Modellazione del trasferimento di calore da Power LED a barra di metallo

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Sto giocando con l'illuminazione del posto di lavoro e ho sviluppato una sorgente di corrente costante 20 V -> 38 V PWM per pilotare i miei LED di potenza (potenza massima di circa 64 W). Fin qui tutto bene. Tuttavia, ho quasi ucciso termicamente un LED fissandolo su un dissipatore di calore significativamente sottodimensionato ("per fortuna", i contatti del filo si sono dissaldati appena in tempo, interrompendo il processo).

Ora sto prendendo in considerazione le opzioni di raffreddamento. Volendo evitare il raffreddamento attivo (ovvero il ronzio di una ventola), stavo considerando la via d'uscita "pigra" (dimensione lontana dalla finale, non ho ancora un candidato al dissipatore di calore ):

Vorrei montare il LED 19 x 19 mm direttamente su una barra o un profilo in alluminio. Ora sto già giocando con il software di simulazione termica, ma sembra esagerato (e finora, si blocca principalmente, inoltre ho molta teoria da recuperare). Così:

Esiste un noto modello analitico per la distribuzione del calore quando si collega una fonte di calore a potenza costante a un pezzo di metallo?
- in caso contrario, esiste un software di simulazione di riferimento? Finora sto giocando con Elmer.
La simulazione è la strada da percorrere qui o il raffreddamento passivo è dannoso per i LED da 60 W?

Dati (dal foglio dati LED ):

Resistenza termica della scatola di giunzione 0,8 K / W
19x19 mm
potenza nominale massima 64,2 W
potenza continua che sto pianificando di usare: 36,6 V · 0,72 A = 26,352 W

— Marcus Müller
fonte

ha sottolineato il fatto che non ho ancora la barra di metallo.

— Marcus Müller,

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Se i tuoi fili iniziano a dissaldarsi, potresti voler ripensarci sull'uso di ciò che è diventato di nuovo caldo. Le parti potrebbero essere state parzialmente ma permanentemente danneggiate.

— Albero

jep, considerato che, il LED interessato è ora quello riservato all'uso sperimentale, ma finora, per le esplosioni, la curva I / V dell'array LED è ancora ok

— Marcus Müller

Il calcolatore suggerito sembra supporre che il calore sia applicato uniformemente sulla piastra di base del dissipatore di calore. La tua fonte di calore è un punto 19x19mm. Dovresti usare almeno uno spargitore di calore in rame per avvicinarti all'efficienza calcolata del trasferimento di calore. Inoltre, affinché la convezione libera sia efficiente a delta ragionevole, la spaziatura delle alette dovrebbe essere di 7-8 mm, con un maggiore affondamento per l'area richiesta e la diffusione del calore è sempre più importante. Potresti prendere in considerazione i dissipatori di calore omnidirezionali, questo lavandino avrà ~ 2C / W dal riscaldatore da 1sq.inch alla convezione libera ambientale, micforg.co.jp/en/c_n80e.html

— Ale..chenski

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Se la mia comprensione è corretta, si desidera stimare la resistenza termica di un dissipatore di calore o di una lastra di materiale termicamente conduttivo all'ambiente, senza alcun flusso d'aria ( = convezione naturale ).

C'è un bel calcolatore online per i dissipatori rettangolari alettati che implementa il modello di convezione naturale per i dissipatori (una spiegazione più accademica e dettagliata del modello è qui ).

Ecco un esempio rilevante per il tuo problema di progettazione (dimensioni esterne 55x55x55mm, alette 10x1mm, spessore della piastra base 10mm e conduttanza di contatto piuttosto conservativa di 2000 W / m2ºC):

La temperatura sorgente risultante per la temperatura ambiente di 25 ° C e 26,35 W di calore che fluisce nel dissipatore di calore è di circa 110 ° C, il che significa che il dissipatore di calore avrebbe una resistenza termica di 3,23 ° C / W in condizioni di convezione naturale.

Sperimenta con la calcolatrice per trovare le dimensioni esterne più adatte al tuo design.

