Chlazení LED diod a účinnost

Účinnost světelného zdroje 100% odpovídá hodnotě světelného toku 640 lm/W. Účinnost osvětlovacích LED diod je okolo 80 až 100 lm/W, tedy cca 15% a zbylých 85% přiváděného příkonu se přemění na teplo. Čip LED diody je nutné při provozu chladit tak, aby jeho teplota byla pokud možno pod 80 st.C. Se vzrůstající teplotou čipu klesá životnost LED diod. Pro přibližnou představu se mi podařilo najít starší graf od LED diod Cree, dá se předpokládat že diody jiných výrobců na tom budou podobně.

LED diody mohou mít při dobrém chlazení životnost přes 50000 hodin, při běžném svícení v domácnosti jejich životnost vychází přes 20 let. Je předpoklad, že taková životnost se ani nevyužije, protože za 10 let mohou být k dispozici LED diody s podstatně lepšími parametry a levnější. Původní se budou možná vyměňovat pro morální zastaralost. V katalogových listech se obvykle udává životnost pro pokles světelného toku na 70%.

U některých LED žárovek, např. u 3W (někdy i větších výkonů) v rozměrech 12V halogenové žárovky bývá s chlazením problém a přehříváním se výrazně zkracuje jejich životnost. Problém rovněž nastane s chlazením 230V LED žárovky s větším výkonem při jejím umístění do skleněné kouličky. Uživatel tohle obvykle neřeší a často není ani výrobcem na možné problémy upozorněn. Při použití LED modulů a správném návrhu svítidla s ohledem na jejich chlazení máme situaci pod kontrolou.

Zatím co u LED žárovek je proud LED diod nastavený z výroby, u LED modulů si můžeme proud zvolit. Účinnost LED diod je silně závislá na jejich výkonovém zatížení. Proto bychom měli začít od ekonomické úvahy, jestli se pro požadovaný světelný tok vyplatí použít méně LED diod s větším proudem, s menší účinností i životností (i když životnost nejspíš nebude kritický parametr), nebo použít více LED diod s vyšší účinností a tím ušetřit na energii. Měli bychom sledovat minimální náklady jako součet pořizovací ceny a ceny energie za dobu používání.

Pro získání představy jsem z grafů v katalogových listech LED diod Osram Oslon square a Cree XP-G zpětně vytvořil data a na nich jsem prováděl další optimalizační výpočty. Výpočet je k dispozici zde.

Teplota čipu je závislá na výkonu a celkovém tepelném odporu. Ten je daný součtem tepelného odporu chladiče přepočítaného na jednu LED diodu a tepelným odporem samotné LED diody. Při velkém proudu pak na tepelném odporu LED diody vzniká značný teplotní rozdíl a pro udržení teploty čipu na přijatelné hodnotě potřebujeme nízkou teplotu chladiče. Na chladič potom neúměrně rostou nároky. Optimální řešení je použít více LED diod s menším proudem, můžeme si dovolit vyšší teplotu chladiče a chladič vyjde menší.

Modul se 7 LED diodami Osram Oslon square LCW CQAR.CC má s reálným chlazením 2K/W při proudu 0,7 A příkon 14 W, účinnost 83 lm/W a světelný tok 1200 lm jako žárovka 92 W. Při ještě přijatelném proudu 1 A klesne účinnost na 75 lm/W, světelný tok je 1560 lm jako žárovka 120 W a příkon stoupne na 21 W. O maximálním proudu LED diody 1,5 A asi nemá význam uvažovat. Ekonomické optimum pro 10 let provozu vychází při proudu cca 0,6 A, účinnosti 91 lm/W a světelný tok je 1075 lm. Snaha o snížení pořizovací ceny je celkem pochopitelná a např. v případě půjček s vysokými úroky i dobře ekonomicky zdůvodnitelná, vede však k nárůstu provozních nákladů za energii.

Měření tepelného odporu LED diody na Al plošném spoji

Pro kontrolu celkového tepelného odporu LED diody umístěné na Al plošném spoji bylo provedeno kontrolní měření. Z naměřených hodnot je vidět, že i s tepelným odporem Al plošného spoje se musí počítat, i když tento odpor je podstatně menší, než tepelný odpor samotné LED diody.

