Memodelkan perpindahan panas dari LED Daya ke batang logam

10

Saya bermain-main dengan penerangan tempat kerja dan telah mengembangkan sumber arus konstan 20 V -> 38 V PWM'able untuk menggerakkan LED daya saya (daya maksimum sekitar 64W). Sejauh ini baik. Namun, saya hampir secara termal membunuh satu LED dengan memperbaikinya pada heat sink yang berukuran sangat kecil ("untungnya", kontak kawat dibuka sendiri tepat waktu, menghentikan proses).

Sekarang, saya sedang mempertimbangkan opsi pendinginan. Ingin menghindari pendinginan aktif (yaitu senandung kipas), saya sedang mempertimbangkan jalan keluar "malas" (dimensi jauh dari final, saya belum memiliki kandidat heatsink ):

Saya ingin memasang LED 19 x 19 mm langsung ke panel atau profil aluminium. Sekarang, saya sudah bermain-main dengan perangkat lunak simulasi termal, tetapi itu tampaknya di atas (dan sejauh ini, sebagian besar crash, ditambah saya punya banyak teori untuk mengejar ketinggalan). Begitu:

Apakah ada model analitik yang terkenal untuk distribusi panas saat memasang sumber panas berdaya konstan ke sepotong logam?
- jika tidak, apakah ada perangkat lunak simulasi masuk? Sejauh ini, saya bermain dengan Elmer.
Apakah simulasi cara untuk pergi di sini, sama sekali, atau pendinginan pasif terkutuk untuk 60W LED?

Data (dari lembar data LED ):

Perlawanan Termal Persimpangan-Kasus 0,8 K / W
19x19 mm
nilai maksimum daya 64.2 W
kekuatan berkelanjutan yang saya rencanakan untuk digunakan: 36.6 V · 0.72 A = 26.352 W

— Marcus Müller
sumber

menyoroti fakta bahwa saya belum memiliki batang logam.

— Marcus Müller

2

Jika kabel Anda mulai lepas sendiri, Anda mungkin ingin memikirkan lagi untuk menggunakan apa pun yang menjadi panas kembali. Komponen mungkin rusak sebagian tetapi permanen.

— Tiang

jep, menganggap bahwa, LED yang terpengaruh sekarang adalah yang disediakan untuk penggunaan eksperimental, tetapi sejauh ini, untuk semburan, kurva I / V dari array LED masih ok

— Marcus Müller

Kalkulator yang disarankan tampaknya mengasumsikan bahwa panas diterapkan secara merata ke pelat dasar pendingin. Sumber panas Anda adalah titik 19x19mm. Anda harus menggunakan penyebar panas tembaga setidaknya, untuk mendekati efisiensi perpindahan panas yang dihitung. Juga, agar konveksi bebas menjadi efisien pada delta yang masuk akal, jarak sirip harus 7-8mm, dengan mengarah ke wastafel yang lebih besar untuk area yang dibutuhkan, dan penyebaran panas menjadi semakin penting. Anda mungkin ingin mempertimbangkan heat sink omnidirectional, sink ini akan memiliki ~ 2C / W dari pemanas 1sq.inch hingga konveksi bebas sekitar, micforg.co.jp/en/c_n80e.html

— Ale..chenski

7

Jika pemahaman saya benar, Anda ingin memperkirakan resistansi termal dari heatsink atau lempengan material konduktif termal ke sekitar, tanpa aliran udara apa pun ( = konveksi alami ).

Ada kalkulator online yang bagus untuk heatsink persegi panjang bersirip yang mengimplementasikan model konveksi alami untuk heatsink (penjelasan lebih rinci tentang model ini ada di sini ).

Berikut adalah contoh yang relevan dengan masalah desain Anda (dimensi luar 55x55x55mm, sirip 10x1mm, tebal pelat dasar 10mm, dan konduktansi kontak 2.000 W / m2ºC yang agak konservatif):

Suhu sumber yang dihasilkan untuk suhu sekitar 25ºC dan panas 26,35 W yang mengalir ke heatsink adalah aprox 110ºC, yang berarti bahwa heatsink akan memiliki ketahanan termal 3,23 ºC / W dalam kondisi konveksi alami.

Percobaan dengan kalkulator untuk menemukan dimensi luar yang paling sesuai dengan desain Anda.

