SW Simulation. Радиатора для светодиодов

[Citizen2018 2]

Здравствуйте уважаемые инженеры и сочувствующие им! Прошу помощи... Шев поставил задачу: сделать теплотехнический расчет для уличного светильника на светодиодах. Опыта в этом деле нет, голова уже кругом. Расскажу что я делал по порядку, а вы уж поправьте пожалуйста! Кстати, не обращайте внимания на радиатор, это тестовый чертеж, без претензий)) Мне бы понять что я не так делаю для начала.

Характеристики диода есть на скриншотах.

 

1) Создаю сборку светильника.

2) Создаю исследование -> Термическая

3)Применяю материалы для деталей : к радиатору - алюминий, к подложке диодов - алюминий, к диодам - кремний.

4) Добавляю термические нагрузки:

    а. Тепловая мощность - на диоды в объеме, общая 39Вт.

    б. Конвекция - на все грани всей сборки, 25 Вт/м^2*K , массовая температура окружающей среды - 293К.

Тут первый вопрос по  коэффициенту конвекции. Правильно ли будет взять 25? В справке по Силиду естественная конвекция 5-25 Вт/м^2*K. 

5) Запускаю исследование.

 

Видим что разница между максимальной и минимальной температурой всего 4 градуса С и максимальная 34С.  Как-то не похоже на правду...

Дальше я пробовал добавить термическое сопротивление... так и сяк... в итоге совсем запутался. Грелся только диод до бешеных температур, а радиатор оставался холодным.

 

Подскажите что я не так делаю, какие термические сопротивления нужно добавить? Или что как вообще? ((

 

 

[soklakov 1 475]

51 минуту назад, Citizen2018 сказал:

Правильно ли будет взять 25? В справке по Силиду естественная конвекция 5-25 Вт/м^2*K. 

лучше оценить вилку. худший случай ведь 5.

52 минуты назад, Citizen2018 сказал:

Дальше я пробовал добавить термическое сопротивление... так и сяк... в итоге совсем запутался. Грелся только диод до бешеных температур, а радиатор оставался холодным.

так и должно быть при наличии сопротивления.

53 минуты назад, Citizen2018 сказал:

а. Тепловая мощность - на диоды в объеме, общая 39Вт.

тут должно быть 25%(кпд 75%) от номинальной мощности, так?

 

54 минуты назад, Citizen2018 сказал:

Мне бы понять что я не так делаю для начала.

для начала - хорошо)

[Citizen2018 2]

4 часа назад, soklakov сказал:

тут должно быть 25%(кпд 75%) от номинальной мощности, так?

 

Из разных источников я узнал, что кпд сд 30-40%. Тогда принял, что 65% энергии расходуется на тепловыделение. 39Вт это только рассеиваемая мощность, а общая 60Вт.

Из даташита на диод вижу, что тепловое сопротивление переход-точка пайки 4 С/Вт. Мне нужно учитывать этот параметр при расчете? Я пробовал подкинуть это сопротивление к исследованию, но диоды тогда грелись больше 200 С, а радиатор с подложкой оставались холодными (22-24С).  По логике, еще есть сопротивление подложка-радиатор и радиатор-воздух... Какие тут сопротивления будут? 

 

[rusl3 30]

Из данных сд 3В*1,5А=4,5Вт на один светодиод полной мощности (В ДШ напряжение при токе 0,35А (номинал?) а предельный 1,5А при котором не указано падение, будем считать, что не особо выше). В тепло примерно 3Вт. При указанном теплосопротивлении переход-подложка 4 С/Вт светик будет горячее подложки на 12 градусов. Сам кристалл на подложке можно не моделить, кристалл не сильно меньше подложки (Зачем? и так все ясно. После расчета останется добавить градусы к подложке и будет температура кристалла, если надо ). Тепло приложить поверхностно к подложке. Дальше скользкий вопрос - теплосопротивление подложка-радиатор. Зависит от способа крепления и термоинтерфейса (паста?). Тут гугл в помощь и цифры на любой вкус.

А дальше два расчета с 5 Вт/м^2*K  и 25 Вт/м^2*K - уже будет понятно. Мало? добавляем воздух и считаем вынужденную конвекцию...

 

[Citizen2018 2]

Спасибо за подробный ответ! Забыл упомянуть, номинальный ток 700мА, на нем и будет работать, напряжение 3,04В.  мощность 2,13Вт. Ну это не существенно, мощно разную мощность прикинуть, но я не как не врубался почему у меня диоды грелись так сильно, при тепловом сопротивлении 4 С/Вт. 

