Diody LED są wydajne, ale nie są wolne od strat cieplnych. Część energii elektrycznej zamienia się w ciepło, które podnosi temperaturę złącza półprzewodnikowego. Jeżeli ciepło nie zostanie odprowadzone, spada strumień świetlny, zmienia się barwa świecenia, a żywotność diody wyraźnie się skraca. Dlatego w mocniejszych modułach LED radiator nie jest dodatkiem, lecz elementem projektu.

Poniżej wyjaśniamy, jak działa radiator LED i jak wykonać prosty radiator dla diody 1 W z materiałów dostępnych w warsztacie. To rozwiązanie nie zastępuje obliczeń termicznych w produkcie seryjnym, ale dobrze pokazuje zasadę odprowadzania ciepła i pozwala bezpieczniej uruchomić niewielki układ testowy.

Czym jest radiator LED?

Przykład radiatora do modułu LED.

Radiator LED to element, najczęściej aluminiowy, który odbiera ciepło z diody lub modułu LED i oddaje je do otoczenia. Ciepło najpierw przechodzi przez podłoże diody oraz warstwę interfejsu termicznego do radiatora, a następnie jest rozpraszane głównie przez konwekcję i promieniowanie. Im niższa temperatura złącza LED, tym stabilniejszy strumień świetlny i dłuższa żywotność całej oprawy.

Na rynku dostępne są radiatory o różnych kształtach: płaskie płytki, profile żebrowane, radiatory gwiazdowe do diod mocy oraz gotowe elementy do obudów lamp. Najczęściej stosuje się aluminium, ponieważ dobrze przewodzi ciepło, jest lekkie, łatwe w obróbce i odporne na korozję po anodowaniu. Dobór radiatora zależy od mocy LED, temperatury otoczenia, miejsca montażu i dopuszczalnej temperatury pracy diody.

Aluminiowy radiator z żebrami zwiększającymi powierzchnię oddawania ciepła.

Część radiatorów ma otwory lub rowki ułatwiające montaż płytki MCPCB, sterownika LED, przewodów i złączy zasilania. W modułach większej mocy, na przykład kilku- lub kilkunastowatowych, diody montuje się bezpośrednio do radiatora przez pastę termoprzewodzącą, klej termiczny albo śruby z odpowiednią izolacją elektryczną.

Radiator LED DIY: prosty przykład

Prosty radiator dla pojedynczej diody LED 1 W można wykonać z aluminiowej płytki i niewielkiego elementu zwiększającego powierzchnię oddawania ciepła. W takim układzie kluczowe są trzy rzeczy: dobry kontakt termiczny z diodą, możliwie duża powierzchnia aluminium oraz zasilanie LED przez ograniczenie prądu.

Wymagane materiały i narzędzia

Dioda LED mocy 1 W – 1 szt.

Płytka aluminiowa – 1 szt.

Papier ścierny o większej gradacji – 1 szt.

Młotek

Fragment metalowego profilu lub obudowy ze starej lampy – 1 szt.

Piłka ręczna do metalu

Klej termoprzewodzący lub pasta termoprzewodząca

Śrubokręt

Radiator LED: kolejne kroki

Krok pierwszy

Na tym etapie przygotowuje się aluminiową podstawę radiatora.

Przytnij aluminiową płytkę do potrzebnego wymiaru i wyrównaj ją młotkiem, jeżeli jest odkształcona. Dla diody 1 W warto użyć podstawy o grubości około 2 mm lub większej, ponieważ cienka blacha szybko się nagrzewa i ma małą pojemność cieplną. Powierzchnia pod diodą powinna być płaska, czysta i pozbawiona zadziorów.

Krok drugi

Na aluminiową płytkę można nałożyć pastę albo klej termoprzewodzący.

Przymocuj diodę LED do aluminiowej płytki. Najlepszy będzie cienki film pasty termoprzewodzącej i docisk mechaniczny, na przykład śrubą, o ile konstrukcja modułu na to pozwala. Jeżeli nie możesz użyć śrub, zastosuj klej termoprzewodzący. Zwykły klej cyjanoakrylowy lub uniwersalny klej epoksydowy nie jest dobrym interfejsem cieplnym, bo tworzy warstwę o słabej przewodności.

