em um P / N anavizado preto Aavid 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ")

E um Aavid 701652 de 1,78 "x 12" x 48 "custava US $ 431.

Cada motor é composto de 48 LEDs que empurram 130 Watts .

Você precisaria de um dissipador de calor com apenas metade desse tamanho. Este dissipador de calor é de 11,25 "x 7,25" x 2,28 "

— Incompreendido
fonte

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Confira a postagem do blog 'Como criar um dissipador de calor com placa plana' http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Ele fornece uma explicação detalhada de como calcular a resistência térmica de uma placa de metal usada como dissipador de calor. Acredito que você também pode obter uma planilha que faz os cálculos se você fornecer seu endereço de e-mail.

Essencialmente, você precisa determinar a resistência à radiação e à convecção natural das superfícies externas e, em seguida, determinar a resistência térmica da condução. Adicione os três juntos com base no circuito térmico mostrado abaixo:

Onde:

Rconv é a resistência de convecção externa

Rrad é a resistência à radiação externa

Rsp é a resistência à propagação

Rint / Rcont é a resistência do contato ou da interface

Rth-jc é o caso da resistência de junção do LED

Ts é a temperatura da superfície do dissipador de calor

Tj é a temperatura da junção do LED

As equações para Rconv e Rrad estão bastante envolvidas e são explicadas em detalhes na postagem do blog.

— Mario
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Um simples simulador de especiarias fará isso: é como um capacitor sendo descarregado.

— dannyf
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desculpe, eu não vejo isso. O que estou pedindo é basicamente uma maneira de derivar parâmetros do modelo (por exemplo, a resistência térmica) a partir da geometria e das propriedades do material do meu dissipador de calor. Você está dizendo "claro, um analisador de rede elétrico linear fará isso". Receio que não seja esse o caso. Eu estou procurando os valores para conectar em um "circuito equivalente", não para o circuito.

— Marcus Müller

@ MarcusMüller Inicialmente, culpei esta resposta na aula de lixo eletrônico em minha mente, mas ela tem uma ideia. A distribuição de temperatura em uma haste longa seria uma função exponencial decrescente. A variável não é o tempo, mas a distância do led. A constante de tempo deve ser substituída pela constante de comprimento de difusão térmica. Infelizmente, esse fato bastante verdadeiro não ajuda muito nessa fase.

— precisa saber é o seguinte