Modelando la transferencia de calor desde el LED de encendido a la barra de metal

Si entiendo bien, desea estimar la resistencia térmica de un disipador térmico o una placa de material térmicamente conductor a ambiente, sin ningún flujo de aire ( = convección natural ).

Hay una buena calculadora en línea para disipadores de calor rectangulares con aletas que implementa la modelo de convección natural para disipadores (una explicación más académica y detallada del modelo es here ).

Este es un ejemplo relevante para su problema de diseño (dimensiones exteriores de 55x55x55mm, aletas de 10x1mm, grosor de la placa de base de 10mm y una conductancia de contacto bastante conservadora de 2,000 W / m2ºC):

La temperatura de la fuente resultante para 25ºC de temperatura ambiente y 26.35 W de calor que fluye hacia el disipador térmico es de aproximadamente 110ºC, lo que significa que el disipador térmico tendría una resistencia térmica de 3.23 ºC / W en condiciones de convección natural.

Experimenta con la calculadora para encontrar las dimensiones exteriores que mejor se adapten a tu diseño.

He recorrido ese camino, pero los simuladores cuestan demasiado y tienen una curva de aprendizaje abrupta. Si no eres un ingeniero de dinámica térmica, es posible que tengas algunos problemas para entender la jerga. Leo libros de texto sobre dinámica térmica y todo tipo de documentos de diseño de disipadores de calor y simuladores de disipadores de calor.

Le sugiero que obtenga la barra de aluminio en los metales en línea $ 1.23 (0.125 x 1.5 x 12) (el 6061 T6511 es el menos costoso), monte el LED para que funcione, ponga la barra en el refrigerador. Llévalo a una habitación húmeda donde se condense. Luego, póngalo en el congelador, enfríelo, extiéndalo, enciéndalo y observe los patrones que hacen los cristales de hielo cuando se derriten a medida que la barra se calienta. El resultado es similar a la salida de un simulador. La vida real también es sorprendentemente precisa.

Además, no es un esfuerzo inútil, si haces la simulación, todavía necesitas la barra para ver qué tan lejos estaban las simulaciones.

Pero el problema es que dentro de aproximadamente una hora terminarás con una barra de aluminio muy caliente casi tan caliente como el LED. Pero no necesitas mucho flujo de aire con una gran superficie. Una barra de aluminio a $ 1.23 o menos por pie es un disipador de calor muy barato.

Tampoco me gustan los fans. Este es muy silencioso porque solo se mueve 13 CFM @ 12VDC, 30.3 dB, 2300 RPM pero fue efectivo.

36V 2.4 Amp max.
El patrón se muestra solo en un lado, en realidad era simétrico.

Medir la parte trasera de la temperatura.

Lacorrientehadisminuidoysehadifundido.

La buena noticia: De hecho, existe un modelo matemático simple que es bastante preciso.

Básicamente, puede modelar la mayoría de los problemas térmicos como un simple circuito eléctrico:

1. Potencia térmica = Corriente eléctrica
2. Diferencia de temperatura térmica = voltaje eléctrico
3. resistencia térmica = resistencia eléctrica
4. Masa térmica = Condensador eléctrico

Su caso es aún más simple: ya que no le preocupan las constantes de tiempo, no necesita preocuparse por la masa térmica.

Para que tu modelo se vea así

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

Donde

• R1: resistencia térmica desde la unión del LED a la superficie de montaje del LED
• R2: resistencia térmica para la conexión de LED a Al
• R3: resistencia térmica del Al al aire ambiente

Todos están en serie, así que simplemente puedes sumarlos. Si tiene R1 = 1.2K / W, R2 = 0.8K / W y R3 = 0.1 K / W su resistencia total sería 2.1K / W. Para 40W de calor disipado, su unión LED estaría a 2.1K / W * 40W = 84 Kelvin (o Celsius) por encima de la temperatura ambiente. A 25 ° C, el cruce estaría a 109 ° C.

Las malas noticias: Los datos que necesita para modelar esto son muy difíciles de predecir

Necesitará tres resistencias térmicas y la temperatura máxima permitida de la unión de LED.

1. Si tiene suerte, puede encontrar R1 y la temperatura máxima para el LED en el ficha de datos.
2. R2 es muy complicado, ya que depende del material exacto, el exacto     forma, la cantidad de planitud, los tratamientos superficiales exactos de ambos     Su superficie de montaje y la barra de Al. Incluso el color y los detalles de     El proceso de anodización del aluminio sí importa aquí.
3. R3: si la barra es razonablemente grande, debería ser bastante pequeña

Qué hacer depende de las habilidades de medición que tengas. En general esto tiene una buena posibilidad de trabajar. Asegúrese de que el LED esté firmemente conectado a la barra AL y coloque una almohadilla térmica o un poco de pasta de calor en la conexión.

Toque la barra: debería estar notablemente más caliente muy cerca del LED. Si no, eso significa que no está transfiriendo calor a la barra y la conexión térmica no es buena. Si toda la barra se siente cálida o incluso caliente, no está obteniendo suficiente acoplamiento térmico al ambiente. Considere más área de superficie para la barra.

Un LED de 60W es un desafío térmico porque la fuente de calor es pequeña y muy potente. Por lo tanto, necesitará un metal grueso para distribuir el calor lateralmente en un disipador de calor lo suficientemente grande.

Esto es similar a una CPU de computadora de escritorio: área de superficie pequeña, mucha potencia. Muchos disipadores de calor de PC de escritorio utilizan tubos de calor para resolver el problema de la propagación del calor. Un disipador de calor para PC sin ventilador debería funcionar.

