Modélisation du transfert de chaleur de Power LED à barre métallique

Je joue avec l'éclairage du lieu de travail et j'ai développé une source de courant constant PWM compatible 20 V -> 38 V pour piloter mes LED de puissance (puissance maximale d'environ 64 W). Jusqu'ici tout va bien. Cependant, j'ai presque tué thermiquement une LED en la fixant sur un dissipateur de chaleur considérablement sous-dimensionné ("heureusement", les contacts des fils se dessoudaient juste à temps, arrêtant le processus).

Maintenant, j'envisage des options de refroidissement. Voulant éviter le refroidissement actif (c'est-à-dire le ronflement d'un ventilateur), je considérais la sortie "paresseuse" (dimension loin d'être finale, je n'ai pas encore de candidat dissipateur thermique ):

Je souhaite monter la LED 19 x 19 mm directement sur une barre ou un profilé en aluminium. Maintenant, je joue déjà avec un logiciel de simulation thermique, mais cela semble exagéré (et jusqu'à présent, il se bloque principalement, et j'ai beaucoup de théorie à rattraper). Donc:

• Existe-t-il un modèle analytique bien connu pour la distribution de chaleur lors de la fixation d'une source de chaleur à puissance constante à un morceau de métal?
  • sinon, existe-t-il un logiciel de simulation de référence? Jusqu'à présent, je joue avec Elmer.
• La simulation est-elle la voie à suivre, ou le refroidissement passif est-il damné pour les LED 60W?

Données (de la fiche technique LED ):

• Résistance thermique du boîtier de jonction 0,8 K / W
• 19x19 mm
• puissance nominale maximale 64,2 W
• puissance continue que je prévois d'utiliser: 36,6 V · 0,72 A = 26,352 W

Si ma compréhension est correcte, vous souhaitez estimer la résistance thermique d'un dissipateur thermique ou d'une dalle de matériau thermiquement conducteur à l'air ambiant, sans aucun flux d'air ( = convection naturelle ).

Il existe une belle calculatrice en ligne pour les dissipateurs rectangulaires à ailettes qui implémente le modèle de convection naturelle pour les dissipateurs thermiques (une explication plus académique et détaillée du modèle est ici ).

Voici un exemple pertinent pour votre problème de conception (dimensions extérieures 55x55x55 mm, ailettes 10x1 mm, épaisseur de la plaque de base 10 mm et une conductance de contact plutôt conservatrice de 2000 W / m2ºC):

La température de source résultante pour une température ambiante de 25 ° C et 26,35 W de chaleur circulant dans le dissipateur thermique est d'environ 110 ° C, ce qui signifie que le dissipateur thermique aurait une résistance thermique de 3,23 ° C / W dans des conditions de convection naturelle.

Expérimentez avec la calculatrice afin de trouver les dimensions extérieures qui conviennent le mieux à votre conception.

J'ai suivi cette voie, mais les simulateurs coûtent beaucoup trop cher et ont une courbe d'apprentissage abrupte. Si vous n'êtes pas un ingénieur en dynamique thermique, vous pouvez avoir des problèmes pour comprendre le jargon, je l'ai fait. J'ai lu des manuels sur la dynamique thermique et toutes sortes de papiers de conception de dissipateurs thermiques et de simulateurs de dissipateurs thermiques.

Je suggère que vous obteniez la barre en aluminium sur les métaux en ligne 1,23 $ (0,125 x 1,5 x 12) (le 6061 T6511 est le moins cher), montez la LED pour la faire fonctionner, mettez la barre au réfrigérateur. Sortez-le dans une pièce humide où il se condense. Ensuite, mettez-le dans le congélateur, faites-le givré, sortez-le, allumez-le et regardez les motifs que les cristaux de glace font pendant qu'ils fondent lorsque la barre se réchauffe. Le résultat est similaire à la sortie d'un simulateur. La vraie vie est aussi étonnamment précise.

En plus ce n'est pas un effort inutile, si vous faites la simulation, vous avez toujours besoin de la barre pour voir à quelle distance les simulations étaient.

Mais le problème est que vous vous retrouverez dans une heure environ avec une barre d'aluminium très chaude presque aussi chaude que la LED. Mais vous n'avez pas besoin de beaucoup d'air avec une grande surface. Une barre d'aluminium à 1,23 $ ou moins par pied est un sacré dissipateur de chaleur bon marché.

Je n'aime pas non plus les fans. Celui-ci est très silencieux car il ne bouge que de 13 CFM @ 12VDC, 30,3 dB, 2300 tr / min mais il était efficace.