— Enric Blanco
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quale browser stai usando? Non riesco mai a far apparire alcuna Temperatura sorgente. Ah. Ha funzionato.

— Marcus Müller,

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Safari. Essere consapevoli del fatto che la calcolatrice è piuttosto esigente. Ad esempio: se la somma di tutti gli spazi e gli spessori delle alette non si sommano alla larghezza totale, il calcolatore rifiuterà silenziosamente di calcolare una temperatura della sorgente senza generare alcun codice di errore o avviso.

— Enric Blanco,

Devo ammettere che è molto complicato. Ho pensato che la formula fosse larghezza totale = N_fins * fin_width * (N_fins -1) * fin_spacing, ma non funziona

— Marcus Müller

ah aspetta, non piace nemmeno se H + tp non si somma esattamente

— Marcus Müller

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@Compreso per essere giusto, sono appena andato a leggere il codice sorgente dello script e ho capito le cose. Sembra anche che i browser moderni potrebbero sopprimere i meccanismi utilizzati per visualizzare gli avvisi, quindi non proprio colpa dello strumento

— Marcus Müller

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Sono stato su quella strada ma i simulatori costano troppo e hanno una ripida curva di apprendimento. Se non sei un ingegnere della dinamica termica potresti avere dei problemi a comprendere il gergo, l'ho fatto. Ho letto libri di testo sulla dinamica termica e tutti i tipi di carte di progettazione del dissipatore di calore e simulatori di dissipatori di calore.

Ti suggerisco di ottenere la barra di alluminio su metalli online $ 1,23 (0,125 x 1,5 x 12) (il 6061 T6511 è il meno costoso), montare il LED per farlo funzionare, mettere la barra in frigorifero. Portalo in una stanza umida dove si condensa. Quindi mettilo nel congelatore, mettilo al gelo, tiralo fuori e guardalo come si formano i cristalli di ghiaccio mentre si sciolgono mentre la barra si riscalda. Il risultato è simile all'output di un simulatore. Anche la vita reale è sorprendentemente accurata.

Inoltre non è uno sforzo sprecato, se fai la simulazione, hai ancora bisogno della barra per vedere quanto erano lontane le simulazioni.

Ma il problema è che entro circa un'ora finirai con una barra di alluminio molto calda quasi calda come il LED. Ma non hai bisogno di molto flusso d'aria con una grande superficie. Una barra di alluminio a $ 1,23 o meno per piede è un dannato dissipatore di calore economico.

Neanche a me piacciono i fan. Questo è molto silenzioso perché si muove solo 13 CFM a 12VDC, 30,3 dB, 2300 RPM ma è stato efficace.

36 V 2,4 Amp max.
Modello mostrato solo su un lato, in realtà era simmetrico.

Misurazione della parte posteriore della temperatura.

Corrente abbassata e diffusa.

— Frainteso
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questa è un'ottima idea per l'osservazione della diffusione della temperatura! Grande! Non negli Stati Uniti, quindi quel negozio non mi sarà utile, ma troverò una barra Alu (di dimensioni metriche: D) localmente e lo farò.

— Marcus Müller,

Sono andato al raffreddamento ad acqua. Quello che ho ottenuto da quell'esercizio che ho descritto è stato lo spazio tra i COB. Ho potuto vedere fino a che punto il calore stava scendendo dalla barra del COB. E ho già acquistato un COB di prova aggiuntivo per quando (non se) questo non può più accettare l'abuso.

— Ho frainteso il

Il pompaggio di 2,4 A a una tensione diretta era di 39,5 V (102 watt), la temperatura della barra direttamente sotto il LED era di circa 42,5 ° C quando stabilizzata dopo 20 minuti ed era la stessa 10 minuti dopo.

— Ho frainteso il

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La buona notizia: esiste davvero un semplice modello matematico abbastanza accurato.

