Power LED에서 금속 막대로 열 전달 모델링

10

작업장 조명을 가지고 놀면서 20V –> 38V PWM 가능 정전류 소스를 개발하여 전원 LED (최대 약 64W)를 구동했습니다. 여태까지는 그런대로 잘됐다. 그러나 나는 하나의 LED를 상당히 작은 크기의 방열판에 고정시켜 열을 거의 죽였습니다 ( "행운", 전선 접점이 제 시간에 납땜되지 않아 프로세스가 중단됨).

이제 냉각 옵션을 고려하고 있습니다. 적극적인 냉각 (예 : 팬 허밍)을 피하고 싶을 때 "게으른"방법을 고려하고있었습니다 (최종 제품과 거리가 멀지 만 히트 싱크 후보는 아직 없습니다 ).

19 x 19 mm LED를 알루미늄 바 또는 프로파일에 직접 장착하고 싶습니다. 이제 열 시뮬레이션 소프트웨어로 이미 놀고 있지만 맨 위에 보입니다 (지금까지는 대부분 충돌하며 더 많은 이론을 가지고 있습니다). 그래서:

정 전력 열원을 금속 조각에 부착 할 때 열 분포에 대한 잘 알려진 분석 모델이 있습니까?
- 그렇지 않은 경우 시뮬레이션 소프트웨어가 있습니까? 지금까지 나는 엘머와 놀고 있습니다.
시뮬레이션이 여기로가는 길입니까, 아니면 60W LED에 대해 수동 냉각이 방해됩니까?

데이터 ( LED 데이터 시트에서 ) :

접합 케이스 열 저항 0.8 K / W
19x19mm
최대 정격 전력 64.2W
연속 전력 사용 계획 : 36.6 V · 0.72 A = 26.352W

— 마커스 ül 러
소스

아직 금속 막대가 없다는 사실을 강조했습니다.

— Marcus Müller

2

전선이 납땜 해제되기 시작하면 다시 뜨거워 진 것을 사용하는 것에 대해 다시 생각할 수 있습니다. 부품이 부분적이지만 영구적으로 손상되었을 수 있습니다.

— Marast

JEP, 영향을받는 LED는 현재 실험적인 사용을 위해 예약 된 하나이지만, 지금까지 버스트를 들어, LED 배열의 I / V 곡선은 여전히 괜찮다는 것을 고려

— 마커스 뮐러

제안 된 계산기는 열이 방열판 바닥 판에 고르게 적용되는 것으로 가정합니다. 열원은 19x19mm 지점입니다. 계산 된 열 전달 효율에 가까워 지려면 적어도 구리 열 분산기를 사용해야합니다. 또한, 합리적인 델타에서 자유 대류가 효율적이되도록하려면 핀 간격이 7-8mm 여야하며 필요한 영역의 싱크가 더 커지고 열 확산이 점점 더 중요합니다. 전 방향 방열판을 고려할 수도 있습니다.이 싱크는 1sq.inch 히터에서 주변 자유 대류까지 ~ 2C / W를 갖습니다. micforg.co.jp/en/c_n80e.html

— Ale..chenski

7

내 이해가 정확하면 공기 흐름 ( = 자연 대류 ) 없이 히트 싱크 또는 열 전도성 물질 슬래브의 주변에 대한 열 저항을 추정하려고합니다 .

방열판 에 대한 자연 대류 모델을 구현하는 핀형 직사각형 방열판에 대한 멋진 온라인 계산기 가 있습니다 ( 모델에 대한 보다 학문적이고 자세한 설명은 여기 참조 ).

다음은 설계 문제 (55x55x55mm 외부 치수, 10x1mm 핀,베이스 플레이트 두께 10mm 및 다소 보수적 인 2,000W / m2ºC 접촉 전도도)와 관련된 예입니다.

주변 온도 25ºC 및 히트 싱크에 26.35W의 열이 공급되는 결과 소스 온도는 약 110ºC이며, 이는 자연 대류 조건에서 히트 싱크의 열 저항이 3.23ºC / W임을 의미합니다.

설계에 가장 적합한 외부 치수를 찾기 위해 계산기를 시험해보십시오.

