Modellierung der Wärmeübertragung von der Power-LED zur Metallstange

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Ich spiele mit der Arbeitsplatzbeleuchtung herum und habe eine konstante Stromquelle mit 20 V -> 38 V PWM entwickelt, um meine Power-LEDs anzusteuern (maximale Leistung ca. 64 W). So weit, ist es gut. Ich habe jedoch eine LED fast thermisch getötet, indem ich sie auf einem deutlich zu kleinen Kühlkörper befestigt habe ("zum Glück" lösten sich die Drahtkontakte gerade noch rechtzeitig ab und stoppten den Prozess).

Jetzt denke ich über Kühloptionen nach. Um eine aktive Kühlung (dh das Summen eines Lüfters) zu vermeiden, dachte ich über den "faulen" Ausweg nach (Dimension weit vom Finale entfernt, ich habe noch keinen Kühlkörperkandidaten ):

Ich möchte die 19 x 19 mm LED direkt auf einer Aluminiumstange oder einem Aluminiumprofil montieren. Jetzt spiele ich bereits mit thermischer Simulationssoftware herum, aber das scheint übertrieben (und bis jetzt stürzt es meistens ab, und ich habe eine Menge Theorie, die ich nachholen muss). So:

Gibt es ein bekanntes analytisches Modell für die Wärmeverteilung beim Anbringen einer Wärmequelle mit konstanter Leistung an einem Metallstück?
- Wenn nicht, gibt es eine Simulationssoftware? Bisher spiele ich mit Elmer.
Ist die Simulation überhaupt der richtige Weg oder ist die passive Kühlung für 60-W-LEDs verdammt?

Daten (aus LED-Datenblatt ):

Wärmewiderstand im Anschlussgehäuse 0,8 K / W.
19 x 19 mm
maximale Nennleistung 64,2 W.
Dauerleistung, die ich verwenden möchte: 36,6 V · 0,72 A = 26,352 W.

— Marcus Müller
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betonte die Tatsache, dass ich die Metallstange noch nicht habe.

— Marcus Müller

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Wenn sich Ihre Drähte von selbst ablöten, sollten Sie sich überlegen, was wieder heiß werden soll. Teile können teilweise, aber dauerhaft beschädigt worden sein.

— Mast

jep, wenn man bedenkt, dass die betroffene LED jetzt diejenige ist, die für experimentelle Zwecke reserviert ist, aber bisher ist die I / V-Kurve des LED-Arrays für Bursts immer noch in Ordnung

— Marcus Müller

Der vorgeschlagene Rechner scheint davon auszugehen, dass die Wärme gleichmäßig auf die Grundplatte des Kühlkörpers aufgebracht wird. Ihre Wärmequelle ist ein 19x19mm Punkt. Sie sollten mindestens einen Kupfer-Wärmeverteiler verwenden, um die berechnete Wärmeübertragungseffizienz zu erreichen. Damit die freie Konvektion bei einem angemessenen Delta effizient ist, sollte der Lamellenabstand 7 bis 8 mm betragen, was zu einer größeren Senke für den erforderlichen Bereich führt, und die Wärmeverteilung wird immer wichtiger. Vielleicht möchten Sie omnidirektionale Kühlkörper in Betracht ziehen. Diese Spüle hat ~ 2C / W von 1sq.inch Heizung bis zur umgebungsfreien Konvektion, micforg.co.jp/en/c_n80e.html

— Ale..chenski

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Wenn mein Verständnis richtig ist, möchten Sie den Wärmewiderstand eines Kühlkörpers oder einer Platte aus wärmeleitendem Material gegenüber der Umgebung ohne Luftstrom ( = natürliche Konvektion ) abschätzen .

Es gibt einen schönen Online-Rechner für rechteckige Kühlkörper mit Rippen , der das natürliche Konvektionsmodell für Kühlkörper implementiert (eine akademischere, detailliertere Erklärung des Modells finden Sie hier ).