Fondamentalmente puoi modellare la maggior parte dei problemi termici come un semplice circuito elettrico:

Potenza termica = corrente elettrica
Differenza di temperatura termica = tensione elettrica
Resistenza termica = resistenza elettrica
Massa termica = condensatore elettrico

Il tuo caso è ancora più semplice: poiché non ti preoccupi delle costanti di tempo, non devi preoccuparti della massa termica.

Quindi il tuo modello dovrebbe apparire così

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

Dove

R1: resistenza termica dalla giunzione LED alla superficie di montaggio LED
R2: resistenza termica per il collegamento da LED ad Al
R3: resistenza termica dall'aria all'aria ambiente

Sono tutti in serie, quindi puoi semplicemente aggiungerli. Se hai R1 = 1,2 K / W, R2 = 0,8 K / W e R3 = 0,1 K / W la resistenza totale sarebbe 2,1 K / W. Per 40 W di calore dissipato la tua giunzione LED sarebbe a 2,1 K / W * 40 W = 84 Kelvin (o Celsius) sopra la temperatura ambiente. A 25 ° C la giunzione sarebbe a 109 ° C.

Le cattive notizie: i dati necessari per modellarlo sono notoriamente difficili da prevedere

Sono necessarie tre resistenze termiche e la temperatura di giunzione LED massima consentita.

Se sei fortunato puoi trovare R1 e la temperatura massima per il LED nella scheda tecnica.
R2 è molto complicato, poiché dipende dal materiale esatto, dalla forma esatta, dalla quantità di planarità, dai trattamenti esatti della superficie sia della superficie di montaggio che della barra in alluminio. Anche il colore e i dettagli del processo di anodizzazione dell'alluminio contano qui.
R3: SE la barra è ragionevolmente grande, dovrebbe essere piuttosto piccola

Cosa fare dipende dalle capacità di misurazione che hai. In generale, ciò ha buone probabilità di funzionare. Assicurati che il LED sia saldamente collegato alla barra AL e metti un cuscinetto termico o della pasta termica sulla connessione.

Tocca la barra: dovrebbe essere notevolmente più calda molto vicino al LED. In caso contrario, ciò significa che non si sta trasferendo calore nella barra e la connessione termica non va bene. Se l'intera barra risulta calda o addirittura calda, non si ottiene abbastanza accoppiamento termico con l'ambiente. Considera più superficie per la barra.

— Hilmar
fonte

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Quindi, sì, modellare R3 è esattamente il problema! R1 è (ovviamente) indicato nella scheda tecnica; R2 è un aspetto interessante, anche se ho pianificato di mantenerlo al di sotto di 5K / W con montaggio a pressione e pasta termica. Tuttavia, come detto nella mia domanda, non ho ancora una barra su cui misurare, quindi mentre desideravo che questa fosse una risposta alla mia domanda, non lo è.

— Marcus Müller,

Mi piace quel tocco al bar. Funziona molto meglio delle formule. Continuerei ad aumentare la corrente, aspetterei un'ora per stabilizzare le cose, misurare la temperatura sul retro, quindi aumentare la corrente, ripetere. Hai ottenuto il mio voto.

— Ho frainteso il

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Un LED da 60 W rappresenta una sfida termica perché la fonte di calore è piccola e molto potente. Pertanto, avrai bisogno di metallo spesso per diffondere lateralmente il calore in un dissipatore abbastanza grande.

Questo è simile a un PC desktop per PC: piccola superficie, molta potenza. Molti dissipatori di calore per PC desktop utilizzano tubi di calore per risolvere il problema di diffusione del calore. Un dissipatore di calore per PC senza ventole dovrebbe funzionare.

Tuttavia, questo non risolve il tuo altro problema, ovvero che un LED da 60 W è una fonte di punti molto luminosi e non è l'ideale per l'illuminazione sul posto di lavoro. Sarà accecantemente luminoso e proietterà ombre dure.

Puoi risolvere entrambi i problemi usando le strisce LED in questo modo:

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

Ho usato questi in un progetto:

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

Vengono su un PCB in metallo e la striscia può essere tagliata in singoli LED. Li ho poi incollati su profili a L in alluminio usando resina epossidica termicamente conduttiva (un LED ogni 10 cm).