— 엔릭 블랑코
소스

어떤 브라우저를 사용하고 있습니까? 소스 온도를 표시 할 수 없습니다. 아 작동합니다.

— Marcus Müller

2

원정 여행. 계산기는 매우 까다 롭습니다. 예를 들어, 모든 핀 공간과 핀 두께의 합이 총 너비에 합산되지 않으면 계산기는 오류 코드 나 경고를 발생시키지 않고 소스 온도 계산을 자동으로 거부합니다.

— Enric Blanco

매우 까다 롭다는 것을 인정해야합니다. 나는 수식 폭 = N_fins * fin_width * (N_fins -1) * fin_spacing 총라고 생각하지만 작업 않습니다

— 마커스 뮐러

아이 H + 경우하지 않는 TP처럼 기다릴 정확히 까지 추가, 중

— 마커스 뮐러

3

@Misfair은 공정하다고 이해했지만 방금 스크립트의 소스 코드를 읽고 이해했습니다. 또한 현대적인 브라우저, 메커니즘 그렇게 정말 도구의 오류를 표시 경고에 일의 사용을 억누르고 될 수 있다는 것

— 마커스 뮐러

5

나는 그 길로 내려 갔지만 시뮬레이터 비용이 너무 많이 들고 가파른 학습 곡선이 있습니다. 열역학 엔지니어가 아닌 경우 전문 용어를 이해하는 데 문제가있을 수 있습니다. 열역학 및 모든 종류의 방열판 디자인 용지 및 방열판 시뮬레이터에 관한 교과서를 읽었습니다.

난 당신이 제안 $ 1.23 (0.125 × 12 X 1.5) 온라인 금속에서 알루미늄 막대를 얻을 , LED가이 작업을 진행 마운트 (6061 T6511이 가장 비싼) 냉장고에 막대를 넣어. 축축한 습기가있는 방으로 가져 가십시오. 그런 다음 냉동실에 넣고 서리가 내고 불을 끄고 얼음 결정이 녹아 녹는 패턴을 지켜보십시오. 결과는 시뮬레이터의 출력과 유사합니다. 실생활도 놀랍도록 정확합니다.

노력을 낭비하지 않고 시뮬레이션을 수행하는 경우 시뮬레이션이 얼마나 멀리 떨어져 있는지 확인하려면 여전히 막대가 필요합니다.

그러나 문제는 당신이 한 시간 안에 또는 LED만큼 뜨거운 알루미늄 막대로 끝나는 것입니다. 그러나 큰 표면으로 많은 공기 흐름이 필요하지 않습니다. 발당 $ 1.23 이하의 알루미늄 바는 아주 저렴한 방열판입니다.

나도 팬을 좋아하지 않습니다. 이것은 12VDC, 30.3dB, 2300RPM에서 13 CFM 만 이동하기 때문에 매우 조용 하지만 효과적입니다.

36V 2.4A 이하
한쪽에만 표시되는 패턴은 실제로 대칭이었습니다.

뒷면 온도 측정.

전류가 줄고 확산되었습니다.

— 오해
소스

2

그것은 온도 확산을 관찰하기위한 훌륭한 아이디어입니다! 큰! 미국에서는 상점이 나에게 쓸모가 없지만 (메트릭 크기 : D) Alu 바를 현지에서 찾아서이를 수행 할 것입니다.

— Marcus Müller

나는 물 냉각에 갔다. 내가 설명한 운동에서 얻은 것은 COB 사이의 간격이었습니다. COB에서 열이 열을 얼마나 멀리 떨어졌는지 알 수있었습니다. 그리고 나는 이미 더 이상 남용을 할 수없는 경우를 위해 여분의 테스트 COB를 구입했습니다.

— 오해

펌핑 2.4A 포워드 전압은 39.5V (102W)였으며, 20 분 후에 안정화 될 때 LED 바로 아래의 바의 온도는 약 42.5 ° C였으며 10 분 후에 동일 하였다.

— 오해

2

희소식 : 실제로 매우 정확한 간단한 수학적 모델이 있습니다.

기본적으로 대부분의 열 문제를 간단한 전기 회로로 모델링 할 수 있습니다.

