Modelado de la transferencia de calor del LED de encendido a la barra de metal

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Estoy jugando con la iluminación del lugar de trabajo y he desarrollado una fuente de corriente constante de 20 V -> 38 V PWM para controlar mis LED de potencia (potencia máxima de aproximadamente 64W). Hasta ahora tan bueno. Sin embargo, casi he matado térmicamente un LED al fijarlo en un disipador de calor significativamente más pequeño ("afortunadamente", los contactos del cable se soldaron justo a tiempo, deteniendo el proceso).

Ahora, estoy considerando opciones de enfriamiento. Deseando evitar el enfriamiento activo (es decir, el zumbido de un ventilador), estaba considerando la salida "perezosa" (dimensión lejos de la final, todavía no tengo un candidato para disipador térmico ):

Me gustaría montar el LED de 19 x 19 mm directamente en una barra o perfil de aluminio. Ahora, ya estoy jugando con el software de simulación térmica, pero eso parece exagerado (y hasta ahora, se bloquea en su mayoría, además tengo mucha teoría para ponerme al día). Entonces:

¿Existe un modelo analítico conocido para la distribución de calor cuando se une una fuente de calor de potencia constante a una pieza de metal?
- si no, ¿hay un software de simulación de acceso? Hasta ahora, estoy jugando con Elmer.
¿Es la simulación el camino a seguir aquí, o la refrigeración pasiva está condenada a los LED de 60W?

Datos (de la hoja de datos LED ):

Resistencia térmica de la caja de conexiones 0.8 K / W
19x19 mm
potencia nominal máxima 64,2 W
potencia continua que planeo usar: 36.6 V · 0.72 A = 26.352 W

— Marcus Müller
fuente

Destacó el hecho de que todavía no tengo la barra de metal.

— Marcus Müller el

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Si sus cables comienzan a soldarse, es posible que desee tener dudas sobre el uso de lo que se calentó nuevamente. Las piezas pueden haber sido dañadas parcial pero permanentemente.

— Mástil

jep, consideró que, el LED afectado ahora es el reservado para uso experimental, pero hasta ahora, para las ráfagas, la curva I / V del conjunto de LED todavía está bien

— Marcus Müller

La calculadora sugerida parece suponer que el calor se aplica de manera uniforme a la placa base del disipador de calor. Su fuente de calor es un punto de 19x19 mm. Debería utilizar al menos un difusor de calor de cobre para acercarse a la eficiencia de transferencia de calor calculada. Además, para que la convección libre sea eficiente a un delta razonable, el espacio entre las aletas debe ser de 7-8 mm, con conductos a un sumidero más grande para el área requerida, y la difusión del calor es cada vez más importante. Es posible que desee considerar los disipadores de calor omnidireccionales, este disipador tendrá ~ 2C / W desde un calentador de 1 pulgada cuadrada hasta convección libre del ambiente, micforg.co.jp/en/c_n80e.html

— Ale..chenski

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Si mi comprensión es correcta, desea estimar la resistencia térmica de un disipador térmico o una losa de material termoconductor al ambiente, sin ningún flujo de aire ( = convección natural ).

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

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

La temperatura de la fuente resultante para una temperatura ambiente de 25ºC 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.

Experimente con la calculadora para encontrar las dimensiones exteriores que mejor se adapten a su diseño.

— Enric Blanco
fuente

¿Qué navegador estás usando? Nunca puedo hacer que aparezca ninguna temperatura de fuente. Ah Lo tengo para trabajar.

— Marcus Müller

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Safari. Tenga en cuenta que la calculadora es bastante exigente. Por ejemplo: si la suma de todos los espacios de la aleta y el grosor de la aleta no se suman al ancho total, entonces la calculadora se negará silenciosamente a calcular la temperatura de la fuente sin arrojar ningún código de error o advertencia.

— Enric Blanco

Debo admitir que es muy complicado. Pensé que la fórmula era ancho total = N_fins * fin_width * (N_fins -1) * fin_spacing, pero eso no funciona

— Marcus Müller

ah esperar, no como si H + tp no exactamente suman, ya sea

— Marcus Müller

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@No entendí que era justo, solo fui a leer el código fuente del script y descubrí las cosas. También parece que los navegadores modernos podrían estar suprimiendo los mecanismos que utiliza para mostrar advertencias, por lo que no es realmente culpa de la herramienta

— Marcus Müller

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He recorrido ese camino, pero los simuladores cuestan demasiado y tienen una curva de aprendizaje empinada. Si no es un ingeniero de dinámica térmica, puede tener algunos problemas para comprender la jerga, lo hice. Leí libros de texto sobre dinámica térmica y todo tipo de documentos de diseño de disipadores de calor y simuladores de disipador térmico.