— Enric Blanco
sumber

browser mana yang kamu gunakan? Saya tidak pernah bisa membuat Suhu Sumber muncul. Ah. Berhasil.

— Marcus Müller

2

Safari. Ketahuilah bahwa kalkulator ini sangat pemilih. Misalnya: jika jumlah semua ruang sirip dan ketebalan sirip Anda tidak menambah lebar total, maka kalkulator akan secara diam-diam menolak untuk menghitung suhu sumber tanpa membuang kode kesalahan atau peringatan.

— Enric Blanco

Saya harus mengakui itu sangat sulit. Saya pikir rumusnya adalah total width = N_fins * fin_width * (N_fins -1) * fin_spacing, tetapi itu tidak berhasil

— Marcus Müller

ah tunggu, itu tidak suka jika H + tp tidak tepat dijumlahkan, baik

— Marcus Müller

3

@Misunderstood agar adil, saya hanya pergi dan membaca kode sumber skrip, dan menemukan jawabannya. Juga tampaknya peramban modern mungkin menekan mekanisme yang digunakan benda itu untuk menampilkan peringatan, jadi bukan kesalahan alat itu

— Marcus Müller

5

Saya sudah menyusuri jalan itu tetapi simulator harganya terlalu mahal dan memiliki kurva belajar yang curam. Jika Anda bukan seorang insinyur dinamika termal Anda mungkin memiliki beberapa masalah memahami jargon, saya lakukan. Saya membaca buku teks tentang dinamika termal dan segala macam kertas desain heat sink dan simulator heatsink.

Saya sarankan Anda mendapatkan bar aluminium di logam online $ 1,23 (0,125 x 1,5 x 12) (6061 T6511 adalah yang paling murah), pasang LED membuatnya bekerja, letakkan bar di lemari es. Bawa keluar ke ruang lembab tempat kondensat. Kemudian masukkan ke dalam freezer, dinginkan, keluarkan, dan perhatikan pola kristal es yang terbentuk saat mereka mencair saat batang memanas. Hasilnya mirip dengan output dari simulator. Kehidupan nyata juga sangat akurat.

Selain itu bukan usaha yang sia-sia, jika Anda melakukan simulasi, Anda masih memerlukan bilah untuk melihat seberapa jauh simulasi itu.

Tetapi masalahnya adalah Anda akan dalam satu jam atau lebih berakhir dengan batang aluminium yang sangat panas hampir sama panasnya dengan LED. Tetapi Anda tidak perlu banyak aliran udara dengan permukaan yang besar. Bar aluminium @ $ 1,23 atau kurang per kaki adalah heat sink murah.

Saya juga tidak suka penggemar. Yang ini sangat sepi karena hanya bergerak 13 CFM @ 12VDC, 30,3 dB, 2300 RPM tetapi efektif.

36V 2,4 Amp maks.
Pola yang ditampilkan hanya di satu sisi, sebenarnya simetris.

Mengukur suhu bagian belakang.

Arus berbalik menurun dan menyebar.

— Disalahpahami
sumber

2

itu ide yang bagus untuk pengamatan difusi suhu! Bagus! Tidak di AS, jadi toko itu tidak akan berguna bagi saya, tetapi saya akan menemukan bar (ukuran metrik: D) Alu secara lokal dan melakukan ini.

— Marcus Müller

Saya pergi ke pendingin air. Apa yang saya dapatkan dari latihan yang saya jelaskan itu, adalah jarak antar COB. Saya bisa melihat seberapa jauh panas turun dari COB. Dan saya sudah membeli COB tes tambahan untuk saat (tidak jika) yang satu ini tidak lagi dapat mengambil penyalahgunaan.

— Kesalahpahaman

Memompa 2,4 Amp tegangan maju 39,5V (102 Watt) suhu batang langsung di bawah LED adalah sekitar 42,5 ° C ketika distabilkan setelah 20 menit dan sama 10 menit kemudian.

— Kesalahpahaman

2

Berita baiknya: Memang ada model matematika sederhana yang cukup akurat.

Pada dasarnya Anda dapat memodelkan sebagian besar masalah termal sebagai rangkaian listrik sederhana:

Daya Thermal = Arus Listrik
Perbedaan Suhu Termal = Tegangan Listrik
Resistansi Termal = Resistor Listrik
Massa Termal = Kapasitor Listrik

Kasus Anda bahkan lebih sederhana: karena Anda tidak peduli dengan konstanta waktu Anda tidak perlu khawatir tentang massa termal.