Hier ist ein Beispiel, das für Ihr Konstruktionsproblem relevant ist (Außenabmessungen 55 x 55 x 55 mm, Lamellen 10 x 1 mm, Dicke der Grundplatte 10 mm und eine eher konservative Kontaktleitfähigkeit von 2.000 W / m2ºC):

Die resultierende Quellentemperatur für 25 ° C Umgebungstemperatur und 26,35 W Wärme, die in den Kühlkörper fließt, beträgt ca. 110 ° C, was bedeutet, dass der Kühlkörper unter natürlichen Konvektionsbedingungen einen Wärmewiderstand von 3,23 ºC / W haben würde.

Experimentieren Sie mit dem Taschenrechner, um die Außenmaße zu finden, die am besten zu Ihrem Design passen.

— Enric Blanco
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Welchen Browser benutzt du? Ich kann niemals eine Quellentemperatur anzeigen lassen. Ah. Ich habe es zum Laufen gebracht.

— Marcus Müller

2

Safari. Beachten Sie, dass der Rechner ziemlich wählerisch ist. Beispiel: Wenn sich die Summe aller Lamellenabstände und Lamellendicken nicht zur Gesamtbreite addiert, weigert sich der Rechner stillschweigend, eine Quellentemperatur zu berechnen, ohne einen Fehlercode oder eine Warnung auszulösen.

— Enric Blanco

Ich muss zugeben, dass es sehr schwierig ist. Ich dachte, die Formel wäre Gesamtbreite = N_fins * fin_width * (N_fins -1) * fin_spacing, aber das funktioniert nicht

— Marcus Müller

ah warten, ist es nicht wie bei H + TP nicht genau addieren, entweder

— Marcus Müller

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@ Um fair zu verstehen, habe ich einfach den Quellcode des Skripts gelesen und die Dinge herausgefunden. Es scheint auch, dass moderne Browser die Mechanismen unterdrücken, mit denen das Ding Warnungen anzeigt, also nicht wirklich die Schuld des Tools

— Marcus Müller

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Ich war auf diesem Weg, aber die Simulatoren kosten viel zu viel und haben eine steile Lernkurve. Wenn Sie kein Thermodynamiker sind, haben Sie möglicherweise Probleme, den Jargon zu verstehen, den ich getan habe. Ich lese Lehrbücher über Wärmedynamik und alle Arten von Kühlkörper-Designpapieren und Kühlkörpersimulatoren.

Ich schlage vor, Sie erhalten die Aluminiumstange bei Online-Metallen 1,23 USD (0,125 x 1,5 x 12) (der 6061 T6511 ist am billigsten), montieren Sie die LED, damit sie funktioniert, und legen Sie die Stange in den Kühlschrank. Nehmen Sie es in einen feuchten Raum, in dem es kondensiert. Stellen Sie es dann in den Gefrierschrank, lassen Sie es frostig werden, nehmen Sie es heraus, zünden Sie es an und beobachten Sie die Muster, die die Eiskristalle beim Schmelzen des Riegels beim Schmelzen erzeugen. Das Ergebnis ähnelt der Ausgabe eines Simulators. Das wirkliche Leben ist auch erstaunlich genau.

Außerdem ist es keine Verschwendung, wenn Sie die Simulation durchführen, benötigen Sie immer noch die Leiste, um zu sehen, wie weit die Simulationen entfernt waren.

Das Problem ist jedoch, dass Sie innerhalb einer Stunde einen sehr heißen Aluminiumbalken erhalten, der fast so heiß ist wie die LED. Sie benötigen jedoch nicht viel Luftstrom mit einer großen Oberfläche. Eine Aluminiumstange für 1,23 USD oder weniger pro Fuß ist ein verdammt billiger Kühlkörper.

Ich mag auch keine Fans. Dieser ist sehr leise, weil er nur 13 CFM bei 12 VDC, 30,3 dB und 2300 U / min bewegt , aber er war effektiv.

