Aktívne chladenie LED svietidiel

Princíp fungovania LED a potreba chladenia

LED svietidlá majú dlhú životnosť a stávajú sa pevnou súčasťou našich domácností, kancelárií aj verejných priestorov. LED dióda je polovodič, ktorý vyžaruje svetlo, keď ním prechádza elektrický prúd. Silu prúdu je jednoduché regulovať a limitovať dobre zvoleným predradníkom. Chladenie je však komplikovanejšie. Hoci sa LED diódy nezahrievajú (alebo sa zahrievajú oveľa menej) predovšetkým preto, že premieňajú elektrickú energiu priamo na svetlo, nie na teplo, ako tradičné žiarovky, pri vysokovýkonných LED pásikoch sa môžu objaviť vyššie teploty. Je to spôsobené hustým usporiadaním diód a nedostatočným odvodom tepla.

Prehrievanie LED diód nepriaznivo ovplyvňuje výkon a životnosť svietidla. Dôležitou otázkou je, ako prenášať teplo z LED svietidla čo najrýchlejšie tak, aby sa samotná LED dióda neprehriala. Teplota diódy, tzv. prechodná teplota v polovodiči, musí totiž vždy zostať pod kritickou hodnotou. Ak je táto prechodná teplota nižšia ako kritická, polovodič vydrží dlhšie. Teplo vzniká ako vedľajší produkt procesu elektroluminiscencie, pri ktorom elektróny a diery uvoľňujú energiu vo forme svetla. Tento proces, nazývaný luminiscencia alebo elektroluminiscencia, je efektívnejší než u klasických žiaroviek, ale stále generuje odpadové teplo. Nárast napätia a vyšší počet LED komponentov na čipe prispievajú k teplotnému namáhaniu súčiastok.

Na zabezpečenie správneho fungovania LED a systému riadenia teploty je nevyhnutná vhodná inštalácia chladiča. Aby LED osvetlenie vydržalo čo najdlhšie, je potrebné zabezpečiť optimálne chladenie. Ak chýba dostatočné chladenie pri dlhodobom svietení, životnosť LED sa podstatne skráti. Väčšina výrobcov udáva životnosť svojich svietidiel 50 000 hodín, ale táto životnosť je často udávaná pri nedosiahnuteľnej pracovnej teplote (napríklad 25°C). Pri inštalácii viacerých LED na menšiu plochu je nutné počítať s odpadovým teplom a ak okolitá teplota prekračuje 60°C, je vhodné zvážiť možnosti chladenia.

Základy odvodu tepla v LED svietidlách

Chladič je zariadenie, ktoré odvádza teplo preč od svetelného zdroja LED. Zabraňuje prehriatiu a chráni svetlo pred poškodením. Funguje ako tepelný most medzi LED čipom a okolitým prostredím, pohlcuje teplo z LED modulu a odovzdáva ho okolitému vzduchu. Chladič je zvyčajne vyrobený z hliníka alebo iných tepelne vodivých materiálov a vyznačuje sa radom plutiev a hrebeňov, ktoré zväčšujú jeho povrch pre lepší rozptyl tepla. Táto veľká plocha umožňuje efektívnejšie odvádzanie tepla. Chladič vyžaruje teplo do okolitého prostredia kombináciou konvekcie a vedenia, čím umožňuje LED diódam pracovať pri bezpečnej a efektívnej teplote.

LED lampy majú tri kanály na odvádzanie tepla: vedenie, prúdenie a žiarenie, medzi ktorými zohráva najdôležitejšiu úlohu metóda vedenia tepla. Aby sa dosiahla dobrá tepelná vodivosť, mali by sa primerane používať tepelne vodivé materiály a malo by sa maximalizovať konvekčné odvádzanie tepla a sálanie.

Vedenie tepla (kondukcia)

Vedenie tepla je prenos energie, ku ktorému dochádza, keď hmota samotná alebo hmota v kontakte s inou hmotou prenáša energiu. Je to najbežnejší spôsob prenosu tepla. Zdroj tepla LED svietidiel pozostáva z dvoch častí: zdroja svetla a napájacieho zdroja. Pre teplo z časti svetelného zdroja je kľúčová efektívna kontaktná plocha medzi DPS (doskou plošných spojov) svetelného zdroja a lepiacou plochou chladiča. Čím väčšia je účinná kontaktná plocha, tým lepší je odvod tepla.