Jadi model Anda akan terlihat seperti ini

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

Dimana

R1: tahan panas dari persimpangan LED ke permukaan pemasangan LED
R2: tahan panas untuk koneksi LED ke Al
R3: ketahanan termal dari Al ke Udara sekitar

Semuanya dalam seri sehingga Anda bisa menambahkannya. Jika Anda memiliki R1 = 1.2K / W, R2 = 0.8K / W dan R3 = 0.1 K / W total perlawanan Anda akan 2.1K / W. Untuk 40W panas yang hilang persimpangan LED Anda akan berada pada 2.1K / W * 40W = 84 Kelvin (atau Celsius) di atas suhu sekitar. Pada 25C ambient persimpangan akan berada di 109C.

Berita buruknya: Data yang Anda butuhkan untuk model ini terkenal sulit diprediksi

Anda akan membutuhkan tiga resistensi termal dan suhu sambungan LED maksimum yang diijinkan.

Jika Anda beruntung, Anda dapat menemukan R1 dan suhu maksimum untuk LED di lembar data.
R2 sangat rumit, karena itu tergantung pada bahan yang tepat, bentuk yang tepat, jumlah kerataan, perawatan permukaan yang tepat dari kedua permukaan pemasangan Anda dan bar Al. Bahkan warna dan detail proses anodisasi dari Aluminium memang penting di sini.
R3: JIKA bilah cukup besar, itu harus cukup kecil

Apa yang harus dilakukan tergantung pada kemampuan pengukuran yang Anda miliki. Secara umum ini memiliki peluang bagus untuk bekerja. Pastikan bahwa LED terpasang dengan kuat ke bar AL dan letakkan panel termal atau pasta panas pada koneksi.

Sentuh bilah: itu seharusnya terasa lebih hangat sangat dekat dengan LED. Jika tidak, itu berarti Anda tidak mendapatkan panas yang ditransfer ke bar dan koneksi termal tidak baik. Jika seluruh bilah terasa hangat atau bahkan panas, Anda tidak mendapatkan sambungan termal yang cukup ke lingkungan. Pertimbangkan lebih banyak area permukaan untuk bilah.

— Hilmar
sumber

1

Jadi, yeah, memodelkan R3 adalah masalahnya! R1 diberikan (tentu saja) dalam lembar data; R2 adalah aspek yang menarik, meskipun saya berencana untuk mempertahankannya di bawah 5K / W dengan pressure-mount dan heat paste. Namun, seperti yang dikatakan dalam pertanyaan saya, saya belum memiliki bar untuk mengukur, jadi sementara saya berharap ini adalah jawaban untuk pertanyaan saya, itu belum.

— Marcus Müller

Saya suka menyentuh bar. Bekerja jauh lebih baik daripada formula. Saya akan terus meningkatkan arus, menunggu satu jam untuk hal-hal untuk menstabilkan, mengukur suhu di sisi belakang, lalu naikkan arus, ulangi. Anda mendapat suara saya.

— Disalahpahami

2

Satu LED 60W merupakan tantangan termal karena sumber panasnya kecil dan sangat kuat. Oleh karena itu, Anda akan memerlukan logam tebal untuk menyebarkan panas ke lateral ke heatsink yang cukup besar.

Ini mirip dengan cpu PC desktop: luas permukaan kecil, banyak daya. Banyak heat sink PC desktop menggunakan pipa panas untuk mengatasi masalah penyebaran panas. Heatsink PC tanpa kipas harus bekerja.

Namun, ini tidak menyelesaikan masalah Anda yang lain, yaitu bahwa satu LED 60W adalah sumber titik yang sangat cerah, dan itu tidak ideal untuk penerangan di tempat kerja. Itu akan sangat terang dan akan memberikan bayangan yang keras.

Anda dapat menyelesaikan kedua masalah dengan menggunakan strip LED seperti ini:

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

Saya menggunakan ini dalam sebuah proyek:

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

Mereka datang pada PCB logam, dan strip dapat dipotong menjadi LED individu. Saya kemudian menempelkannya ke profil L aluminium menggunakan epoksi konduktif termal (satu LED setiap 10cm).