Le sugiero que obtenga la barra de aluminio en 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. Llévelo a una habitación húmeda donde se condensa. Luego póngalo en el congelador, póngalo helado, sáquelo, enciéndalo y observe los patrones que hacen los cristales de hielo a medida que se derriten a medida que la barra se calienta. El resultado es similar a la salida de un simulador. La vida real es asombrosamente precisa también.

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

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

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

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

Medición de la temperatura trasera.

Corriente bajada y difundida.

— Incomprendido
fuente

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¡Es una excelente idea para observar la difusión de la temperatura! ¡Excelente! No en los EE. UU., Por lo que esa tienda no me será útil, pero encontraré una barra de aluminio (tamaño métrico: D) localmente y haré esto.

— Marcus Müller el

Fui a la refrigeración por agua. Lo que obtuve de ese ejercicio que describí fue el espacio entre las COB. Pude ver hasta qué punto el calor bajaba por la barra lejos de la mazorca. Y ya he comprado un COB de prueba adicional para cuando (no si) este ya no puede soportar el abuso.

— Mal entendido el

Al bombear 2,4 amperios, el voltaje directo era de 39,5 V (102 vatios), la temperatura de la barra directamente debajo del LED era de aproximadamente 42,5 ° C cuando se estabilizó después de 20 minutos y fue la misma 10 minutos más tarde.

— Mal entendido el

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La buena noticia: de hecho, hay un modelo matemático simple que es bastante preciso.

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

Potencia térmica = corriente eléctrica
Diferencia de temperatura térmica = voltaje eléctrico
Resistencia Térmica = Resistencia Eléctrica
Masa térmica = condensador eléctrico

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

Entonces tu modelo debería verse así

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

Dónde

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, por lo que simplemente puede agregarlos. 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, la unión estaría a 109 ° C.

La mala noticia: los datos que necesita para modelar esto son notoriamente difíciles de predecir

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

Si tiene suerte, puede encontrar R1 y la temperatura máxima para el LED en la hoja de datos.
R2 es muy complicado, ya que depende del material exacto, la forma exacta, la cantidad de planitud, los tratamientos de superficie exactos tanto de su superficie de montaje como de la barra de Al. Incluso el color y los detalles del proceso de anodización del aluminio son importantes aquí.
R3: SI la barra es razonablemente grande, eso debería ser bastante pequeño

Qué hacer depende de las habilidades de medición que tenga. En general, esto tiene buenas posibilidades de funcionar. Asegúrese de que el LED esté firmemente conectado a la barra AL y coloque una almohadilla térmica o un poco de pasta térmica en la conexión.

Toca la barra: debe estar notablemente más caliente muy cerca del LED. De lo contrario, eso significa que no está transfiriendo calor a la barra y que la conexión térmica no es buena. Si toda la barra se siente tibia o incluso caliente, no está recibiendo suficiente acoplamiento térmico con el medio ambiente. Considere más área de superficie para la barra.

— Hilmar
fuente

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Entonces, sí, ¡modelar R3 es exactamente el problema! R1 se proporciona (por supuesto) en la hoja de datos; R2 es un aspecto interesante, aunque planeé mantener eso por debajo de 5K / W mediante montaje a presión y pasta térmica. Sin embargo, como dije en mi pregunta, todavía no tengo una barra para medir, así que aunque deseé que fuera una respuesta a mi pregunta, no lo es.

— Marcus Müller

Me gusta que toque la barra. Funciona mucho mejor que las fórmulas. Seguiría aumentando la corriente, esperaría una hora a que las cosas se estabilizaran, mediría la temperatura en la parte posterior, luego subiría la corriente y repetiría. Tienes mi voto.

— Mal entendido el

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Un LED de 60 W 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 térmico lo suficientemente grande.

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

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

Puede resolver ambos problemas utilizando tiras de LED como esta:

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

Usé estos en un proyecto:

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

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

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

EDITAR

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, necesitará montar el LED en un cuadrado de aluminio grueso y luego montarlo en un disipador de calor.

Como su problema es difundir el calor generado por una fuente pequeña, también puede usar tubos de calor planos:

Enlace Enlace

— peufeu
fuente

Aunque valoro la estimación, tengo difusores en su lugar, además de una distancia saludable entre la fuente de luz y el escritorio :)

— Marcus Müller

Su edición aún no aborda mi pregunta, lo siento.

— Marcus Müller el

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Está Lisa, una herramienta de análisis de elementos finitos que es gratuita al menos para los modelos que tienen máx. Cerca de 1000 nodos.