Okrem toho je dôležité venovať pozornosť rozhraniu vedenia tepla medzi rôznymi materiálmi, aby bolo čo najhladšie, spojenie medzi tepelnými vodičmi by malo byť dostatočne tesné a medzera kontaktných plôch častí kovania by mala byť čo najmenšia. Pri konštrukcii tepelnej vodivosti LED žiaroviek by mala dobrá tepelná vodivosť zahŕňať zníženie tepelného odporu medzi PCB, teplovodivým médiom a radiátorom, zvýšenie efektívnej kontaktnej plochy medzi týmito tromi a výber teplovodivého média s vyššou tepelnou vodivosťou.

Prúdenie tepla (konvekcia)

Konvekcia sa týka spôsobu prenosu tepla, pri ktorom tekutina (plyn alebo kvapalina) prichádza do kontaktu s pevným povrchom a spôsobuje, že tekutina odvádza teplo preč z pevného povrchu. Existujú dva rôzne prípady tepelnej konvekcie:

• Prirodzená konvekcia: Vzťahuje sa na pohyb tekutiny, ktorý je spôsobený teplotnými rozdielmi. Kvapaliny s vyššou teplotou majú nižšiu hustotu, preto sa pohybujú nahor. Vyžaduje si účinnú plochu prenosu tepla, preto správne zdrsnenie vonkajšej steny radiátora alebo rebrová štruktúra môže zvýšiť účinnú plochu prenosu tepla. Zvýšenie turbulencie vzduchu medzi rozstupom rebier chladičov výrazne zvyšuje prirodzenú konvekciu. Napríklad rebrá s vyvŕtanými otvormi urýchľujú chladiaci mechanizmus.
• Nútená konvekcia: Znamená, že tekutina je poháňaná vonkajšími silami (napríklad prúdenie vzduchu poháňané ventilátorom). Tento druh tepelnej konvekcie je efektívnejší a smerovejší.

V systéme prirodzenej konvekcie je napájanie väčšiny LED svetiel, ako sú trubice, žiarovky a reflektory, zvyčajne umiestnené vo vnútri dutiny lampy. Napájací zdroj bude tiež generovať teplo, preto sa odporúča zvýšiť vzduchovú vrstvu medzi napájaním, svetelným zdrojom LED a spojovacou platformou PCB na vytvorenie vzduchovej priečky a oslabenie efektu superpozície tepelného poľa.

Tepelné žiarenie (radiácia)

Tepelné žiarenie je spôsob prenosu tepla, ktorý umožňuje výmenu tepla bez akéhokoľvek média alebo bez akéhokoľvek kontaktu. Je to druh prenosu energie, ktorý všetky objekty vykonávajú kedykoľvek, a intenzita žiarenia rôznych materiálov je odlišná. Vo všeobecnosti je intenzita žiarenia predmetov studenej farby nižšia ako intenzita žiarenia predmetov teplej farby a intenzita žiarenia drsných predmetov je väčšia ako intenzita žiarenia hladkých predmetov. Materiál, ktorým LED svietidlo prenáša teplo, musí mať vysokú vyžarovaciu schopnosť (emisivitu), čiže schopnosť vydávať teplo žiarením. Napríklad dokonalé čierne teleso má emisivitu 1.

Typy chladiacich systémov

Podľa spôsobu odvádzania tepla z chladiča možno chladiče rozdeliť na aktívne chladenie a pasívne chladenie, prípadne kombinované hybridné systémy.

Pasívne chladenie

Pasívne LED chladiče sú navrhnuté tak, aby odvádzali teplo generované LED svetlami bez použitia akýchkoľvek ventilátorov alebo iných aktívnych chladiacich systémov. Spoliehajú sa na tepelnú vodivosť, konvekciu a žiarenie na prenos tepla z LED svetelného zdroja. Tieto chladiče sú zvyčajne vyrobené z hliníka alebo iných materiálov s vysokou tepelnou vodivosťou a majú plutvy alebo iné štruktúry zväčšujúce povrch. Pasívne LED chladiče sú navyše odolné, vyžadujú nízku údržbu a často sa používajú v osvetľovacích aplikáciách pre ich nízku hladinu hluku, dlhú životnosť a nízke prevádzkové náklady. Sú tiež odolné voči poveternostným vplyvom a vplyvom prostredia. Pasívne chladiče sú vhodnou možnosťou pre niektoré aplikácie, pretože eliminujú potrebu údržby, hluku a potenciálne body zlyhania spojené s aktívnym chladením.

