Грамотне охолодження світлодіодів — це альфа і омега будь-якого кастомного світла. Якщо кристал перегрівається, його деградація прискорюється в десятки разів. Але як зрозуміти, шматок алюмінію якого розміру вам потрібен? Брати з величезним запасом — означає переплачувати за метал і обтяжувати конструкцію (хоча чому б і ні, якщо є така можливість). Брати впритул — ризикувати світлодіодами, втратити запас "міцності" у спекотну літню погоду.

Саме для того, щоб позбавити вас від ворожіння на кавовій гущі та складних багатоповерхових формул, ми створили цей інструмент. Нижче ми детально розберемо фізику процесу і покажемо, як онлайн розрахунок радіатора для світлодіодів рятує ваші проєкти від термічного колапсу.

Вати з розетки — це не Вати тепла

Коли людина вперше замислюється про те, як порахувати необхідну площу радіатора для світлодіодного модуля, вона зазвичай бере паспортну потужність світильника. Наприклад, у вас є Quantum Board на 100 Вт. Логіка підказує: потрібно відвести 100 Вт тепла. Ви йдете на форум, знаходите старе дідівське правило «30 квадратних сантиметрів на один Ват» і шукаєте профіль на 3000 см².

Світлодіод — це не праска (хоча, як ви знаєте, бувають і праски) і не лампа розжарювання, які перетворюють на тепло майже всю спожиту енергію. Завдання LED-кристала — генерувати фотони. І сучасні топові діоди (наприклад, від Samsung, Cree, Osram або Seoul Semiconductor) справляються з цим чудово. Ефективність (WPE — Wall-Plug Efficiency) хороших сучасних чипів становить від 50% до 80%.

Що це означає на практиці?

• Якщо у вас якісний борд на 100 Вт із ККД 60%, то 60 Вт енергії вилітає у вигляді чистого світла.
• І лише решта 40 Вт перетворюються на паразитне тепло, якого потрібно позбуватися.

Відповідно, розрахунок радіатора охолодження для led потрібно вести не на 100 Вт, а всього на 40 Вт (але насправді мінімум 50 Вт із запасом, якщо ви впевнені, що у вас дійсно якісний борд). Якщо бути чесним, то дідівське правило 30 см² на 1 Вт продовжує працювати, тільки якщо будувати світильник на сучасних світлодіодах рівня Seoul Semiconductor, Osram, Cree — тоді число 30 зменшується до 25 см² на 1 Вт. Різниця в габаритах, вазі та вартості алюмінієвого профілю буде відчутною. Зворотна ситуація відбувається з дешевими китайськими COB-матрицями (ті самі світлодіодні праски з AliExpress). Їхній реальний ККД рідко перевищує 20-30%. Вставивши в розетку 100 Вт, ви отримаєте 25 Вт посереднього світла і 75 Вт концентрованого тепла, здатного обігрівати приміщення навколо.

Чому так важливо утримувати температуру?

Температура самого кристала (Tj — Junction Temperature) — це головний показник здоров'я вашого світильника. У даташитах виробників зазвичай вказується абсолютний максимум у районі 105–120 °C. Але це межа смерті.

Оптимальна робоча температура кристала, за якої діод видає заявлений світловий потік і живе обіцяні 50 000 годин — це 65–85 °C. Звісно, чим нижче, тим краще: зростає ККД і термін життя.

Що відбувається під час перегріву:

1. Падіння світловіддачі. Фізика напівпровідників невблаганна: чим гарячіший кристал, тим менше фотонів він випромінює при тому самому струмі. Нагрівання діода з 50 °C до 100 °C може «з'їсти» до 10% яскравості. Ви платите за електрику, але отримуєте менше світла.
2. Деградація люмінофора. Біле світло виходить за рахунок покриття синього кристала жовтим люмінофором. Від жорсткого перегріву люмінофор каламутніє, тріскається або вигоряє. Діод починає неприємно "синіти", а потім вмирає.
3. Руйнування бондінгу. Найтонші золоті провідники всередині корпусу діода при постійних циклах сильного нагрівання і охолодження можуть просто відірватися через теплове розширення.

Як працює тепловий ланцюг (і чому формули зводять з розуму)

Щоб тепло від кристала (Tj) потрапило в навколишнє повітря (Ta), йому потрібно подолати кілька бар'єрів. У термодинаміці це описується тепловим опором, який вимірюється в Кельвінах на Ват (K/W).

Шлях тепла виглядає так:

• Сам кристал → підкладка діода (внутрішній опір з даташита).
• Підкладка діода → друкована плата (опір алюмінієвої MCPCB плати).
• Друкована плата → радіатор (опір термопасти або термоскотчу).
• І, нарешті, радіатор → повітря навколишнього приміщення.