Но сейчас все встало на место, я тупень блин. 4 С/Вт это же для одного диода, а у меня их 12! А значит 4/12=0,333 С/Вт! Все сразу же встало на свои места, и радиатор греться стал, и диоды в отличном режиме Tmax=60C. Теперь найду сопротивление подложка-радиатор и все. Кстати подскажите, правильно ли что у подложки материал алюминий? 

[soklakov 1 475]

11 час назад, Citizen2018 сказал:

Из даташита на диод вижу, что тепловое сопротивление переход-точка пайки 4 С/Вт. Мне нужно учитывать этот параметр при расчете?

да. с ним будет лучше и точнее. но и без него посчитать - полезное, чтобы представлять себе его влияние и чувствительность задачи к этому параметру.

11 час назад, Citizen2018 сказал:

Я пробовал подкинуть это сопротивление к исследованию, но диоды тогда грелись больше 200 С, а радиатор с подложкой оставались холодными (22-24С).

а разве так не должно быть? при какой температуре светят диоды?

кстати, на таких температурах важно излучение учесть.

11 час назад, Citizen2018 сказал:

По логике, еще есть сопротивление подложка-радиатор и радиатор-воздух... Какие тут сопротивления будут? 

первое должно стремиться к нулю, иначе это плохой радиатор. но можно и пробовать учесть. а вот второе отсутствует. на границе радиатор-воздух только конвективный теплообмен и излучение. сопротивление там не нужно.

 

[Citizen2018 2]

2 минуты назад, soklakov сказал:

а разве так не должно быть? при какой температуре светят диоды?

Нет не должно. Максимальная температура на кристалле 150С. Но даже выше 85С уже начинается медленная деградация. По задаче желательно добиться результата 55-60С на кристалле в режиме максимальной нагрузки (ну скажем температура воздуха 40С, низкая конвекция, может еще солнышко припекать будет) Вот кстати насчет солнышка, как учесть солнечную радиацию, т.к. светильник уличный.

[soklakov 1 475]

Только что, Citizen2018 сказал:

Вот кстати насчет солнышка, как учесть солнечную радиацию, т.к. светильник уличный.

ставьте диодами вниз, чтобы прямой свет солнца не попадал.

[Citizen2018 2]

Только что, soklakov сказал:

ставьте диодами вниз, чтобы прямой свет солнца не попадал.

А корпус ведь все равно греется от солнца.  Если летом железяку как-то на солнце оставить, она накаляется будь здоров! Думаю нужно учесть этот немаловажный параметр.

[rusl3 30]

12 минуты назад, Citizen2018 сказал:

Нет не должно. Максимальная температура на кристалле 150С. Но даже выше 85С уже начинается медленная деградация. По задаче желательно добиться результата 55-60С на кристалле в режиме максимальной нагрузки (ну скажем температура воздуха 40С, низкая конвекция, может еще солнышко припекать будет) Вот кстати насчет солнышка, как учесть солнечную радиацию, т.к. светильник уличный.

При 200 цельсия из светодиода начинает выходить волшебный дым, да и линза пластик..

Учесть солнце можно, но это уже другая тема.. Полноценный расчет в во Flow Simulation нужен (можно и без него тупо тепловой поток задать наверно). А там и степень черноты вылезет (для разной отделки алюминия сильно разная). Хороший черный радиатор солнце и без сд нагреет поболе 60 без ветра. Может белый кожух с отверстиями для воздуха и ну его это солнце?

При хорошем радиаторе самое узкое (и нестабильное, крепежа хорошего даже нет) место термопаста, площадь подложки мизерная.

Да и точно сд прям на радиатор без похожей (на картинке)прокладки?

Изменено 30 октября 2018 пользователем rusl3

[soklakov 1 475]

10 минут назад, Citizen2018 сказал:

А корпус ведь все равно греется от солнца.  Если летом железяку как-то на солнце оставить, она накаляется будь здоров! Думаю нужно учесть этот немаловажный параметр.

можно конструктивно предусмотреть отсутствие тепловых мостов между корпусом и подложкой. иначе толку учитывать-то, если переделывать придется.

[rusl3 30]

1 минуту назад, soklakov сказал:

можно конструктивно предусмотреть отсутствие тепловых мостов между корпусом и подложкой. иначе толку учитывать-то, если переделывать придется.

Во многих сд светильниках мощнее ночника корпус и есть радиатор.