La diffusione dei LED che generano calore su una lunghezza del profilo in alluminio consente un raffreddamento molto più semplice e genera una luce più piacevole.

MODIFICARE

OK, lascia andare con il LED 60W.

Suppongo che sia rivolto verso il basso. Volete che le alette del dissipatore di calore siano verticali per una convezione ottimale. Questo punta verso questo tipo di fattore di forma:

Link Link

Se si utilizza un dissipatore di calore piatto, è necessario montare il LED su uno spesso quadrato di alluminio, quindi montarlo su un dissipatore di calore.

Poiché il tuo problema è diffondere il calore generato da una piccola fonte, puoi anche utilizzare tubi di calore piatti:

Link Link

— peufeu
fonte

Anche se apprezzo la stima, ho i diffusori in posizione, oltre a una sana distanza tra la sorgente luminosa e il piano scrivania :)

— Marcus Müller

La tua modifica non risponde ancora alla mia domanda, scusa.

— Marcus Müller,

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C'è Lisa, uno strumento di analisi agli elementi finiti che è gratuito almeno per i modelli che hanno max. circa 1000 nodi.

La simulazione è difficile, ha bisogno di una profonda comprensione ed è basata su ipotesi sulle condizioni al contorno. Test reali, se sicuri e possibili, sono migliori. Se hai già il candidato principale e del dissipatore di calore, puoi provarlo. Eseguilo a un livello di potenza noto, ma sicuro, lascia che raggiunga l'equilibrio (= nessun aumento di temperatura più misurabile) e memorizza quella temperatura finale. È necessario disporre di attrezzature adeguate per le misurazioni. La differenza di temperatura tra il led e l'ambiente è direttamente proporzionale alla potenza dissipata. Ovviamente non puoi entrare nel led finché non usi te stesso come sensore. Il produttore può eventualmente fornire alcuni dati utili sulla relazione tra tensione diretta, corrente e temperatura.

Ma puoi anche misurare al confine tra il led e il dissipatore di calore. È sicuramente disponibile la resistenza termica tra quel punto e il semiconduttore o i limiti di temperatura consentiti sono indicati direttamente come temperature al bordo del dissipatore di calore.

Se l'aumento di temperatura a 10 W è pari a 1/3 dell'incremento consentito, è possibile avere al massimo la dissipazione = 30W.

Si noti che in un armadio anche la temperatura ambiente aumenta e che deve essere presa in considerazione. Un altro dispositivo di riscaldamento adiacente deve anche essere preso in considerazione. Riscalda l'ambiente e irradia anche calore. Vedi ora e probabilmente hai già saputo che il design termico è un'area piena di sfide e trappole.

ADDENDUM: il problema è interessante. Avevo dato per scontato che il montaggio su una piastra di alluminio risolve il problema di calore con i led. Alcuni rapidi calcoli hanno mostrato che nessun piatto sottile lo inchioderà. La dissipazione è la stessa di un amplificatore audio da 100 W per uno dei 2 transistor di uscita, quindi sono necessari i dissipatori di calore simili. Le loro prestazioni soffrono drasticamente se la polvere li ostruisce. Ricorda di sminuire la normale pulizia come condizione per la garanzia o di realizzare dissipatori di calore di grandi dimensioni.

— user287001
fonte

no, nessun candidato al dissipatore di calore ancora! Il punto è che mi piacerebbe sapere prima di ordinare metri di alluminio. La resistenza termica è nota, in effetti, ma le ipotesi di linearità (x volte potenza in -> x volte più alta deltaT) sembrano rompersi per la distribuzione del calore in un volume - o no? Ho sempre pensato che il modello di resistenza termica fosse appena applicato entro limiti ravvicinati.

— Marcus Müller,

Questo è per lo più giusto, ma la convezione passiva dovuta al riscaldamento del dissipatore di calore non è lineare. Fortunatamente questo funziona a tuo vantaggio. Fai tutto come se la temperatura del LED salisse sopra le scale ambientali in modo lineare con la temperatura, e la convezione extra alle alte temperature ti dà un piccolo margine.