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

Pero también puede medir en la frontera entre el led y el disipador térmico. 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 10 W es aproximadamente 1/3 del aumento permitido, puede tener la disipación como máximo = 30 W.

Tenga en cuenta que en un gabinete la temperatura ambiente también aumenta y eso debe tenerse en cuenta. Un otro dispositivo de calefacción adyacente también debe tenerse en cuenta. Calienta el ambiente y también irradia calor. Ahora puede ver y probablemente ya haya sabido que el diseño térmico es un área llena de desafíos y trampas.

ADENDA: El problema es interesante. Supuse que el montaje en una placa de aluminio resuelve el problema del calor con los leds. Algunos cálculos rápidos mostraron que ninguna placa delgada lo clavará. La disipación es bastante similar a la de un amplificador de audio de 100 W por uno de los 2 transistores de salida, por lo que se necesitan los mismos disipadores de calor. Su rendimiento sufre drásticamente si el polvo los obstruye. Recuerde quitar la limpieza regular como condición para la garantía o hacer disipadores térmicos muy grandes.

— usuario287001
fuente

no, no hay candidato para disipador de calor todavía! El punto es que me gustaría saber antes de ordenar metros de aluminio. La resistencia térmica es conocida, de hecho, pero los supuestos de linealidad (x veces la potencia en -> x veces mayor deltaT) parece descomponerse para la distribución de calor en un volumen , ¿o no? Siempre pensé que el modelo de resistencia térmica se aplicaba dentro de límites cercanos.

— Marcus Müller

Esto es principalmente correcto, pero la convección pasiva debido al calentamiento del disipador térmico no es lineal. Afortunadamente, esto funciona para su ventaja. Haga todo como si la temperatura del LED se elevara por encima de las escalas ambientales linealmente con la temperatura, y la convección adicional a altas temperaturas le da un pequeño margen.

— Olin Lathrop

@ MarcusMüller, el comentarista Olin, significa que el calor hace que el aire fluya. Esto a bajos niveles de potencia puede ser bastante laminar y el flujo de aire disminuye la resistencia térmica total. Finalmente, a niveles altos, será tan turbulento que su eficiencia se volverá prácticamente impredecible. Pero tiene razón.

— user287001

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@ MarcusMüller no hay contradicción entre la distribución de temperatura no uniforme y la ley x veces potencia => x veces delta T. La fórmula se aplica aún para cada punto por separado.

— user287001

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@ MarcusMüller Tuviste la idea de no comprar una pila de aluminio hasta que sepas que funciona bien. Luego, obtenga una pieza más pequeña: la parte conducida y realice la prueba.

— user287001

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Para darle una idea de a qué se enfrenta con un disipador pasivo. Cree hizo un diseño de referencia como reemplazo de una lámpara HPS de 1000W.

El accesorio se compone de cuatro "motores" . Cada motor de 130 vatios mide 11.25 "x 7.25" x 2.5 ". Básicamente es el tamaño del disipador térmico.

El disipador térmico utilizado es un Aavid Black Anodized P / N 62625

Precio estimado (solo para disipador térmico) $ 450

Eso es $ 3.46 por vatio.

Para sus 64 vatios serían $ 222.

El costo de $ 450 se basa en un 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 compuesto por 48 LED que impulsan 130 vatios .

Necesitaría un disipador de calor de solo la mitad de este tamaño. Este disipador térmico mide 11.25 "x 7.25" x 2.28 "

— Incomprendido
fuente

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Consulte la publicación del blog 'Cómo diseñar un disipador de calor de placa plana' http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Proporciona una explicación detallada de cómo calcular la resistencia térmica de una placa de metal utilizada como disipador de calor. Creo que también puedes obtener una hoja de cálculo que haga los cálculos si les das tu dirección de correo electrónico.

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

dónde:

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 unión del LED

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

— Mario
fuente

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Un simple simulador de especias hará esto: es como un condensador descargado.

— dannyf
fuente

lo siento, no lo veo Lo que estoy preguntando es básicamente una forma de derivar los parámetros del modelo (por ejemplo, la resistencia térmica) de la geometría y las propiedades del material de mi disipador de calor. Estás diciendo "claro, un analizador lineal de redes eléctricas lo hará". Me temo que ese no es el caso. Estoy buscando los valores para conectar a un "circuito equivalente", no para el circuito.

— Marcus Müller

@ MarcusMüller Al principio culpé esta respuesta a la clase de correo basura en mi mente, pero tiene una idea. La distribución de temperatura en una barra larga sería una función exponencial decreciente. La variable no es el tiempo sino la distancia desde el led. La constante de tiempo debe reemplazarse por la constante de longitud de difusión térmica. Lamentablemente, este hecho bastante cierto no será de gran ayuda en esta fase.

— user287001