Krok trzeci

Ze starej lampy można odzyskać metalowy element zwiększający powierzchnię radiatora.

Rozkręć starą lampę lub obudowę i wyjmij metalowy profil, który posłuży jako dodatkowy element odprowadzający ciepło. Aluminium będzie lepszym wyborem niż stal, ale nawet stalowy profil może pomóc, jeżeli zwiększa powierzchnię kontaktu z powietrzem. Nie używaj elementów z tworzywa ani części z uszkodzoną izolacją elektryczną.

Krok czwarty

Papier ścierny usuwa rdzę, farbę i tlenki z powierzchni styku.

Oczyść papierem ściernym powierzchnie, które będą się stykały: aluminiową podstawę, dodatkowy profil oraz spód modułu LED. Usuń pył i odtłuść metal. Następnie nałóż bardzo cienką warstwę pasty albo kleju termoprzewodzącego i połącz elementy tak, aby nie było szczelin powietrznych. Nadmiar materiału termicznego nie poprawia chłodzenia; zwykle pogarsza przewodzenie ciepła.

Krok piąty

Po około godzinie pracy temperatura diody powinna ustabilizować się na bezpiecznym poziomie.

Uruchom diodę LED przez odpowiedni sterownik prądowy i obserwuj temperaturę radiatora. Dla typowej białej diody 1 W prąd pracy wynosi zwykle około 300-350 mA, a napięcie przewodzenia zależy od konkretnego modelu i koloru. Nie zasilaj diody bezpośrednio ze źródła napięcia 4 V bez ograniczenia prądu, ponieważ może to doprowadzić do przegrzania lub uszkodzenia LED.

Między zasilaczem a diodą należy zastosować źródło prądowe albo przynajmniej prawidłowo dobrany rezystor ograniczający prąd. Takie zabezpieczenie chroni LED przed przeciążeniem, a przy zwarciu lub błędnym podłączeniu ogranicza ryzyko uszkodzenia układu.

Zasada działania:

W tym prostym rozwiązaniu ciepło z diody 1 W przechodzi do aluminiowej podstawy przez cienką warstwę materiału termoprzewodzącego. Następnie rozchodzi się po metalu i jest oddawane do powietrza z większej powierzchni radiatora. Im lepszy kontakt między elementami i im większa powierzchnia radiatora, tym niższa temperatura pracy LED.

Radiator LED: FAQ

Czy dioda LED naprawdę potrzebuje radiatora? Tak, jeżeli jest to dioda mocy albo moduł pracujący z większym prądem. Dobre zarządzanie termiczne utrzymuje niższą temperaturę złącza, dzięki czemu LED świeci stabilniej i działa dłużej.

Dlaczego najczęściej używa się aluminium? Aluminium ma dobrą przewodność cieplną, niewielką masę, łatwo je ciąć i wiercić, a przy tym jest tańsze od miedzi. Miedź przewodzi ciepło lepiej, ale jest cięższa, droższa i trudniejsza w obróbce, dlatego w typowych oprawach LED aluminium jest najbardziej praktycznym wyborem.

Podsumowanie

Radiator LED ma jedno podstawowe zadanie: odprowadzić ciepło z diody do otoczenia, zanim temperatura złącza przekroczy bezpieczny zakres. W praktyce przekłada się to na stabilniejszą jasność, mniejsze przesunięcie barwy i dłuższą żywotność oprawy. Do małych eksperymentów wystarczy prosty radiator z aluminiowej płytki, ale w produkcie docelowym warto dobrać radiator na podstawie mocy strat, warunków otoczenia i danych katalogowych LED.

Jeżeli projektujesz płytkę LED, sterownik lub moduł z elementami mocy, OurPCB może pomóc w wykonaniu PCB, montażu oraz weryfikacji projektu pod kątem produkcji. Prześlij pliki Gerber i BOM, a wycenę otrzymasz w 12 godzin roboczych.