Aktívne chladenie

Aktívny LED chladič je typ chladiča, ktorý využíva ventilátor alebo iné mechanické prostriedky na aktívne odoberanie tepla zo zariadenia s diódami vyžarujúcimi svetlo (LED). To pomáha zvýšiť výkon a životnosť LED, zabraňuje prehrievaniu a predlžuje životnosť LED. Aktívny odvod tepla má násilne odoberať teplo vyžarované chladičom cez ventilátory a iné zariadenia na odvod tepla. Vyznačuje sa vysokou účinnosťou odvádzania tepla a malou veľkosťou zariadenia. Na dosiahnutie ideálnej intenzity osvetlenia je potrebné použiť technológiu aktívneho chladenia na vyriešenie tepla uvoľňovaného komponentmi LED svietidiel.

Špecifické metódy aktívneho chladenia

Aktívny odvod tepla možno rozdeliť na odvod tepla chladený vzduchom, odvod tepla chladený kvapalinou, odvod tepla tepelným potrubím, chladenie polovodičov a chemické chladenie.

• Chladenie vzduchom: Je to najbežnejšia a relatívne lacná metóda. V podstate využíva ventilátory na odvádzanie tepla absorbovaného chladičom. Má výhody relatívne nízkej ceny a pohodlnej inštalácie. Jeho výkon však veľmi závisí od prostredia, napríklad bude výrazne ovplyvnený zvýšením teploty a pretaktovaním.
• Chladenie kvapalinou: Odvod tepla chladením kvapaliny má odoberať teplo chladiča núteným obehom kvapaliny pod pohonom čerpadla. V porovnaní s chladením vzduchom má výhody tichosti, stabilného chladenia a menšej závislosti od prostredia. Cena kvapalinového chladenia je relatívne vysoká a inštalácia je pomerne problematická. Zvyčajne sa používa voda ako kvapalina na vedenie tepla.
• Chladenie tepelným potrubím: Tepelná trubica je prvok prenosu tepla, ktorý plne využíva princíp vedenia tepla a rýchleho prenosu tepla chladiaceho média. Prenáša teplo prostredníctvom vyparovania a kondenzácie kvapaliny v úplne uzavretej vákuovej trubici s extrémne vysokou tepelnou vodivosťou. Má výhody ako prenos tepla na veľké vzdialenosti a reguláciu teploty, a výmenník tepla zložený z tepelných rúrok má vysokú účinnosť prenosu tepla.
• Chladenie polovodičov: Využíva špeciálny polovodičový chladiaci čip na generovanie teplotného rozdielu, keď je napájaný, za účelom chladenia. Pokiaľ je možné teplo na vysokoteplotnom konci účinne rozptýliť, nízkoteplotný koniec bude nepretržite chladený. Teplota studeného povrchu môže dosiahnuť až mínus 10 stupňov, ale cena je príliš vysoká a technológia nie je v súčasnosti dostatočne vyspelá na praktické použitie.
• Chemické chladenie: Používa niektoré chemické látky s ultranízkou teplotou, napríklad suchý ľad a tekutý dusík, ktoré pri tavení absorbujú veľké množstvo tepla. Táto metóda je však príliš drahá a má krátke trvanie, preto sa viac vidí v laboratóriách alebo u extrémnych overclockerov.

Hybridné chladenie

Hybridné LED chladiče sú zariadenia na riadenie teploty, ktoré kombinujú tradičné kovové materiály chladiča s ďalšími prvkami, ako sú tepelné rúry, parné komory alebo materiály s fázovou zmenou. Zahrnutie týchto dodatočných komponentov zlepšuje schopnosť LED osvetľovacích systémov odvádzať teplo. Cieľom hybridného LED chladiča je efektívne odstraňovať teplo generované LED čipmi a predchádzať tepelnému poškodeniu.