Sin embargo, esto no resuelve su otro problema, ya que un LED de 60 W es una fuente puntual muy brillante y no es ideal para la iluminación del lugar de trabajo. Será deslumbrantemente brillante y proyectará sombras ásperas.

Puedes resolver ambos problemas usando tiras de LED como esta:

enlace

Los utilicé en un proyecto:

enlace

Vienen en una PCB de metal y la tira se puede cortar en LED individuales. Luego los pegué en los perfiles en L de aluminio usando epoxi conductor térmico (un LED cada 10 cm).

Extender los LED generadores de calor a lo largo de un perfil de aluminio permite un enfriamiento mucho más fácil y genera una luz más agradable.

EDIT

OK, vamos con el LED de 60W.

Supongo que está apuntando hacia abajo. Desea que las aletas del disipador de calor sean verticales para una convección óptima. Esto apunta hacia este tipo de factor de forma:

enlace Enlace

Si usa un disipador de calor plano, deberá montar el LED en un cuadrado de aluminio grueso y luego montarlo en un disipador de calor.

Debido a que su problema es la disipación del calor generado por una fuente pequeña, también puede usar tuberías de calor planas:

Enlace Link

Hay Lisa, una herramienta de análisis de elementos finitos que es gratuita al menos para los modelos que tienen max. alrededor de 1000 nodos.

La simulación es difícil, necesita una comprensión profunda y se basa en suposiciones sobre las condiciones de los límites. Pruebas reales, si son seguras y posibles son mejores. Si ya tiene el candidato de led y el disipador de calor, puede intentarlo. Ejecútelo a un nivel de potencia conocido, pero seguro, deje que alcance el equilibrio (= no hay aumento de temperatura más medible) y almacene esa temperatura final. Debes tener el equipo adecuado para las mediciones. La diferencia de temperatura entre el led y el ambiente es directamente proporcional a la potencia disipada. Por supuesto, no puede entrar en el led hasta que se utilice como sensor. El fabricante posiblemente puede proporcionar algunos datos útiles de la relación entre el voltaje directo, la corriente y la temperatura.

Pero también se puede medir en el borde entre el led y el disipador de calor. Seguramente hay disponible la resistencia térmica entre ese punto y el semiconductor o los límites de temperatura permitidos se indican directamente como temperaturas en el borde del disipador térmico.

Si su aumento de temperatura a 10W es, por ejemplo, 1/3 del aumento permitido, puede tener la máxima disipación = 30W.

Tenga en cuenta que, en un gabinete, la temperatura ambiente también aumenta y debe tenerse en cuenta. También se debe tener en cuenta otro dispositivo de calefacción adyacente. Calienta el ambiente y también irradia calor. Ya ve y probablemente ya sepa que el diseño térmico es un área llena de desafíos y trampas.

ADDENDUM: El problema es interesante. Había dado por sentado que el montaje en una placa de aluminio resuelve el problema del calor con los leds. Algunos cálculos rápidos mostraron que ningún plato delgado lo clavará. La disipación es bastante similar a la de un amplificador de audio de 100 vatios por cada uno de los 2 transistores de salida, por lo que se necesitan los disipadores de calor tipo samel. Su rendimiento sufre drásticamente si el polvo los obstruye. Recuerde demadir la limpieza regular como condición para la garantía o hacer disipadores térmicos demasiado grandes.

Para darte una idea de lo que te enfrentas con un disipador de calor pasivo. Cree hizo un diseño de referencia como un reemplazo para una lámpara de 1000W HPS.

El aparato se compone de cuatro "motores" . Cada motor de 130 vatios tiene 11.25 "x 7.25" x 2.5 ". Este es básicamente el tamaño del disipador de calor.

EldisipadordecalorutilizadoesunN/P62625anodizadoAavidBlack

Precioestimado(soloparaeldisipadordecalor)$450

Esoes$3.46porvatio.

Paratus64vatios,esosería$222.

Elcostode$450sebasaenun Aavid Black Anodized P / N 627252 (2.28 "x 9.75" x 55 ")

Y un Aavid 701652 1.78 "x 12" x 48 "costaba $ 431.

Cada motor está formado por 48 LED que presionan 130 vatios .

Necesitarías un disipador de calor de solo la mitad de este tamaño. Este disipador es de 11.25 "x 7.25" x 2.28 "

Consulte la publicación del blog 'Cómo diseñar un disipador de calor de placa plana' enlace . Proporciona una explicación detallada de cómo calcular la resistencia térmica de una placa metálica utilizada como disipador de calor. Creo que también puede obtener una hoja de cálculo que haga los cálculos si les da su dirección de correo electrónico.

Esencialmente necesita determinar la resistencia a la radiación y la convección natural de las superficies externas y luego determinar la resistencia térmica de la conducción. Sume los tres según el circuito térmico que se muestra a continuación:

donde:

Rconv es la resistencia de convección externa

Rrad es la resistencia a la radiación externa

Rsp es la resistencia a la propagación

Rint / Rcont es la resistencia de contacto o interfaz

Rth-jc es el caso de la resistencia de unión del LED

Ts es la temperatura de la superficie del disipador de calor

Tj es la temperatura de la unión LED

Las ecuaciones para Rconv y Rrad están bastante involucradas y se explican en detalle en la publicación del blog.

Un simulador de especias simple hará esto: es como un condensador que se está descargando.