36V 2,4 Ampere max.
Muster nur auf einer Seite gezeigt, es war tatsächlich symmetrisch.

Messung der Temperaturrückseite.

Der Strom ging weit zurück und diffundierte.

— Falsch verstanden
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Das ist eine hervorragende Idee zur Beobachtung der Temperaturdiffusion! Groß! Nicht in den USA, so dass dieser Laden für mich nicht von Nutzen ist, aber ich werde vor Ort eine (metrisch große: D) Alu-Bar finden und dies tun.

— Marcus Müller

Ich ging zur Wasserkühlung. Was ich aus dieser von mir beschriebenen Übung herausgeholt habe, war der Abstand zwischen COBs. Ich konnte sehen, wie weit die Hitze die Bar hinunter vom COB ging. Und ich habe bereits einen zusätzlichen Test-COB gekauft, wenn (nicht wenn) dieser den Missbrauch nicht mehr ertragen kann.

— Missverstanden

Beim Pumpen von 2,4 Ampere betrug die Durchlassspannung 39,5 V (102 Watt). Die Temperatur des Balkens direkt unter der LED betrug bei Stabilisierung nach 20 Minuten etwa 42,5 ° C und war 10 Minuten später dieselbe.

— Missverstanden

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Die gute Nachricht: Es gibt in der Tat ein einfaches mathematisches Modell, das ziemlich genau ist.

Grundsätzlich können Sie die meisten thermischen Probleme als einfachen Stromkreis modellieren:

Wärmeleistung = elektrischer Strom
Thermische Temperaturdifferenz = elektrische Spannung
Wärmewiderstand = elektrischer Widerstand
Wärmemasse = elektrischer Kondensator

Ihr Fall ist noch einfacher: Da Sie sich nicht um Zeitkonstanten kümmern, müssen Sie sich keine Gedanken über die thermische Masse machen.

Ihr Modell sollte also so aussehen

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

Wo

R1: Wärmewiderstand von der LED-Verbindung zur LED-Montagefläche
R2: Wärmewiderstand für die LED-Al-Verbindung
R3: Wärmewiderstand von Al gegen Umgebungsluft

Sie sind alle in Serie, sodass Sie sie einfach addieren können. Wenn Sie R1 = 1,2 K / W, R2 = 0,8 K / W und R3 = 0,1 K / W haben, beträgt Ihr Gesamtwiderstand 2,1 K / W. Bei einer Wärmeableitung von 40 W liegt Ihr LED-Übergang bei 2,1 K / W * 40 W = 84 Kelvin (oder Celsius) über der Umgebungstemperatur. Bei 25 ° C wäre die Kreuzung bei 109 ° C.

Die schlechte Nachricht: Die Daten, die Sie benötigen, um dies zu modellieren, sind bekanntermaßen schwer vorherzusagen

Sie benötigen drei Wärmewiderstände und die maximal zulässige LED-Sperrschichttemperatur.

Wenn Sie Glück haben, finden Sie R1 und die maximale Temperatur für die LED im Datenblatt.
R2 ist sehr schwierig, da es vom genauen Material, der genauen Form, dem Grad der Ebenheit und den genauen Oberflächenbehandlungen sowohl Ihrer Montagefläche als auch der Al-Stange abhängt. Auch die Farbe und Details des Eloxalprozesses des Aluminiums spielen hier eine Rolle.
R3: Wenn der Balken ziemlich groß ist, sollte er ziemlich klein sein

Was zu tun ist, hängt von Ihren Messfähigkeiten ab. Im Allgemeinen hat dies gute Arbeitschancen. Stellen Sie sicher, dass die LED fest mit der AL-Leiste verbunden ist, und setzen Sie ein Wärmeleitpad oder eine Wärmepaste auf die Verbindung.

Berühren Sie die Leiste: In der Nähe der LED sollte es merklich wärmer sein. Wenn nicht, bedeutet dies, dass keine Wärme in die Stange übertragen wird und die thermische Verbindung nicht gut ist. Wenn sich die gesamte Bar warm oder sogar heiß anfühlt, erhalten Sie nicht genügend Wärmekopplung an die Umgebung. Betrachten Sie mehr Oberfläche für die Stange.