화력 = 전류
열 온도 차이 = 전기 전압
열 저항 = 전기 저항
열 질량 = 전기 커패시터

시간 상수에 신경 쓰지 않기 때문에 열 질량에 대해 걱정할 필요가 없습니다.

모델은 다음과 같아야합니다

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

어디

R1 : LED 접합에서 LED 장착 표면까지의 열 저항
R2 : LED 대 Al 연결의 열 저항
R3 : Al에서 주변 공기까지의 열 저항

그것들은 모두 직렬이므로 간단하게 추가 할 수 있습니다. R1 = 1.2K / W, R2 = 0.8K / W 및 R3 = 0.1K / W 인 경우 총 저항은 2.1K / W입니다. 40W의 소산 된 열의 경우 LED 접합은 주변 온도보다 2.1K / W * 40W = 84Kelvin (또는 섭씨)입니다. 주변 온도가 25C 인 경우 접합부는 109C입니다.

나쁜 소식 : 모델링에 필요한 데이터는 예측하기 어렵습니다.

3 개의 열 저항과 최대 허용 가능한 LED 접합 온도가 필요합니다.

운이 좋으면 데이터 시트에서 R1 및 LED의 최대 온도를 찾을 수 있습니다.
R2는 정확한 재료, 정확한 모양, 평탄도, 장착 표면과 Al 막대의 정확한 표면 처리에 따라 달라지기 때문에 매우 까다 롭습니다. 알루미늄의 아노다이징 프로세스의 색상과 세부 사항조차 여기에서 중요합니다.
R3 : 막대가 합리적으로 크면 아주 작아야합니다

해야 할 일은 가지고있는 측정 능력에 따라 다릅니다. 일반적으로 이것은 작업의 좋은 기회가 있습니다. LED가 AL 막대에 단단히 부착되어 있는지 확인하고 열 패드 또는 열 페이스트를 연결부에 놓으십시오.

바를 터치하십시오 : LED에 매우 가깝게 따뜻해야합니다. 그렇지 않으면 막대로 열이 전달되지 않고 열 연결이 좋지 않다는 의미입니다. 전체 막대가 따뜻하거나 뜨겁게 느껴지면 환경에 충분한 열 결합이 이루어지지 않는 것입니다. 막대의 표면적을 더 고려하십시오.

— 힐 마르
소스

1

예, R3 모델링은 정확히 문제입니다! R1은 물론 데이터 시트에 나와 있습니다. R2는 흥미로운 부분이지만 압력 마운트 및 열 페이스트로 5K / W 이하로 유지할 계획입니다. 그러나 내 질문에서 말했듯이 아직 측정 할 막대가 없으므로 이것이 내 질문에 대한 답변이기를 원했지만 그렇지 않습니다.

— Marcus Müller

나는 그 터치 바를 좋아한다. 수식보다 훨씬 잘 작동합니다. 나는 전류를 계속 증가시키고 일이 안정화 될 때까지 한 시간 동안 기다렸다가 뒷면의 온도를 측정 한 다음 전류를 높이고 반복합니다. 당신은 내 투표를 얻었다.

— 오해

2

하나의 60W LED는 열원이 작고 매우 강력하기 때문에 열 문제입니다. 따라서 열을 측면으로 충분히 큰 방열판으로 퍼 뜨리려면 두꺼운 금속이 필요합니다.

이것은 작은 표면적, 많은 전력과 같은 데스크탑 PC CPU와 유사합니다. 많은 데스크탑 PC 방열판은 히트 파이프를 사용하여 열 확산 문제를 해결합니다. 팬이없는 PC 방열판이 작동해야합니다.

그러나 이것은 다른 문제를 해결하지 못합니다. 즉, 하나의 60W LED가 매우 밝은 점 소스이므로 작업장 조명에 적합하지 않습니다. 맹목적으로 밝고 거친 그림자를 드리울 것입니다.

다음과 같은 LED 스트립을 사용하여 두 가지 문제를 모두 해결할 수 있습니다.

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

나는 이것을 프로젝트에서 사용했다 :

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

그들은 금속 PCB에 있으며 스트립은 개별 LED로 절단 될 수 있습니다. 그런 다음 열 전도성 에폭시 (10cm마다 하나의 LED)를 사용하여 알루미늄 L 프로파일에 붙였습니다.