36 V 2,4 A max.
Motif montré uniquement sur un côté, il était en fait symétrique.

Mesurer l'arrière de la température.

Le courant a baissé et s'est diffusé.

La bonne nouvelle: il existe en effet un modèle mathématique simple et assez précis.

Fondamentalement, vous pouvez modéliser la plupart des problèmes thermiques comme un simple circuit électrique:

1. Puissance thermique = courant électrique
2. Différence de température thermique = tension électrique
3. Résistance thermique = résistance électrique
4. Masse thermique = condensateur électrique

Votre cas est encore plus simple: comme vous ne vous souciez pas des constantes de temps, vous n'avez pas à vous soucier de la masse thermique.

Votre modèle devrait donc ressembler à ceci

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

Où

• R1: résistance thermique de la jonction LED à la surface de montage LED
• R2: résistance thermique pour la connexion LED à Al
• R3: résistance thermique de l'Al à l'air ambiant

Ils sont tous en série, vous pouvez donc simplement les additionner. Si vous avez R1 = 1,2 K / W, R2 = 0,8 K / W et R3 = 0,1 K / W, votre résistance totale serait de 2,1 K / W. Pour 40 W de chaleur dissipée, votre jonction LED serait à 2,1 K / W * 40 W = 84 Kelvin (ou Celsius) au-dessus de la température ambiante. À une température ambiante de 25 ° C, la jonction serait à 109 ° C.

La mauvaise nouvelle: les données dont vous avez besoin pour modéliser cela sont notoirement difficiles à prévoir

Vous aurez besoin de trois résistances thermiques et de la température de jonction LED maximale autorisée.

1. Si vous êtes chanceux, vous pouvez trouver R1 et la température maximale pour la LED dans la fiche technique.
2. R2 est très délicat, car il dépend du matériau exact, de la forme exacte, de la planéité, des traitements de surface exacts de votre surface de montage et de la barre en Al. Même la couleur et les détails du processus d'anodisation de l'aluminium comptent ici.
3. R3: SI la barre est assez grande, elle devrait être assez petite

Que faire dépend des capacités de mesure dont vous disposez. En général, cela a de bonnes chances de fonctionner. Assurez-vous que la LED est fermement attachée à la barre AL et mettez un tampon thermique ou de la pâte thermique sur la connexion.

Touchez la barre: elle devrait être sensiblement plus chaude très près de la LED. Sinon, cela signifie que vous ne transférez pas de chaleur dans la barre et que la connexion thermique n'est pas bonne. Si toute la barre est chaude ou même chaude, vous n'obtenez pas suffisamment de couplage thermique avec l'environnement. Considérez plus de surface pour la barre.

Une LED 60W est un défi thermique car la source de chaleur est petite et très puissante. Par conséquent, vous aurez besoin d'un métal épais pour diffuser la chaleur latéralement dans un dissipateur thermique suffisamment grand.

Ceci est similaire à un processeur de PC de bureau: petite surface, beaucoup de puissance. De nombreux dissipateurs de chaleur pour PC de bureau utilisent des caloducs pour résoudre le problème de propagation de la chaleur. Un dissipateur thermique sans ventilateur pour PC devrait fonctionner.

Cependant, cela ne résout pas votre autre problème, à savoir qu'une LED de 60 W est une source ponctuelle très lumineuse et n'est pas idéale pour l'éclairage du lieu de travail. Il sera d'une luminosité aveuglante et projettera des ombres dures.

Vous pouvez résoudre les deux problèmes en utilisant des bandes LED comme celle-ci:

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

Je les ai utilisées dans un projet:

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

Ils viennent sur un PCB métallique et la bande peut être découpée en LED individuelles. Je les ai ensuite collés sur des profilés en L en aluminium en utilisant de l'époxy thermoconducteur (une LED tous les 10 cm).

La diffusion des LED générant de la chaleur sur une longueur de profilé en aluminium permet un refroidissement beaucoup plus facile et génère une lumière plus agréable.

ÉDITER

OK, allons-y avec la LED 60W.

Je suppose que ça pointe vers le bas. Vous souhaitez que les ailettes du dissipateur thermique soient verticales pour une convection optimale. Cela pointe vers ce type de facteur de forme:

Lien Lien

Si vous utilisez un dissipateur de chaleur plat, vous devrez monter la LED sur un carré d'aluminium épais, puis le monter sur un dissipateur de chaleur.

Comme votre problème est la propagation de la chaleur générée par une petite source, vous pouvez également utiliser des caloducs plats:

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Il y a Lisa, un outil d'analyse par éléments finis qui est gratuit au moins pour les modèles qui ont max. environ 1000 nœuds.

