Свет и холод: как укротить жар мощных светодиодов

Светодиоды стали сердцем современной светотехники. Они мощные, экономичные, долговечные. Но есть одна важная деталь, без которой вся их эффективность превращается в дымку — тепло. Все мощные LED-устройства выделяют ощутимое количество тепла. И чем мощнее свет, тем больше жара. А жара — злейший враг светодиода. Он не сгорит в огне, как лампа накаливания, но начнёт терять яркость, изменит спектр, начнёт мигать, деградировать, исчезать. Как этого избежать? Всё просто. Надо охладить. Точнее — рассчитать, как охладить.

 

Когда свет становится горячим

Любой светодиод — это не просто точка света, это источник тепла. Причём тепло это образуется не в воздухе и не на поверхности, а внутри полупроводникового кристалла. Оно не видно, не пахнет, но его много. Даже если кажется, что светодиод холодный — это иллюзия. Всё зависит от того, куда это тепло уходит. Если оно уходит плохо, значит, кристалл перегревается. Если кристалл перегревается, начинается деградация. Микротрещины. Перенапряжение. Коллапс. Всё это происходит без взрывов, без дыма. Светодиод просто тускнеет. Медленно и печально.

И вот тут приходит на помощь расчет теплоотвода. Он не начинается с вентиляторов, не с радиаторов, а с математики. Представим себе источник света, например, прожектор. Светит ярко, всё красиво. Но при этом внутри работает, скажем, один мощный светодиод, который потребляет энергию. Допустим, часть этой энергии превращается в свет. Всё остальное — тепло. Если не убрать это тепло, начнется проблема. И чтобы понять, как его убрать, надо рассчитать, сколько его вообще.

 

Расчёт: где начинается охлаждение

Каждый светодиод имеет коэффициент теплового сопротивления — параметр, который показывает, насколько сложно теплу выбраться наружу. Этот путь начинается от кристалла, проходит через подложку, через печатную плату, через теплопроводящий материал и доходит до радиатора. И вот здесь самое важное — в этой цепочке не должно быть слабых мест.

Представим, что светодиод выделяет определенное количество ватт тепла. Это тепло должно пройти через тепловую цепочку, не вызвав перегрева. Для этого сначала рассчитывается максимально допустимая температура кристалла — та, при которой он ещё работает без деградации. Затем отнимается температура окружающей среды — именно в такую среду будет передаваться тепло. Остаток — это та разница температур, которая допустима между кристаллом и окружающей средой. И теперь начинается магия. Нужно, чтобы вся тепловая цепочка от кристалла до воздуха не имела суммарного сопротивления выше, чем позволяет эта разница. Иначе — перегрев.

В реальности на практике всё ещё интереснее. Например, уличные светильники. Летом — жара, пыль, отсутствие ветра. Внутри светодиоды, каждый из которых греется. Что делают инженеры? Они проектируют корпус так, чтобы он сам стал радиатором. Он греется, да. Но греется равномерно. У него большая поверхность. Он охлаждается естественным образом. Важно не просто поставить радиатор, а сделать его частью конструкции. Крылья, рёбра, каналы для воздушных потоков — всё это элементы пассивного охлаждения.

 

Когда воздух не справляется

Но есть ситуации, когда пассивное охлаждение уже не спасает. Например, студийные осветители, театральные прожекторы, мощные архитектурные подсветки. Света нужно много, а значит — тепла ещё больше. Тут начинается следующий уровень — активное охлаждение.

Активное охлаждение — это вентиляторы, тепловые трубки, жидкостные контуры. Вентиляторы создают движение воздуха, увеличивают теплообмен. Казалось бы — всё просто. Но на самом деле всё сложно. Вентилятор — это движущаяся часть. Он шумит, он ломается, он требует питания. А ещё он тянет пыль. Поэтому если уже выбран активный способ охлаждения, надо быть уверенным, что это действительно необходимо.

В некоторых случаях используют тепловые трубки — тонкие медные трубочки, заполненные жидкостью, которая при нагревании испаряется и переносит тепло на другой конец. Это гениальное изобретение, потому что оно работает почти без затрат энергии. Или жидкостное охлаждение, как у процессоров. Замкнутый контур, по которому гоняется антифриз или специальное масло. Радиатор, насос, кулеры. Всё как в спортивной машине. Но только ради света.

 

Примеры, от которых становится жарко

Вот прожектор, висящий на фасаде театра. Внутри четыре мощных светодиода. Вечером — минус, утром — плюс. Весной — ливень, летом — жара. А он работает. Как? У него хитрая система охлаждения. Радиаторы выведены наружу, корпус из алюминия, все элементы залиты компаундом. Нет ни одного вентилятора. Только расчёт.

А вот лампа для растений. В теплице + тридцать, влажность под девяносто. Свет должен работать весь день. Тут уже не обойтись без вентиляторов. Они встроены в корпус, рядом с радиаторами. А внутри — тепловые трубки, отводящие тепло от кристаллов к внешним рёбрам. Каждый элемент работает на общее дело — охладить источник света.

Или уличные фонари нового поколения. У них нет крышки, которая может скапливать горячий воздух. У них рёбра выведены вверх — чтобы дождь их мыл, а воздух свободно обтекал. Угол наклона рассчитан так, чтобы снег не задерживался. Всё продумано. Всё ради того, чтобы тепло не задерживалось.

 

Свет без перегрева — это инженерия, а не удача

Охлаждение светодиодов — не бонус, а основа. Нельзя просто взять мощный LED, прикрутить к корпусу и ждать света. Он загорится. Но потом начнёт гаснуть. Поэтому охлаждение — это целая наука. Сначала считать. Потом проектировать. Потом испытывать. Потому что если не дать свету дышать — он задохнётся.

И именно в этом инженерия охлаждения становится искусством. Искусством держать свет в живых. Без перегрева. Без лишнего шума. Без поломок. Только свет и холод.