발열 성 LED를 일정 길이의 알루미늄 프로파일에 펼치면 냉각이 훨씬 쉬워지고보다 쾌적한 조명이 생성됩니다.

편집하다

좋아, 60W LED로 가자.

아래쪽을 가리키고 있다고 가정합니다. 최적의 대류를 위해 방열판 핀을 수직으로 유지하려고합니다. 이것은 이런 종류의 폼 팩터를 가리 킵니다.

링크 링크

평평한 방열판을 사용하는 경우 두꺼운 알루미늄 사각형에 LED를 장착 한 다음 방열판에 장착해야합니다.

문제가 작은 소스에서 발생하는 열을 확산시키는 것이므로 평평한 히트 파이프를 사용할 수도 있습니다.

링크 링크

— 푸우
소스

나는 평가를 중요하게 생각하지만, 디퓨저와 광원과 탁상 사이의 건강한 거리가 있습니다 :)

— Marcus Müller

수정 한 내용으로 여전히 내 질문이 해결되지 않습니다. 죄송합니다.

— Marcus Müller

2

유한 요소 분석 도구 인 Lisa가 있습니다. 약 1000 노드.

시뮬레이션은 어렵고 깊은 이해가 필요하며 경계 조건에 대한 가정을 기반으로합니다. 안전하고 가능한 경우 실제 테스트가 더 좋습니다. LED와 방열판 후보가 이미있는 경우 사용해 볼 수 있습니다. 알려진 안전한 전원 수준에서 작동시키고 평형에 도달하고 (= 더 이상 측정 가능한 온도 상승 없음) 최종 온도를 저장하십시오. 측정을위한 적절한 장비가 있어야합니다. LED와 주변 온도의 온도 차이는 소실 된 전력에 직접 비례합니다. 물론 센서 자체를 사용할 때까지는 LED 내부로 들어갈 수 없습니다. 제조업체는 순방향 전압, 전류 및 온도 간의 관계에 대한 유용한 데이터를 제공 할 수 있습니다.

그러나 LED와 방열판 사이의 경계에서 측정 할 수도 있습니다. 해당 지점과 반도체 사이의 열 저항을 확실히 사용할 수 있거나 허용 온도 한계가 히트 싱크 경계의 온도로 직접 알려집니다.

10W에서의 온도 상승이 허용 상승의 1/3이라고 말하면 최대 30W의 손실을 가질 수 있습니다.

캐비닛에서 주변 온도도 상승하므로이를 고려해야합니다. 인접한 다른 난방 장치도 고려해야합니다. 분위기를 데우고 열을 방출합니다. 이제 열 설계가 도전과 함정으로 가득 찬 영역이라는 것을 알았을 것입니다.

부록 : 문제가 흥미 롭습니다. 알루미늄 판에 장착하면 LED의 열 문제를 해결할 수 있다고 생각했습니다. 일부 빠른 계산은 얇은 판이 못을 박지 않는다는 것을 보여주었습니다. 소산은 2 개의 출력 트랜지스터 중 하나당 100W 오디오 증폭기에서와 완전히 동일하므로 동일한 히트 싱크가 필요합니다. 먼지가 막히면 성능이 크게 저하됩니다. 보증 조건으로 정기적 인 청소를 제거하거나 크기가 너무 큰 방열판을 만들어야합니다.

— 사용자 287001
소스

아니, 아직 방열판 후보가 없습니다! 요점은 알루 미터를 주문하기 전에 알고 싶습니다. 열 저항은 실제로 알려져 있지만, 선형 가정 (x 배의 전력-> x 배 더 높은 deltaT)은 부피 의 열 분포에 대해 분해되는 것으로 보 입니까? 나는 항상 열 저항 모델이 가까운 경계 내에서 적용되었다고 생각했습니다.

— Marcus Müller

이것은 대부분 맞지만 방열판의 가열로 인한 수동 대류는 비선형입니다. 다행히도 이것은 당신에게 유리합니다. 온도에 따라 LED 온도가 주변 눈금 이상으로 선형 적으로 상승하는 것처럼 모든 작업을 수행하고 고온에서의 추가 대류는 약간의 여유를줍니다.