Možné provedení chladiče

Provedení chladiče bude záviset na typu svítidla a na požadovaném světelném výkonu. Pro příkon 7 ledkového modulu 15 W stačí chladič s tepelným odporem 3 K/W, lépe je počítat s rezervou a s tepelným odporem 2 K/W. Potom si v případě potřeby můžeme proud zvýšit na 1 A a získat tak více světla.

Výpočetně i výrobně nejjednodušší je u stropních a nástěnných plochých svítidel použít hliníkový plech schovaný za svítidlem. U nástěnného svítidla to není problém, je tam mezera a pro chladič je zajištěný dobrý přístup vzduchu. U stropního svítidla je přístup vzduchu horší a je nutné počítat s větší velikostí chladiče. Chladič přitažený několika šrouby k betonovému stropu by pak mohl část tepla předávat do stropu (nutno ověřit).

Základní vztahy pro přibližný výpočet chladiče jsou zde.. Uvedené vzorce jsou shodné s výpočtem uvedeným v knize Teplo a chlazení v elektronice - BEN 1997 a jsou zjevně pouze přibližné, ve výpočtu tepelného odporu mezi středem a krajem desky se počítá pouze s tloušťkou desky a né s jejími rozměry.

Výpočtem vychází např. že tepelný odpor svislé lesklé desky 15x15 cm proti okolí je 2,45 K/W, ale při započítání tepelného odporu mezi jejím středem a okraji už pro 2,9 K/W potřebujeme desku tl. 2mm 20x20 cm. To vede buď na volbu silnějšího plechu, v případě obdélníkového tvaru našroubování Al plocháče přes delší stranu desky, nebo pokud je to možné, rozdělení zdroje tepla do různých míst desky. Tedy např. místo jednoho modulu se 7 ledkami použít tři tříledkové moduly.

Lepší než plech je použít žebrované Al profily, kde bývá tepelný odpor uveden a tloušťka materiálu je dostatečná pro rozvedení tepla do větší plochy. Vystačíme si s menší plochou chladiče, než při použití plechu. Chladič musí mít dostatečný přístup vzduchu, problematické by bylo jeho umístění na strop a přiklopení stínítkem stropního svítidla.

Chladič do sádrokartonového stropu

V současné době se hodně používají downlighty, svítidla zapuštěná v sádrokartonovém stropě. Je to v podstatě obdoba halogenových bodovek. Svítidla bývají často opatřena žebrovaným chladičem v prostoru nad sádrokartonem. Problém je u stropů vyplněných vatou, případně i s fólií (parozábrana). Přístup vzduchu je omezený a neuchladí potřebný výkon, LED diody ve svítidle se přehřívají.

Řešením je chladič, který teplo rozvede do velké plochy. Teplo se pak převede přes sádrokarton do místnosti. Chladič je řešený tak, aby bylo možné použít rámeček pro halogenové žárovky. Pod kroužek pro přichycení žárovky se vloží matné sklo. Přes díru s LED modulem je též možné namontovat vhodné ploché stropní svítidlo, jeho stínítko je pak osvětlováno z otvoru ve stropě.

Chladič na výkresu dosahuje v sádrokartonovém stropě (8 cm nad sádrokartonem je vata) tepelný odpor 1,6 K/W a postačuje pro výkon 25 W.

Původně jsem si do domu nadělal chladiče široké 40 cm, ale do rastru mezi profily se musely umísťovat přesně. Zmenšení šířky o 5 cm se na celkovém tepelném odporu projeví minimálně, podstatnou část tepelného odporu tvoří odpor od LED modulu k okrajům chladiče.

Problém při montáži chladičů u mne též nastal tím, že zedníci je k sádrokartonu přilepili páskou a přesto že to je pouze maskovací plastová páska se slabším lepidlem, nejde odtrhnout a dírou uprostřed se k okrajům chladičů nedostanu. Chladiče by měly být umístěny volně, aby s nimi bylo možno posunovat pro možnost nastavení na střed díry. Pro připevnění chladiče na sádrokarton při montáži by bylo lepší nadělat třeba dřevěné špalíčky, jeden distanční na šířku díry a druhý aby jí překrýval. Dlouhými šroubky M3 je přes sádrokarton přišroubovat k chladiči. Je potřeba dbát, aby se chladič nepřiskříp mezi sádrokarton a nosné profily.