Щоб зробити точний розрахунок радіатора охолодження для led на папері, вам потрібно відняти від цільової температури кристала (наприклад, 80 °C) температуру в приміщенні (наприклад, 30 °C), а потім розділити це на кількість «теплових» Ват. Отримане значення потрібно очистити від опору плати та термопасти. У результаті ви отримаєте необхідний термічний опір самого радіатора (Rhs). А вже його потрібно конвертувати в площу оребрення, враховуючи конвекцію.

Звучить складно? Більшості користувачів зовсім не хочеться занурюватися в товщину мідної фольги на платі, шукати теплопровідність термопасти MX-4 і переводити K/W у квадратні сантиметри.

Використовуємо онлайн калькулятор площі радіатора

Саме для цього створено віджет. Він бере всю нудну математику на себе. Як ним користуватися:

1. Вкажіть загальну електричну потужність. Скільки Ват світильник бере з розетки або від драйвера.
2. Виберіть тип світлодіодів (або вкажіть ККД). У калькуляторі зашиті приблизні пресети для популярних світлодіодів і модулів. Це критично важливий крок, який визначить, скільки саме Ват піде в нагрівання.
3. Вкажіть температуру середовища. Якщо лампа висить у відкритій кімнаті, ставте 25 °C. Якщо це закритий гроубокс, де повітря застоюється — краще перестрахуватися і вказати 30–35 °C.
4. Вкажіть бажану температуру Tj (температура кристала світлодіода). Рекомендую цілитися в 70–85 °C для самого кристала. Якщо радіатор нагрітий до 55 °C, то сам кристал усередині діода матиме цілком комфортні 70–75 °C. Якщо є можливість, можна добиватися 45 °C на радіаторі.

Натиснувши кнопку розрахунку, ви миттєво отримуєте рекомендовану площу поверхні радіатора у квадратних сантиметрах (см²). Це загальна площа всіх ребер і основи, яка необхідна для стабільного охолодження світлодіодів у пасивному режимі (без вентилятора).

Можна перемкнути в "Актив" і побачити, наскільки буде велика різниця, якщо використовувати вентилятор. Але я є великим противником вентиляторів: це дуже ненадійно, вимагає обслуговування і чищення, генерує шум.

РЕКОМЕНДАЦІЯ: до отриманої площі радіатора для охолодження з онлайн-калькулятора додати 10% для запасу і надійності. Це також компенсує площу "підошви" радіатора, де встановлені світлодіоди. Ця площа зазвичай розташована знизу, часто закрита захисним склом або оптикою і є неефективною в процесі охолодження світлодіодів.

Три нюанси радіаторів, про які потрібно пам'ятати

Отримати цифру в калькуляторі — це половина справи. Важливо правильно вибрати сам алюмінієвий профіль. Навіть величезний радіатор потрібної площі може не впоратися, якщо його геометрія не підходить для вашого завдання.

1. Товщина підошви (Spreading Resistance)

Якщо ви збираєте потужний світильник (від 50 Вт і вище), тепло потрібно швидко розвести від центру матриць до країв радіатора. Тонкий алюмінієвий лист (2-3 мм) з цим не впорається. Місце прямо під діодами буде розпеченим, а краї радіатора — холодними. Для потужних систем вибирайте екструдований профіль з товщиною основи не менше 4–6 мм. Мідь справляється з розподілом тепла набагато краще, але алюміній значно дешевший і легший. Наприклад, на старих процесорних радіаторах усередині алюмінію була впресована мідна шайба для прискорення відведення тепла і передачі його на алюміній.

2. Крок ребер (Відстань між перами)

Якщо ви плануєте пасивне охолодження (без гудючих вентиляторів), повітря має вільно проходити між ребрами за рахунок природної конвекції. Якщо ребра розташовані занадто щільно (відстань між ними менше ніж 6-8 мм), гаряче повітря «застрягне» між ними, створивши теплову подушку. Радіатори з дуже густим і тонким оребренням чудово працюють тільки в парі з активним обдувом. Такі радіатори зазвичай коштують дуже дорого і знайти їх складно. Але потрібно мати на увазі цей нюанс: на вигляд чудово, але працює не дуже.

3. Колір має значення (Анодування)

Тепло передається повітрю двома шляхами: конвекцією (нагрівання повітря, що проходить) і випромінюванням (інфрачервона радіація). Звичайний блискучий алюміній гірше випромінює тепло. А ось профіль, покритий якісним чорним анодуванням, відводить тепло випромінюванням ефективніше. У повністю пасивному режимі чорний радіатор за інших рівних умов скине вам ще 1-2 додаткові градуси, що для світлодіодів є вагомим бонусом.

Краще один раз порахувати, ніж тричі спалити світлодіоди. Онлайн-калькулятор допоможе знайти ідеальний баланс між надійністю системи, її вагою та витратами. Мета SPECLED — спростити розробку та конструювання світлодіодних ламп для освітлення рослин, а також зробити DIY доступним кожному.