Тонкости работы со светодиодами, или для чего нужно охлаждение

За последние несколько лет светодиоды довольно сильно упали в цене, что существенно расширило их область применения. Они могут использоваться не только как составляющая систем освещения, но также входить в основу любительских схем и поделок. При этом радиаторы для светодиодов составляются грамотно вовсе не часто, хотя это один из основных способов охлаждения устройств. Своими руками собрать схему из светодиодов 1-10w не так уж сложно, а вот как сделать это грамотно – другой вопрос.

Что нужно знать при работе со светодиодами?

• Различия ламп накаливания и светодиодов довольно существенны. Они имеют две ножки (“+” и “-”), что делает их чувствительными к полярности, а также работают от постоянного напряжения.
• Расчет схемы со светодиодами должен включать в себя не только измерение напряжения, но также вычисление силы тока. Теоретически, напряжение может быть каким угодно, если при этом будет стабилизирована необходимая сила тока.
• Любые потребители электроэнергии имеют тенденцию нагреваться, но в случае светодиодов необходимо обеспечить систему охлаждения.

Производя расчет будущего устройства, нужно учитывать, что только 1/3 указанной мощности светодиода будет преобразована в световой поток (3-3,5 из 10w). Оставшаяся часть, к сожалению, перейдет в разряд тепловых потерь. Это число можно несколько понизить, используя радиатор.

Не стоит забывать также о том, что многократное перегревание светодиода в несколько раз уменьшает его время эксплуатации, которое может насчитывать десятки, а то и сотни тысяч часов для различных моделей и конструкций. Чтобы ресурсы не расходовались зря, схемы с использованием светодиодов должны включать в свою конфигурацию систему охлаждения основных элементов.

На сегодняшний день можно выделить 3 основных способа отведения тепла:

• через корпус устройства (не всегда реализуемо);
• через саму печатную плату (через её вспомогательные компоненты или дорожки, по которым проходит ток);
• через радиатор (можно припаять или приклеить на светодиоды или на плату, важно правильно подобрать его площадь).

Именно последний способ считается наиболее эффективным. При этом на работу самого радиатора влияет в основном количество и форма ребер.

Расчеты и величины

Расчет схемы начинается с подбора элементной базы. Номинал должен не только соответствовать возможностям проектируемого устройства, но, по возможности, не создавать дополнительных потерь, уменьшающих эффективность системы.

Популярность светодиодов на 1w предельно легко объяснить – они довольно неприхотливы, что практически до бесконечности расширяет область их применения. Казалось бы, увеличение мощности должно сказываться на яркости, но это не совсем так. Установка светодиода на 3w по характеристикам светового потока равняется монтажу 2-х светодиодов по 1w, но при этом увеличивает расход энергии (учитывать, правда, стоит и режимы работы устройства).

Использование сверхъярких светодиодов на 10w и выше или матриц от 10w окупает себя в основном при необходимости полноценно освещать сравнительно большую площадь. Объяснить это можно тем, что для небольшого пространства поток света большой концентрации может оказаться избыточным.

В случае пассивного охлаждения светодиодов, они могут закрепляться непосредственно на теплоотводах. Как радиатор можно использовать строительные медные или алюминиевые профили различного сечения (несложно собрать даже своими руками). При этом без обдува использование радиатора с большим количеством ребер вряд ли окажется эффективным.

Что принимать во внимание, монтируя радиатор:

• Учитывать стоит лишь площадь внешних элементов, внутренние ребра, вне зависимости от количества и величины, обычно обеспечивают не более 10-15% охлаждения;
• При вычислениях отталкиваться можно от соотношения 1w на 20 см² (при этом минимальная толщина стенки для не менее 1-2 мм для 1 w, 2-3мм для 3 w, 4-6 мм для 10w сверхъярких диодов и 10w матриц);
• Температура основания светодиода не должна подниматься выше 50ºС (при достижении отметки в 80ºС люминофор начинает деградировать, тем приводя к поломке светодиода);
• Собирая схему своими руками, можно попытаться найти радиатор от старых советских элементов (транзисторов, материнских плат), что существенно облегчит поставленную задачу;
• Если чертеж устройства позволяет, можно использовать светодиоды, изначально прикрепленные к основанию произвольной формы. Находящиеся на них контактные площадки (2-4 и больше) не только упрощают спайку, но также значительно уменьшают нагрев светодиодов;
• При монтаже светодиода на радиатор проще всего использовать термоклей (клей, устойчивый к воздействию температур, а не состав для термопистолета). Подойдет также быстросохнущая полиэфирная оксидная смола (можно найти в авто-магазинах).

Правильно собрать схему для освещения своими руками – довольно просто. Нужно учитывать некоторые особенности светодиодов, подобрать соответствующий радиатор, предварительно сделав расчет и вычислив его площадь. Радиаторы можно приобрести также в специализированных отечественных или зарубежных магазинах. Готовые охладители хороши тем, что они практически идеально подходят для монтажа. С другой стороны, стоимость покупного радиатора делает собственноручную сборку устройств довольно затратной.