— Olin Lathrop

@ MarcusMüller il commentatore Olin significa che il calore fa fluire l'aria. Questo a bassi livelli di potenza può essere piuttosto laminare e il flusso d'aria diminuisce la resistenza termica totale. Finalmente ad alti livelli sarà così turbolento che la sua efficienza diventerà praticamente imprevedibile. Ma ha ragione.

— user287001

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@ MarcusMüller non c'è contraddizione tra la distribuzione della temperatura non uniforme e la legge x volte potenza => x volte delta T. La formula si applica comunque per ogni punto separatamente.

— user287001

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@ MarcusMüller Hai avuto l'idea di non acquistare una pila di alluminio fino a quando non sai che funziona bene. Quindi prendi un pezzo più piccolo - quello a led e fai il test.

— user287001

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Per darti un'idea di cosa ti trovi di fronte con un dissipatore di calore passivo. Cree ha realizzato un progetto di riferimento in sostituzione di una lampada HPS da 1000 W.

L'apparecchio è composto da quattro "motori" . Ogni motore da 130 Watt è 11,25 "x 7,25" x 2,5 ". Che è sostanzialmente la dimensione del dissipatore di calore.

Il dissipatore di calore utilizzato è un Aavid Black Anodized P / N 62625

Prezzo stimato (solo per dissipatore di calore) $ 450

Sono $ 3,46 per Watt.

Per i tuoi 64 Watt sarebbe $ 222.

Il costo di $ 450 si basa su un codice Aavid anodizzato nero 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ")

E un Aavid 701652 1,78 "x 12" x 48 "era $ 431.

Ogni motore è composto da 48 LED che spingono 130 watt .

Avresti bisogno di un dissipatore di calore solo la metà di queste dimensioni. Questo dissipatore di calore è 11,25 "x 7,25" x 2,28 "

— Frainteso
fonte

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Dai un'occhiata al post sul blog "Come progettare un dissipatore di calore a piastra" http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Fornisce una spiegazione dettagliata di come calcolare la resistenza termica di una piastra metallica utilizzata come dissipatore di calore. Credo che puoi anche ottenere un foglio di calcolo che esegue i calcoli se dai loro il tuo indirizzo email.

In sostanza, è necessario determinare la resistenza alla radiazione e alla convezione naturale dalle superfici esterne, quindi determinare la resistenza termica di conduzione. Aggiungi i tre insieme in base al circuito termico mostrato di seguito:

dove:

Rconv è la resistenza di convezione esterna

Rrad è la resistenza alle radiazioni esterne

Rsp è la resistenza alla diffusione

Rint / Rcont è la resistenza di contatto o di interfaccia

Rth-jc è il caso della resistenza di giunzione del LED

Ts è la temperatura superficiale del dissipatore di calore

Tj è la temperatura di giunzione del LED

Le equazioni per Rconv e Rrad sono abbastanza coinvolte e sono spiegate in dettaglio nel post del blog.

— Mario
fonte

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Un semplice simulatore di spezie lo farà: è proprio come un condensatore che viene scaricato.

— dannyf
fonte

scusa, non lo vedo. Quello che sto chiedendo è fondamentalmente un modo per derivare i parametri del modello (ad esempio la resistenza termica) dalla geometria e dalle proprietà del materiale del mio dissipatore di calore. Stai dicendo "certo, un analizzatore di rete elettrica lineare lo farà". Temo che non sia così. Sto cercando i valori da inserire in un "circuito equivalente", non per il circuito.

— Marcus Müller,

@ MarcusMüller All'inizio ho dato la colpa a questa risposta alla lezione di Junkmail nella mia mente, ma ha un'idea. La distribuzione della temperatura in un'asta lunga sarebbe una funzione esponenziale decrescente. La variabile non è il tempo ma la distanza dal led. La costante di tempo deve essere sostituita dalla costante di lunghezza di diffusione termica. Sfortunatamente questo fatto abbastanza vero non può essere di grande aiuto in questa fase.

— user287001