La simulation est difficile, nécessite une compréhension approfondie et est basée sur des hypothèses sur les conditions aux limites. De vrais tests, si sûrs et possibles sont meilleurs. Si vous possédez déjà la LED et le dissipateur thermique, vous pouvez bien l'essayer. Faites-le fonctionner à un niveau de puissance connu mais sûr, laissez-le atteindre l'équilibre (= plus d'élévation de température mesurable) et stockez cette température finale. Vous devez avoir un équipement approprié pour les mesures. La différence de température entre la led et la température ambiante est directement proportionnelle à la puissance dissipée. Bien sûr, vous ne pouvez pas entrer dans la LED avant de vous utiliser comme capteur. Le fabricant peut éventuellement fournir des données utiles sur la relation entre la tension directe, le courant et la température.

Mais vous pouvez également mesurer à la frontière entre la led et le dissipateur thermique. Il y a sûrement disponible la résistance thermique entre ce point et le semi-conducteur ou les limites de température autorisées sont directement indiquées comme des températures à la frontière du dissipateur thermique.

Si votre élévation de température à 10W est disons 1/3 de l'élévation autorisée, vous pouvez avoir au maximum la dissipation = 30W.

Notez que dans une armoire, la température ambiante augmente également et cela doit être pris en compte. Un autre appareil de chauffage adjacent doit également être pris en compte. Il réchauffe l'ambiance et dégage également de la chaleur. Vous voyez maintenant et vous savez probablement déjà que la conception thermique est un domaine plein de défis et de pièges.

ADDENDA: Le problème est intéressant. Je l'avais pris pour acquis que le montage sur une plaque en aluminium résout le problème de chaleur avec les leds. Quelques calculs rapides ont montré qu'aucune plaque mince ne le clouera. La dissipation est tout à fait la même que dans un amplificateur audio 100W pour l'un des 2 transistors de sortie, donc des dissipateurs thermiques similaires sont nécessaires. Leurs performances souffrent considérablement si la poussière les obstrue. N'oubliez pas de supprimer le nettoyage régulier comme condition de la garantie ou de fabriquer des dissipateurs thermiques surdimensionnés.

Pour vous donner une idée de ce que vous affrontez avec un dissipateur thermique passif. Cree a conçu un modèle de référence en remplacement d'une lampe HPS de 1000 W.

Le luminaire est composé de quatre "moteurs" . Chaque moteur de 130 watts mesure 11,25 "x 7,25" x 2,5 ". C'est essentiellement la taille du dissipateur thermique.

Le dissipateur thermique utilisé est un Aavid Black Anodized P / N 62625

Prix ​​estimé (pour le dissipateur thermique uniquement) 450 $

C'est 3,46 $ par watt.

Pour vos 64 watts, ce serait 222 $.

Le coût de 450 $ est basé sur un Aavid Black Anodized P / N 627252 (2,28 "x 9,75" x 55 ")

Et un Aavid 701652 1,78 "x 12" x 48 "était 431 $.

Chaque moteur est composé de 48 LED poussant 130 watts .

Vous auriez besoin d'un dissipateur de chaleur seulement la moitié de cette taille. Ce dissipateur thermique mesure 11,25 "x 7,25" x 2,28 "

Consultez l'article de blog «Comment concevoir un dissipateur de chaleur à plaque plate» http://www.heatsinkcalculator.com/blog/how-to-design-a-flat-plate-heat-sink/ . Il fournit une explication détaillée de la façon de calculer la résistance thermique d'une plaque métallique utilisée comme dissipateur thermique. Je pense que vous pouvez également obtenir une feuille de calcul qui effectue les calculs si vous leur donnez votre adresse e-mail.

Essentiellement, vous devez déterminer la résistance aux radiations et à la convection naturelle des surfaces externes, puis déterminer la résistance thermique de conduction. Ajoutez les trois ensemble en fonction du circuit thermique illustré ci-dessous:

où:

Rconv est la résistance de convection externe

Rrad est la résistance au rayonnement externe

Rsp est la résistance à l'étalement

Rint / Rcont est la résistance de contact ou d'interface

Rth-jc est le cas de la résistance de jonction de la LED

Ts est la température de surface du dissipateur de chaleur

Tj est la température de jonction des LED

Les équations pour Rconv et Rrad sont assez impliquées et sont expliquées en détail dans le blog.

Un simple simulateur d'épices fera cela: c'est comme un condensateur déchargé.