— Olin Lathrop

@ MarcusMüller의 논평자 Olin은 열이 공기를 흐르게한다는 것을 의미합니다. 저전력 레벨에서 이것은 상당히 층류가 될 수 있으며 기류는 총 열 저항을 감소시킵니다. 마지막으로 높은 수준에서는 효율성이 거의 예측할 수 없을 정도로 격렬합니다. 그러나 그는 옳다.

— user287001

1

@ MarcusMüller 비 균일 온도 분포와 법칙 x 곱하기 전력 => x 곱하기 델타 T 사이에는 모순이 없습니다.이 수식은 모든 점에 개별적으로 적용됩니다.

— user287001

1

@ MarcusMüller 당신은 그것이 잘 수행 될 때까지 알루미늄 더미를 사지 말아야한다는 생각을 가지고있었습니다. 그런 다음 작은 부분-하나의 주도 부분을 가져 와서 테스트 실행하십시오.

— user287001

1

수동 방열판을 사용하여 어떤 일이 일어나고 있는지에 대한 아이디어를 제공합니다. Cree는 1000W HPS 램프를 대체하기 위해 레퍼런스 디자인을 만들었습니다 .

고정구는 4 개의 "엔진"으로 구성 됩니다. 각 130W 엔진은 11.25 "x 7.25"x 2.5 "입니다. 기본적으로 히트 싱크의 크기입니다.

사용 된 방열판은 Aavid Black Anodized P / N 62625입니다.

예상 가격 (방열판 전용) $ 450

와트 당 $ 3.46입니다.

64 와트의 경우 $ 222입니다.

450 달러의 비용은 Aavid Black Anodized P / N 627252 (2.28 "x 9.75"x 55 ")를 기준으로합니다.

Aavid 701652 1.78 "x 12"x 48 "는 431 달러였습니다.

각 엔진은 130 와트를 추진하는 48 개의 LED로 구성 됩니다.

이 크기의 절반 만 방열판이 필요합니다. 이 방열판은 11.25 "x 7.25"x 2.28 "입니다.

— 오해
소스

1

블로그 게시물 '평판 방열판 설계 방법' http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/를 확인하십시오 . 방열판으로 사용되는 금속판의 열 저항을 계산하는 방법에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 이메일 주소를 제공하면 계산을 수행하는 스프레드 시트도 얻을 수 있다고 생각합니다.

본질적으로 외부 표면의 복사 및 자연 대류 저항을 결정한 다음 전도 열 저항을 결정해야합니다. 아래에 표시된 열 회로를 기준으로 세 가지를 함께 추가하십시오.

어디:

Rconv는 외부 대류 저항입니다

Rrad는 외부 방사선 저항입니다

Rsp는 확산 저항입니다

Rint / Rcont는 접촉 또는 인터페이스 저항입니다

Rth-jc는 LED의 접합 저항의 경우입니다

TS는 방열판 표면 온도입니다

Tj는 LED 접합 온도

Rconv 및 Rrad에 대한 방정식은 매우 관련이 있으며 블로그 게시물에 자세히 설명되어 있습니다.

— 마리오
소스

-1

간단한 스파이스 시뮬레이터가이를 수행합니다. 커패시터가 방전되는 것과 같습니다.

— 대니 프
소스

죄송합니다. 보이지 않습니다. 내가 묻는 것은 기본적으로 방열판의 형상 및 재료 속성에서 모델 매개 변수 (예 : 열 저항)를 도출하는 방법입니다. 당신은 "선형 전기 네트워크 분석기가 그렇게 할 것"이라고 말하고 있습니다. 나는 그렇지 않다. 회로가 아닌 "등가 회로"에 연결할 값을 찾고 있습니다.

— Marcus Müller

@ MarcusMüller 나는 처음에이 답변을 정크 메일 클래스에 대해 비난했지만 아이디어가 있습니다. 긴 막대의 온도 분포는 감소하는 지수 함수입니다. 변수는 시간이 아니라 LED와의 거리입니다. 시간 상수는 열 확산 길이 상수로 대체되어야합니다. 불행히도이 사실은이 단계에서 큰 도움이되지 않습니다.

— user287001