— Hilmar
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Also, ja, R3 zu modellieren ist genau das Problem! R1 ist (natürlich) im Datenblatt angegeben; R2 ist ein interessanter Aspekt, obwohl ich geplant hatte, ihn durch Druckmontage und Wärmepaste unter 5 K / W zu halten. Wie in meiner Frage erwähnt, habe ich jedoch noch keinen Balken, an dem ich messen kann. Ich wünschte, dies wäre eine Antwort auf meine Frage, ist es aber nicht.

— Marcus Müller

Ich mag es, die Bar zu berühren. Funktioniert so viel besser als die Formeln. Ich würde den Strom weiter erhöhen, eine Stunde warten, bis sich die Dinge stabilisiert haben, die Temperatur auf der Rückseite messen, dann den Strom erhöhen und wiederholen. Du hast meine Stimme bekommen.

— Missverstanden

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Eine 60-W-LED ist eine thermische Herausforderung, da die Wärmequelle klein und sehr leistungsstark ist. Daher benötigen Sie dickes Metall, um die Wärme seitlich auf einen ausreichend großen Kühlkörper zu verteilen.

Dies ähnelt einer Desktop-PC-CPU: kleine Oberfläche, viel Leistung. Viele Desktop-PC-Kühlkörper verwenden Heatpipes, um das Problem der Wärmeverteilung zu lösen. Ein lüfterloser PC-Kühlkörper sollte funktionieren.

Dies löst jedoch nicht Ihr anderes Problem: Eine 60-W-LED ist eine sehr helle Punktquelle und nicht ideal für die Beleuchtung am Arbeitsplatz. Es wird blendend hell sein und harte Schatten werfen.

Sie können beide Probleme lösen, indem Sie LED-Streifen wie folgt verwenden:

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

Ich habe diese in einem Projekt verwendet:

http://www.leds.de/de/LED-strips-modules-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid/High-power-LED-strips/PowerBar-LED-Strip-12-Nichia-LEDs-CRI- 90.html

Sie werden auf einer Metallplatine geliefert und der Streifen kann in einzelne LEDs geschnitten werden. Ich habe sie dann mit wärmeleitendem Epoxid (eine LED alle 10 cm) auf Aluminium-L-Profile geklebt.

Das Verteilen der wärmeerzeugenden LEDs über ein Aluminiumprofil erleichtert das Abkühlen erheblich und erzeugt ein angenehmeres Licht.

BEARBEITEN

OK, lass uns mit der 60W LED loslegen.

Ich nehme an, es zeigt nach unten. Sie möchten, dass die Kühlkörperlamellen für eine optimale Konvektion vertikal sind. Dies deutet auf diese Art von Formfaktor hin:

Link Link

Wenn Sie einen flachen Kühlkörper verwenden, müssen Sie die LED auf einem dicken Aluminiumquadrat montieren und dann auf einem Kühlkörper montieren.

Da Ihr Problem darin besteht, die von einer kleinen Quelle erzeugte Wärme zu verbreiten, können Sie auch flache Wärmerohre verwenden:

Link Link

— peufeu
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Obwohl ich die Schätzung schätze, habe ich Diffusoren und einen gesunden Abstand zwischen Lichtquelle und Schreibtisch :)

— Marcus Müller

Ihre Bearbeitung geht immer noch nicht auf meine Frage ein, sorry.

— Marcus Müller

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Es gibt Lisa, ein Finite-Elemente-Analyse-Tool, das zumindest für Modelle mit max. ungefähr 1000 Knoten.