Menyebarkan LED penghasil panas pada profil aluminium yang panjang memungkinkan pendinginan yang lebih mudah, dan menghasilkan cahaya yang lebih menyenangkan.

EDIT

OK, mari kita pergi dengan LED 60W.

Saya kira itu menunjuk ke bawah. Anda ingin sirip pendingin menjadi vertikal untuk konveksi optimal. Ini menunjuk pada faktor bentuk semacam ini:

Tautan Tautan

Jika Anda menggunakan heat sink datar, Anda harus memasang LED pada persegi aluminium tebal, lalu pasang ini pada heat sink.

Karena masalah Anda adalah menyebarkan panas yang dihasilkan oleh sumber kecil, Anda juga bisa menggunakan pipa panas datar:

Tautan Tautan

— peufeu
sumber

Meskipun saya menghargai estimasi, saya memiliki difus di tempat, ditambah jarak yang sehat antara sumber cahaya dan atas meja :)

— Marcus Müller

Hasil edit Anda masih tidak menjawab pertanyaan saya, maaf.

— Marcus Müller

2

Ada Lisa, alat analisis elemen hingga yang setidaknya gratis untuk model yang memiliki maks. sekitar 1000 node.

Simulasi ini sulit, perlu pemahaman yang mendalam dan didasarkan pada asumsi tentang kondisi batas. Tes nyata, jika aman dan mungkin lebih baik. Jika Anda sudah memiliki kandidat yang dipimpin dan heatsink, Anda dapat mencobanya. Jalankan pada tingkat daya yang diketahui, tetapi aman, biarkan mencapai keseimbangan (= tidak ada kenaikan suhu yang lebih terukur) dan simpan suhu akhir itu. Anda harus memiliki peralatan yang tepat untuk pengukuran. Perbedaan suhu antara led dan ambient secara langsung propostional dengan daya yang hilang. Tentu saja Anda tidak bisa masuk ke dalam led sampai Anda menggunakan sendiri sebagai sensor Anda. Pabrikan mungkin dapat memberikan beberapa data yang berguna tentang hubungan antara tegangan maju, arus dan suhu.

Tapi kamu juga bisa mengukur di perbatasan antara led dan heatsink. Pasti ada tersedia hambatan termal antara titik itu dan semikonduktor atau batas suhu yang diizinkan secara langsung dikatakan sebagai suhu di perbatasan heatsink.

Jika kenaikan suhu Anda pada 10W adalah 1/3 dari kenaikan yang diizinkan, Anda dapat memiliki maksimum disipasi = 30W.

Perhatikan bahwa dalam kabinet suhu lingkungan juga naik dan itu harus diperhitungkan. Perangkat pemanas lain yang berdekatan juga harus dipertimbangkan. Itu menghangatkan suasana dan juga memancarkan panas. Anda lihat sekarang dan mungkin sudah tahu bahwa desain termal adalah area yang penuh dengan tantangan dan perangkap.

ADDENDUM: Masalahnya menarik. Saya telah menerima begitu saja bahwa pemasangan ke plat aluminium memecahkan masalah panas dengan led. Beberapa perhitungan cepat menunjukkan bahwa tidak ada pelat tipis yang akan memakukannya. Pembuangannya hampir sama dengan penguat audio 100W per salah satu dari 2 transistor keluaran, sehingga heatsink samelike diperlukan. Performa mereka akan berkurang secara drastis jika debu menyumbat mereka. Ingatlah untuk mengganti pembersihan rutin sebagai syarat untuk garansi atau membuat heatsink yang terlalu besar.

— pengguna287001
sumber

tidak, belum ada kandidat heatsink! Intinya adalah bahwa saya ingin tahu sebelum saya memesan meter alu. Resistensi termal memang diketahui, tetapi asumsi linearitas (x kali daya dalam -> x kali lebih tinggi deltaT) tampaknya memecah untuk distribusi panas dalam volume - atau tidak? Saya selalu berpikir model resistensi termal hanya diterapkan dalam batas dekat.

— Marcus Müller

Ini sebagian besar benar, tetapi konveksi pasif karena pemanasan heatsink adalah non-linear. Untungnya ini bermanfaat bagi Anda. Lakukan segalanya seolah-olah kenaikan temperture LED di atas skala lingkungan secara linear dengan suhu, dan konveksi ekstra pada suhu tinggi memberi Anda sedikit margin.