Materiály a konštrukčné typy chladičov

Pri výbere materiálu pre chladič sa predpokladá, že má vysoké špecifické teplo a vysokú tepelnú vodivosť.

Materiály chladičov a ich vlastnosti

Porovnanie tepelnej vodivosti (W/mK)

• Striebro: 429
• Meď: 401
• Zlato: 317
• Hliník: 237
• Zliatina hliníka 1070: 226
• Zliatina hliníka 1050: 209
• Zliatina hliníka 6063: 201
• Zliatina hliníka 6061: 155
• Železo: 80
• Olovo: 34.8

Ako je možné vidieť, striebro a meď sú najlepšie tepelné vodiče, po nich nasleduje zlato a hliník. Keďže zlato a striebro sú príliš drahé, chladiče sa v súčasnosti vyrábajú hlavne z hliníka a medi.

Hliníkové chladiče

Hliníkové LED chladiče sú populárnou voľbou pre chladenie LED osvetľovacích systémov. Ponúkajú niekoľko kľúčových výhod, ako sú nízke náklady, ľahká konštrukcia a dobrý tepelný výkon. Hliník tiež rýchlo odvádza teplo, čo umožňuje systému bežať pri nižších teplotách a zvyšuje účinnosť. Hliník je navyše pevný a odolný materiál. Čistý hliníkový chladič je najbežnejším typom chladiča v počiatočnom štádiu a jeho výrobný proces je jednoduchý a náklady sú nízke. Čistý hliník je príliš mäkký na priame použitie, preto sa používajú zliatiny hliníka, ktoré poskytujú dostatočnú tvrdosť. Pre zväčšenie plochy rozptylu tepla rebier je najbežnejšie používanou metódou technológia vytláčania hliníka.

Medené chladiče

Medené LED chladiče sú vysoko účinné pri odvádzaní tepla, znižujú riziko prehriatia a poškodenia LED diód. Meď má vysokú tepelnú vodivosť, ktorá je 1,69-krát vyššia ako tepelná vodivosť hliníka, čo umožňuje rýchly prenos tepla preč z LED. To pomáha udržiavať optimálny výkon počas dlhšieho obdobia. Meď je ľahká a odolná voči korózii. Medené chladiče majú však aj zjavné nevýhody, ako sú vysoké náklady, náročné spracovanie a veľká hmotnosť, čo bráni použitiu celomedených chladičov. Tvrdosť červenej medi nie je taká dobrá ako pri hliníkovej zliatine AL6063 a výkon určitého mechanického spracovania nie je taký dobrý ako pri hliníku.

Polymérové chladiče

Polymérové LED chladiče môžu ponúknuť lepší odvod tepla, zvýšenú účinnosť a dlhšiu životnosť LED produktov. Jedinečný polymérový dizajn chladiča dokáže odvádzať teplo rýchlejšie ako tradičné kovové konštrukcie, čím pomáha znižovať riziko zlyhania LED v dôsledku problémov s tepelným manažmentom. Polymérové LED diódy tiež vyžadujú menej energie na prevádzku a LED produkty s polymérovými chladičmi majú dlhšiu životnosť.

Kombinácia medi a hliníka

Po zvážení nedostatkov medi a hliníkových materiálov niektoré špičkové chladiče na trhu používajú výrobný proces v kombinácii medi a hliníka. Tieto chladiče zvyčajne používajú medené kovové základne, zatiaľ čo rebrá na odvádzanie tepla sú vyrobené z hliníkovej zliatiny. Vďaka vysokej tepelnej vodivosti môže medený spodný povrch rýchlo absorbovať teplo uvoľnené zdrojom tepla a hliníkové rebrá môžu byť pomocou zložitých procesných prostriedkov vyrobené do tvaru, ktorý najviac prispieva k rozptylu tepla.

