从功率 LED 到金属条的热传递建模

电器工程 引领 模拟 散热器 热的
2022-01-31 22:49:00

我正在玩工作场所照明,并开发了一个 20 V –> 38 V PWM'able 恒流源来驱动我的电源 LED(最大功率约 64W)。到目前为止,一切都很好。但是,我通过将一个 LED 固定在一个尺寸明显偏小的散热器上几乎将其热死(“幸运的是”,导线触点及时自行解焊,停止了该过程)。

现在,我正在考虑冷却选项。为了避免主动冷却(即风扇的嗡嗡声),我正在考虑“懒惰”的出路(尺寸远非最终的,我还没有散热器候选者):

简单的机械制图

我想将 19 x 19 毫米 LED 直接安装到铝条或型材上。现在,我已经在玩热模拟软件了,但这似乎太过分了(到目前为止,它大多是崩溃的,而且我还有很多理论要赶上)。所以:

  • 将恒定功率热源连接到一块金属时,是否有众所周知的热量分布分析模型?
    • 如果没有,是否有首选的模拟软件?到目前为止,我正在和埃尔默一起玩。
  • 模拟是完全可行的方法,还是 60W LED 的被动冷却该死?

数据(来自LED 数据表):

  • 结壳热阻 0.8 K/W
  • 19x19 毫米
  • 最大额定功率 64.2 W
  • 我计划使用的持续功率:36.6 V · 0.72 A = 26.352 W
4个回答

如果我的理解是正确的,您想估计散热器或导热材料板对环境的热阻,没有任何气流(= 自然对流)。

有一个很好的翅片矩形散热器在线计算器,它实现了散热器的自然对流模型(更学术,模型的详细解释在这里)。

这是与您的设计问题相关的示例(55x55x55mm 外部尺寸,10x1mm 翅片,基板厚度 10mm 和相当保守的 2,000 W/m2ºC 接触电导):

计算器快照

25ºC 环境温度和 26.35 W 热量流入散热器的最终源温度约为 110ºC,这意味着散热器在自然对流条件下的热阻为 3.23 ºC/W。

使用计算器进行试验,以找到最适合您设计的外部尺寸。

我一直在走这条路,但模拟器的成本太高而且学习曲线陡峭。如果您不是热力学工程师,您可能会在理解术语时遇到一些问题,我做到了。我阅读了有关热动力学的教科书以及各种散热器设计论文和散热器模拟器。

我建议你以在线金属 1.23 美元(0.125 x 1.5 x 12)(6061 T6511 是最便宜的)购买铝条,安装 LED 让它工作,把铝条放在冰箱里。把它带到一个潮湿的房间里,在那里它会凝结。然后把它放在冰箱里,把它冻起来,把它拿出来把它烧起来,看看冰晶在酒吧升温时融化时形成的图案。结果类似于模拟器的输出。现实生活也非常准确。

此外,这不是白费力气,如果您进行模拟,您仍然需要栏来查看模拟的距离。

但问题是你会在一个小时左右的时间内得到一个非常热的铝条,几乎和 LED 一样热。但是你不需要大面积的空气流动。每英尺 1.23 美元或更少的铝条是该死的便宜散热器。

我也不喜欢粉丝。这个非常安静,因为它在 12VDC、30.3 dB、2300 RPM 下仅移动 13 CFM,但它很有效。

最大 36V 2.4 安培
图案只显示在一侧,实际上是对称的。
散热器上的 COB LED

测量背面的温度。

在此处输入图像描述

电流下降并扩散。
在此处输入图像描述

好消息:确实有一个相当准确的简单数学模型。

基本上,您可以将大多数热问题建模为一个简单的电路:

  1. 热功率 = 电流
  2. 热温差 = 电压
  3. 热阻 = 电阻
  4. 热质量 = 电容

您的情况更简单:由于您不关心时间常数,因此您无需担心热质量。

所以你的模型应该是这样的

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

在哪里

  • R1:从 LED 结到 LED 安装表面的热阻
  • R2:LED 到 Al 连接的热阻
  • R3:从铝到环境空气的热阻

它们都是串联的,因此您可以简单地将它们相加。如果您有 R1 = 1.2K/W、R2 = 0.8K/W 和 R3 = 0.1 K/W,那么您的总电阻将为 2.1K/W。对于 40W 的散热,您的 LED 结将比环境温度高 2.1K/W*40W = 84 开尔文(或摄氏度)。在 25C 环境温度下,结点温度为 109C。

坏消息:众所周知,建模所需的数据很难预测

您将需要三个热阻和最大允许 LED 结温。

  1. 如果幸运的话,您可以在数据表中找到 R1 和 LED 的最高温度。
  2. R2 非常棘手,因为它取决于准确的材料、准确的形状、平整度、安装表面和铝条的准确表面处理。甚至铝阳极氧化工艺的颜色和细节在这里也很重要。
  3. R3:如果条形相当大,那应该很小

做什么取决于您拥有的测量能力。一般来说,这很有可能奏效。确保 LED 牢固地连接到 AL 条上,并在连接处放置导热垫或一些导热膏。

触摸条:非常靠近 LED 的地方应该会明显变热。如果不是,则意味着您没有将任何热量传递到条中,并且热连接不好。如果整个酒吧感觉温暖甚至很热,则说明您与环境的热耦合不足。考虑更多的酒吧表面积。

一个 60W LED 是一个热挑战,因为热源很小且非常强大。因此,您将需要厚金属将热量横向传播到足够大的散热器中。

这类似于台式电脑 CPU:表面积小,功率大。许多台式电脑散热器使用热管来解决散热问题。无风扇 PC 散热器应该可以工作。

但是,这并不能解决您的另一个问题,即一个 60W LED 是一个非常亮的点光源,它不适合工作场所的照明。它会非常明亮,并会投射出刺眼的阴影。

您可以通过使用这样的 LED 灯条来解决这两个问题:

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

我在一个项目中使用了这些:

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

它们位于金属 PCB 上,条带可以切割成单独的 LED。然后我使用导热环氧树脂(每 10 厘米一个 LED)将它们粘在铝 L 型材上。

将发热 LED 分布在一段铝型材上可以更容易地冷却,并产生更令人愉悦的光线。

编辑

好的,让我们使用 60W LED。

我想它是指向下方的。您希望散热片垂直以实现最佳对流。这指向了这种形式:

链接 链接

如果您使用扁平散热器,则需要将 LED 安装在厚铝方形上,然后将其安装在散热器上。

由于您的问题是散布小源产生的热量,您也可以使用扁平热管:

链接 链接