— Olin Lathrop

@ MarcusMüller, komentator Olin berarti panas membuat udara mengalir. Ini pada tingkat daya rendah bisa sangat berlapis dan aliran udara mengurangi resistansi termal total. Akhirnya pada level tinggi akan sangat bergejolak sehingga efisiensinya akan menjadi hampir tidak dapat diprediksi. Tapi dia benar.

— user287001

1

@ MarcusMüller tidak ada kontradiksi antara distribusi suhu tidak seragam dan hukum x kali daya => x kali delta T. Formula ini masih berlaku untuk setiap titik secara terpisah.

— user287001

1

@ MarcusMüller Anda punya ide untuk tidak membeli setumpuk aluminium sampai Anda tahu itu baik-baik saja. Kemudian dapatkan bagian yang lebih kecil - bagian yang dipimpin dan lakukan uji coba.

— user287001

1

Untuk memberi Anda gambaran tentang apa yang Anda hadapi dengan heatsink pasif. Cree membuat desain referensi sebagai pengganti Lampu HPS 1000W.

Fixture ini terdiri dari empat "mesin" . Setiap mesin 130 Watt adalah 11,25 "x 7,25" x 2,5 ". Yang pada dasarnya adalah ukuran heatsink.

Heatsink yang digunakan adalah Aavid Black Anodized P / N 62625

Perkiraan Harga (untuk Heatsink Saja) $ 450

Itu $ 3,46 per Watt.

Untuk 64 Watt Anda, itu akan menjadi $ 222.

Biaya $ 450 didasarkan pada Aavid Black Anodized P / N 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ")

Dan Aavid 701652 1,78 "x 12" x 48 "adalah $ 431.

Setiap Mesin terdiri dari 48 LED yang mendorong 130 Watt .

Anda hanya membutuhkan setengah dari ukuran heat sink ini. Heatsink ini adalah 11.25 "x 7.25" x 2.28 "

— Disalahpahami
sumber

1

Lihat posting blog 'Bagaimana merancang heat sink pelat datar' http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Ini memberikan penjelasan rinci tentang cara menghitung resistansi termal dari pelat logam yang digunakan sebagai heat sink. Saya percaya Anda juga bisa mendapatkan spreadsheet yang melakukan perhitungan jika Anda memberi mereka alamat email Anda.

Pada dasarnya Anda perlu menentukan radiasi dan ketahanan konveksi alami dari permukaan eksternal kemudian menentukan ketahanan termal konduksi. Tambahkan ketiga bersama-sama berdasarkan pada sirkuit termal yang ditunjukkan di bawah ini:

dimana:

Rconv adalah resistensi konveksi eksternal

Rrad adalah resistansi radiasi eksternal

Rsp adalah hambatan penyebaran

Rint / Rcont adalah resistansi kontak atau antarmuka

Rth-jc adalah kasus untuk resistensi persimpangan LED

Ts adalah suhu permukaan pendingin

Tj adalah suhu persimpangan LED

Persamaan untuk Rconv dan Rrad cukup terlibat dan dijelaskan secara rinci dalam posting blog.

— Mario
sumber

-1

Simulator bumbu sederhana akan melakukan ini: itu seperti kapasitor yang dikeluarkan.

— dannyf
sumber

maaf saya tidak melihatnya. Apa yang saya tanyakan pada dasarnya adalah cara untuk mendapatkan parameter model (misalnya ketahanan termal) dari geometri dan sifat material heat sink saya. Anda mengatakan "yakin, penganalisa jaringan listrik linier akan melakukan itu". Saya khawatir bukan itu masalahnya. Saya mencari nilai untuk dicolokkan ke "rangkaian ekivalen", bukan untuk rangkaian.

— Marcus Müller

@ MarcusMüller Saya awalnya menyalahkan jawaban ini ke kelas junkmail di pikiran saya, tetapi ia punya ide. Distribusi suhu dalam batang panjang akan menjadi fungsi eksponensial yang berkurang. Variabelnya bukan waktu tetapi jarak dari yang dipimpin. Konstanta waktu harus diganti dengan konstanta panjang difusi termal. Sayangnya fakta yang benar ini dos tidak menjadi bantuan besar dalam fase ini.

— user287001