Špecifické konštrukcie chladičov

• Cold plates: Sú chladiace systémy určené pre LED svietidlá, vyrobené z hliníka, medi alebo kombinácie oboch. Fungujú tak, že odvádzajú teplo od LED a potom ho rozptyľujú do okolitého vzduchu.
• Pin-fin LED chladiče: Sú vyrobené z kovovej základnej dosky s viacerými kolíkmi vyčnievajúcimi z povrchu. To zväčšuje povrch a podporuje lepšie odvádzanie tepla. Konštrukcia pin-fin je vysoko účinná pri odvádzaní tepla zo svetelného zdroja LED a pomáha udržiavať teplotu LED. Sú obľúbené v aplikáciách, ako je vysoko intenzívne a dlhotrvajúce osvetlenie.
• Plate-fin LED chladiče: Pozostávajú zo základnej dosky, série rebier a povrchu na odvádzanie tepla, ktorý je zvyčajne vyrobený z hliníka. Rebrá poskytujú veľkú plochu na odvádzanie tepla. Sú obľúbené pre ich ľahkosť, nízkoprofilový dizajn, jednoduchú inštaláciu, vysoký tepelný výkon a nákladovú efektívnosť.
• Extrudované LED chladiče: Odvádzajú teplo z LED svietidiel vytláčaním hliníka do špecifického tvaru a veľkosti, čím sa vytvára rebrovaná štruktúra, ktorá zväčšuje povrchovú plochu pre odvod tepla. Ich dizajn umožňuje cenovo výhodné a prispôsobiteľné riešenie.
• Lepené rebrové LED chladiče: Pozostávajú zo základného materiálu a rebier, ktoré sú navzájom spojené pomocou vysokopevnostného lepidla. Rebrá sú navrhnuté tak, aby zväčšili povrch chladiča a umožnili odvádzať viac tepla do vzduchu.
• Folded Fin LED chladiče: Sú chladiaci systém používaný v LED svietidlách, vyrobený z tenkých kovových plutiev, ktoré sú ohnuté a naskladané dohromady, čím sa vytvára veľká plocha pre odvod tepla. Tento dizajn umožňuje kompaktné a efektívne riešenie chladenia.
• Z-Clip Retainer LED chladiče: Sú navrhnuté s klipom v tvare Z, ktorý sa pripája k LED svetlu a drží chladič na mieste, čím umožňuje efektívne odvádzanie tepla.
• MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board): Sú kovové jadro dosky plošných spojov, navrhnuté tak, aby efektívne odvádzali teplo LED od zdroja svetla. Kovové jadro MCPCB pôsobí ako tepelný most, využívajúc vyššiu tepelnú vodivosť kovu oproti FR4.

Faktory pre návrh a výber chladiča

Dimenzovanie chladiča na odizolovanie svetiel je zásadným krokom pre dlhú životnosť a účinnosť osvetľovacieho systému. Pre správny výber chladiča je potrebné zvážiť niekoľko faktorov.

• Výpočet tepla: Prvým krokom je určenie výkonu pásových svetiel vo wattoch. Následne sa vypočíta teplo generované pásovými svetlami pomocou vzorca: *Vygenerované teplo = výkon x účinnosť*.
• Tepelný odpor: Je miera odporu chladiča voči prenosu tepla. Maximálny povolený nárast teploty je rozdiel medzi okolitou a maximálnou teplotou, ktorú by mali pásové svetlá dosiahnuť. Ak je tepelný odpor príliš nízky, chladič bude príliš objemný, čo ovplyvní celkový dizajn LED systému. Odporúča sa vybrať chladič s vysokou tepelnou vodivosťou a nízkym tepelným odporom.
• Tepelná vodivosť: Je schopnosť materiálu prenášať teplo z jedného bodu do druhého. Vysoká tepelná vodivosť znamená, že teplo bude efektívne odvádzať z LED do chladiča, čím sa zabraňuje prehrievaniu.
• Tepelný tok: Pri výbere LED chladiča je potrebné zvážiť tepelný tok. Primárnou funkciou chladiča je odvádzať teplo z LED, zabraňovať prehrievaniu a predlžovať jeho životnosť. Tepelný tok by sa mal vyhodnotiť na základe výkonu LED, teploty okolia a tepelného odporu materiálu.
• Tvar a veľkosť rebier: Veľkosť a počet rebier určia povrchovú plochu pre rozptýlenie tepla. Zároveň môže tvar rebier ovplyvniť prúdenie vzduchu chladiča a celkovú účinnosť. Dobre navrhnutý chladič bude mať dostatočnú plochu, pričom vyhrievaný chladič s veľkými, rovnomerne rozmiestnenými rebrami zabezpečí lepší odvod tepla.
• Váha chladiča: Čím je chladič ťažší, tým lepšie odvádza teplo a udržuje komponenty chladnejšie. Ťažšie chladiče majú tiež väčšiu plochu, čo im umožňuje absorbovať viac tepla.