Die Simulation ist schwierig, erfordert ein tiefes Verständnis und basiert auf Annahmen über die Randbedingungen. Echte Tests, wenn sicher und möglich, sind besser. Wenn Sie bereits den LED- und den Kühlkörperkandidaten haben, können Sie es gut versuchen. Lassen Sie es mit einem bekannten, aber sicheren Leistungsniveau laufen, lassen Sie es das Gleichgewicht erreichen (= kein messbarer Temperaturanstieg mehr) und speichern Sie diese Endtemperatur. Sie müssen über die richtige Ausrüstung für die Messungen verfügen. Der Temperaturunterschied zwischen der LED und der Umgebung ist direkt proportional zur Verlustleistung. Natürlich können Sie die LED erst betreten, wenn Sie sich selbst als Sensor verwenden. Der Hersteller kann möglicherweise einige nützliche Daten über die Beziehung zwischen Durchlassspannung, Strom und Temperatur angeben.

Sie können aber auch an der Grenze zwischen LED und Kühlkörper messen. Es ist sicher verfügbar, dass der Wärmewiderstand zwischen diesem Punkt und dem Halbleiter oder die zulässigen Temperaturgrenzen direkt als Temperaturen an der Kühlkörpergrenze angegeben werden.

Wenn Ihr Temperaturanstieg bei 10 W etwa 1/3 des zulässigen Anstiegs beträgt, können Sie maximal eine Verlustleistung von 30 W erreichen.

Beachten Sie, dass in einem Schrank auch die Umgebungstemperatur steigt und dies berücksichtigt werden muss. Ein benachbartes anderes Heizgerät muss ebenfalls berücksichtigt werden. Es erwärmt das Ambiente und strahlt auch Wärme ab. Sie sehen jetzt und haben wahrscheinlich bereits gewusst, dass thermisches Design ein Bereich voller Herausforderungen und Fallen ist.

ADDENDUM: Das Problem ist interessant. Ich hatte angenommen, dass die Montage auf einer Aluminiumplatte das Hitzeproblem mit LEDs löst. Einige schnelle Berechnungen zeigten, dass keine dünne Platte es nageln wird. Die Verlustleistung ist ungefähr die gleiche wie bei einem 100-W-Audioverstärker pro einem der beiden Ausgangstransistoren, daher werden die gleichen Kühlkörper benötigt. Ihre Leistung leidet drastisch, wenn der Staub sie verstopft. Denken Sie daran, die regelmäßige Reinigung als Bedingung für die Garantie zu fordern oder stark übergroße Kühlkörper herzustellen.

— user287001
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Nein, noch kein Kühlkörperkandidat! Der Punkt ist, dass ich es gerne wissen würde, bevor ich Meter Alu bestelle. Der Wärmewiderstand ist zwar bekannt, aber die Linearitätsannahmen (x-fache Leistung in -> x-mal höheres DeltaT) scheinen für die Wärmeverteilung in einem Volumen zusammenzubrechen - oder nicht? Ich habe immer gedacht, dass das Wärmewiderstandsmodell nur innerhalb enger Grenzen angewendet wird.

— Marcus Müller

Dies ist meistens richtig, aber die passive Konvektion aufgrund der Erwärmung des Kühlkörpers ist nicht linear. Zum Glück funktioniert dies zu Ihrem Vorteil. Tun Sie alles so, als ob die LED-Temperatur linear mit der Temperatur über die Umgebungstemperatur ansteigt, und die zusätzliche Konvektion bei hohen Temperaturen gibt Ihnen einen kleinen Spielraum.

— Olin Lathrop

@ MarcusMüller der Kommentator Olin bedeutet, dass Wärme die Luft zum Fließen bringt. Dies kann bei niedrigen Leistungspegeln ziemlich laminar sein und der Luftstrom verringert den gesamten Wärmewiderstand. Schließlich wird es auf hohem Niveau so turbulent sein, dass sein Wirkungsgrad praktisch unvorhersehbar wird. Aber er hat recht.

— user287001

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@ MarcusMüller Es gibt keinen Widerspruch zwischen der ungleichmäßigen Temperaturverteilung und dem Gesetz x mal Leistung => x mal Delta T. Die Formel gilt immer noch für jeden Punkt separat.