И светят ночью))

Изменено 30 октября 2018 пользователем rusl3

[Citizen2018 2]

8 минут назад, rusl3 сказал:

Хороший черный радиатор солнце и без сд нагреет поболе 60 без ветра. Может белый кожух с отверстиями для воздуха и ну его это солнце?

Радиатор обычный алюминиевый, без покрытий каких-либо. Можно, наверное, узнать какой тепловой поток создает солнечная радиация в солнечный день и умножить на коэффициент отражения алюминия. Прокатит такое? 

У нас есть тепловизер, можно будет попробовать сравнить результаты. Единственное сейчас нет солнца, его учесть не получится.

У меня на чертеже диоды и подложка как отдельные детали, но по факту это готовая заводская планка, чипы разведены и припаяны на подложке. Пайку как тепловое сопротивление я не учитываю, уж не термопаста все-таки. А вместо этого я на переход диод-подложка применяю тепловое сопротивление переход-точка пайки. Думаю погрешность мизерная будет. Или лучше все расчертить прям до мелочей?

[Citizen2018 2]

Цитата

Радиатор обычный алюминиевый, без покрытий каких-либо.

а нет, вру, алюминий анодированный

Да, глупость я сказал насчет учета солнечной радиации... Уличному светильнику ведь незачем ночью светить)) И если покупатель будет оставлять его включенным днем, это уже его проблемы

Изменено 30 октября 2018 пользователем Citizen2018

[rusl3 30]

22 минуты назад, Citizen2018 сказал:

У меня на чертеже диоды и подложка как отдельные детали, но по факту это готовая заводская планка, чипы разведены и припаяны на подложке. Пайку как тепловое сопротивление я не учитываю, уж не термопаста все-таки. А вместо этого я на переход диод-подложка применяю тепловое сопротивление переход-точка пайки. Думаю погрешность мизерная будет. Или лучше все расчертить прям до мелочей?

Подложка светодиода и радиатор обычно через термопасту - вот это место что-то даст. Остальные мелочи пусть остаются мелочами. Там задаете теплосопротивление?

[Citizen2018 2]

6 минут назад, rusl3 сказал:

Там задаете теплосопротивление?

Вот как раз ищу значения сопротивления между подложкой и радиатором. Скорее всего соединение будет без термопасты, т.е. алюминий-алюминий, заклепками. Вот нашел в справке по солиду интересные таблицы. Думаю подойдет.

ТОлько не понял одно, сопротивление в солиде можно ввести двумя измерениями С/Вт и К*м^2/Вт. А тут имеем таблицу проводимости Вт/К*м^2.... что-то я не понял что дальше делать? Как перести в пепловое сопротивление?

[karachun 2 038]

Сопротивление это 1/проводимость. Это видно по размерностям.

[MotorManiac 130]

18 часов назад, Citizen2018 сказал:

б. Конвекция - на все грани всей сборки, 25 Вт/м^2*K , массовая температура окружающей среды - 293К.

Да по идее это только относится к поверхностям радиатора, который контактирует с атмосферой. Если диоды будут экранированы стеклом, то под ним будет своя температура, не равная температуре окружающего воздуха. И коэффициенты теплоотдачи тоже будут различаться - для атмосферы свои, под стеклом свои.

[Citizen2018 2]

3 минуты назад, MotorManiac сказал:

Если диоды будут экранированы стеклом, то под ним будет своя температура, не равная температуре окружающего воздуха. И коэффициенты теплоотдачи тоже будут различаться - для атмосферы свои, под стеклом свои.

Согласен, это тоже нужно будет проработать.

20 минут назад, karachun сказал:

Сопротивление это 1/проводимость. Это видно по размерностям.

т.е. если у меня контакт алюминий-алюминий, то 1/2200=0,00045 К*м^2/Вт?

1 час назад, rusl3 сказал:

Да и точно сд прям на радиатор без похожей (на картинке)прокладки?

Вот такой модуль, ну или близкий к такому. 

[soklakov 1 475]

4 минуты назад, Citizen2018 сказал:

т.е. если у меня контакт алюминий-алюминий, то 1/2200=0,00045 К*м^2/Вт?

да. очень маленькое сопротивление. стремится к нулю.

@Citizen2018 , тут больше вопрос к шероховатости поверхностей. попробуйте найти таблицу зависимости сопротивления от шероховатости.  в ваших таблицах это что-то про разреженные зазоры.

но вообще, пренебречь, вальсируем.