Inštalácia a údržba LED chladičov

Správna inštalácia a pravidelná údržba sú kľúčové pre efektívne fungovanie LED chladiča a dlhú životnosť LED svietidiel.

Postup inštalácie

1. Pripravte LED na inštaláciu chladiča. Ak je LED nová, vložte ju do držiaka alebo objímky LED.
2. Vyčistite povrch LED diód a chladiča izopropylalkoholom, aby ste zaistili pevné spojenie.
3. Naneste malé množstvo tepelnej zmesi na povrch LED.
4. Zarovnať chladič s LED a pripevnite ho k držiaku LED alebo objímke. To môže zahŕňať skrutky, spony alebo kombináciu oboch, v závislosti od konštrukcie.
5. Keď je chladič bezpečne pripevnený, zapnite LED a skontrolujte, či správne funguje.
6. Ak LED dióda funguje správne, utiahnite všetky skrutky alebo spony, aby ste zaistili bezpečné pripojenie.

Je dôležité zabezpečiť správnu veľkosť chladiča, aby sa maximalizovala účinnosť. Tiež primerane skonštruované a vhodne nainštalované. Skontrolujte, či je chladič dostatočne veľký, aby odolal teplu generovanému zariadením LED. Ak je príliš malý, nebude efektívne odvádzať teplo. Okrem toho je nutnosťou výber kvalitného materiálu s dobrou tepelnou vodivosťou. Uistite sa, že chladič LED je bezpečne pripevnený k zariadeniu a že v zostave nie sú žiadne medzery, ktoré by mohli brániť prúdeniu vzduchu.

Údržba chladiča

Údržba LED chladiča je pomerne jednoduchá. Pravidelne kontrolujte chladič, či nevykazuje známky prachu, nečistôt alebo iných nečistôt. Podľa potreby ho očistite, aby ste zabezpečili jeho efektívny výkon. Okrem toho by ste mali pravidelne kontrolovať plutvy, aby ste zaistili, že sú stále v dobrom stave a nie sú ohnuté alebo zlomené. Povrch LED je možné v prípade nutnosti ľahko zotrieť za použitia izopropyl alkoholu. Väčšina LED chladičov nie je vodotesná, ale niektoré LED svetlá sú navrhnuté s vodotesnými chladičmi, ktoré možno použiť vo vlhkom prostredí.

Maximálna teplota

Maximálna teplota sa líši v závislosti od typu chladiča a okolitej teploty. Vždy sa informujte u výrobcu o špecifickom teplotnom rozsahu pre každý jednotlivý produkt, pretože maximálna teplota sa môže líšiť v závislosti od konkrétneho produktu.

Inovatívne riešenia chladenia - prípad Innolumis

Spoločnosť Innolumis navrhuje svetelné zdroje aj svietidlá pre verejné LED osvetlenie. Vďaka zlúčeniu návrhov môže proces chladenia regulovať samotný svetelný zdroj: teplo je pohltené a odstránené rýchlo a rovnomerne pomocou kapacity celého svietidla v pomere k malej dióde. Materiál v svietidlách Innolumis má emisivitu vyššiu než 0,9, preto vyžaruje teplo veľmi dobre. Pre porovnanie: dokonalé čierne teleso má emisivitu 1.

Svietidlo musí mať tiež dostatočnú kapacitu na absorpciu tepla, no zároveň nemôže byť príliš ťažké. Vďaka úspešným návrhom spoločnosti Innolumis váži svietidlo Nicole len 7 kg a dosahuje maximálnu teplotu 40°C pri teplote vzduchu 20°C. Dizajn svietidla je optimalizovaný pre prenos tepla a bol vytvorený tak, že svietidlo je na pohľad hladké, bez rebier alebo iných chladiacich zariadení. Tým sa tiež šetria finančné zdroje, pretože je to veľkou výhodou pri údržbe: hladký povrch sa tak nešpiní a je jednoduché ho očistiť. Okrem toho poskytuje aj ďalšiu výhodu: maximálny rozsah vetrom zaťaženej plochy je 0,12 m2.

tags: #aktivne #jadro #chladenie #svietidla