— user287001

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@ MarcusMüller Du hattest die Idee, keinen Haufen Aluminium zu kaufen, bis du weißt, dass es gut funktioniert. Dann holen Sie sich ein kleineres Stück - das eine LED-Teil und führen Sie den Testlauf durch.

— user287001

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Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, was Sie mit einem passiven Kühlkörper erwartet. Cree fertigte ein Referenzdesign als Ersatz für eine 1000-W-HPS-Lampe.

Die Leuchte besteht aus vier "Motoren" . Jeder 130-Watt-Motor ist 11,25 "x 7,25" x 2,5 "groß. Dies entspricht im Wesentlichen der Größe des Kühlkörpers.

Der verwendete Kühlkörper ist ein Aavid Black Elodized P / N 62625

Geschätzter Preis (nur für Kühlkörper) $ 450

Das sind 3,46 US-Dollar pro Watt.

Für Ihre 64 Watt wären das 222 US-Dollar.

Die Kosten von 450 US-Dollar basieren auf einem Aavid Black Elodized P / N 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ").

Und ein Aavid 701652 1,78 "x 12" x 48 "war $ 431.

Jeder Motor besteht aus 48 LEDs mit einer Leistung von 130 Watt .

Sie würden einen Kühlkörper benötigen, der nur halb so groß ist. Dieser Kühlkörper ist 11,25 "x 7,25" x 2,28 "

— Falsch verstanden
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Lesen Sie den Blog-Beitrag "So entwerfen Sie einen Flachkühlkörper" http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Es enthält eine detaillierte Erklärung zur Berechnung des Wärmewiderstands einer Metallplatte, die als Kühlkörper verwendet wird. Ich glaube, Sie können auch eine Tabelle erhalten, die die Berechnungen durchführt, wenn Sie ihnen Ihre E-Mail-Adresse geben.

Im Wesentlichen müssen Sie die Strahlung und den natürlichen Konvektionswiderstand von den Außenflächen bestimmen und dann den Wärmeleitungswiderstand der Leitung bestimmen. Addieren Sie die drei anhand des unten gezeigten Wärmekreises:

wo:

Rconv ist der externe Konvektionswiderstand

Rrad ist der externe Strahlungswiderstand

Rsp ist der Ausbreitungswiderstand

Rint / Rcont ist der Kontakt- oder Schnittstellenwiderstand

Rth-jc ist der Fall zum Sperrschichtwiderstand der LED

Ts ist die Kühlkörperoberflächentemperatur

Tj ist die LED-Sperrschichttemperatur

Die Gleichungen für Rconv und Rrad sind ziemlich kompliziert und werden im Blog-Beitrag ausführlich erklärt.

— Mario
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Ein einfacher Gewürzsimulator erledigt dies: Es ist wie wenn ein Kondensator entladen wird.

— dannyf
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Entschuldigung, ich sehe es nicht. Ich frage grundsätzlich nach einer Möglichkeit, Modellparameter (z. B. den Wärmewiderstand) aus der Geometrie und den Materialeigenschaften meines Kühlkörpers abzuleiten. Sie sagen "sicher, ein linearer elektrischer Netzwerkanalysator wird das tun". Ich fürchte, das ist nicht der Fall. Ich suche nach Werten, die in ein "Ersatzschaltbild" eingesteckt werden sollen, nicht nach dem Schaltkreis.

— Marcus Müller

@ MarcusMüller Ich habe diese Antwort zunächst der Junkmail-Klasse vorgeworfen, aber sie hat eine Idee. Die Temperaturverteilung in einem langen Stab wäre eine abnehmende Exponentialfunktion. Die Variable ist nicht die Zeit, sondern der Abstand von der LED. Die Zeitkonstante sollte durch die Wärmediffusionslängenkonstante ersetzt werden. Leider ist diese Tatsache in dieser Phase keine große Hilfe.

— user287001