Самодельная солнечная батарея
В настоящее время в продаже появилось огромное количество солнечных батарей и модулей.
К наиболее распространенным можно отнести модули, выполненные на основе поликристаллического и монокристаллического кремния, представляющие собой пластины кремния, смонтированные на плате из фольгированного стеклотекстолита, на оборотной стороне которых сформированы контактные площадки с маркировкой полярности.
Для защиты от атмосферных осадков и воздействий они покрыты специальным защитным слоем из прозрачного пластика, который, в свою очередь, обладает очень высокой степенью оптической прозрачности. Панели из монокристаллического кремния имеют неплохой коэффициент полезного действия (КПД) 11-13%, срок их службы составляет до 25 лет.
Однако, они значительно снижают мощность при затемнении и облачности, батарея, выполненная из поликристаллического кремния, имеет меньший КПД, около 7-9%, и долговечность примерно 10 лет, однако, в отличие от батарей из монокристаллического кремния, незначительно снижают мощность при затемнении и облачности.
Конечно перечисленные выше солнечные модули имеют хорошие показатели и характеристики своей работы, однако, на мой взгляд, они слишком дороги и не каждому радиолюбителю доступны.
Поэтому, чтобы сэкономить средства, а также понять принцип ее работы, и заодно разобраться во всех тонкостях, я решил поделиться своим опытом.
Данная батарея должна служить автономным источником для питания маломощных радиолюбительских конструкций.
Для изготовления самодельной солнечной батареи воспользуемся внутренним фотоэффектом p-n перехода полупроводникового прибора (диода, транзистора). Его работа основывается на зависимости прямого тока от степени освещенности p-n перехода.
Оказывается, что чем лучше освещенность кристалла полупроводника, тем интенсивнее электроны и дырки проникают через p-n переход. А такая зависимость дает возможность преобразовывать световое излучение в электрический ток. При этом сам полупроводник становится источником электрического тока.
Сила тока и электрическая движущая сила (ЭДС) у такого полупроводника зависит от нескольких факторов, а именно: материала, из которого выполнен полупроводник (кремний, германий и др.); площади поверхности p-n перехода; ну и конечно, степени освещенности.
Однако, сила тока у одного фототодиода ничтожно мала, и он не способен обеспечить питание малогабаритной аппаратуры, поэтому нужно собирать модули из десятков таких полупроводниковых приборов, тогда будет желаемый эффект.
Большим достоинством такого источника является то, что элементы, входящие в состав батареи, не боятся короткого замыкания. Каждый из них предназначен для выдачи определенной величины силы тока при некотором электрическом напряжении.
В качестве фотоэлемента можно использовать диоды, транзисторы, и другие полупроводники, у которых удастся открыть p-n переход, и он будет достаточной площади. Остановимся на диодах. В своей конструкции я применил кремниевые диоды КД202, внешний вид, чертеж и габаритные размеры:
Данный тип диода имеет плоскостное конструктивное исполнение. В таком типе диода на пластину из полупроводника напаяна небольшая капелька вещества, которая может быть или донором или акцептором.
В месте спаивания этой капельки собственно и образуется p-n переход. Я надеюсь, что такие же диоды еще остались в наличии и отыщутся в старых запасах радиолюбителей, которые читают данную статью.
При отсутствии указанного типа диода, возможно использование Д226, Д237.
Для того, чтобы превратить диод в источник фототока, необходимо аккуратно добраться до кристалла полупроводника, чтобы на p-n переход мог интенсивно попадать солнечный свет. Для этой цели проделаем следующее…
Взяв диод в руки, для выполнения правил техники безопасности перед будущими действиями с ним, его необходимо закрепить в слесарных тисках за фланец.
После этого плоскогубцами или ножницами по металлу, а в крайнем случае зубилом, необходимо отрезать вывод диода.
Помятый при выполнении данной процедуры остаток вывода в виде трубочки желательно аккуратно расправить, что впоследствии даст возможность без проблем освободить медный провод, который припаян к p-n переходу, и является собственно положительным контактом.
На следующем этапе следует снять с диода фланец. Для этого, как показано, необходимо приложить к сварному шву на диоде, который обозначен на рисунке, острый предмет (нож, отвертка и др.), и при этом потихоньку несильно ударяя по тыльной стороне такого предмета и поэтапно проворачивая диод в тисках, необходимо удалить защитный фланец.
При выполнении данной процедуры нужно быть предельно внимательным и следить за тем, чтобы кончик острого предмета не проходил очень глубоко вовнутрь по сварному шву между диодом и пока еще не снятым фланцем. Это условие выполнять следует обязательно, во избежание повреждения кристалла. Теперь, когда сварочное соединение раскрыто, можно удалить фланец.
Если все действия проделаны правильно, то результат выполненной работы должен выглядеть так:
Данные действия описаны для одного диода, для всех же остальных, которые будут составлять элементную базу батареи, действия аналогичные.
Хотелось бы отметить, что приловчившись снимать фланец и тем самым открывать кристалл полупроводника по данной методике, на один диод будет уходить в среднем около минуты, поэтому все очень просто, нужно просто немножко потренироваться и подобрать для себя удобную оснастку.
Принципиальная схема солнечной батареи:
Как видно из рисунка, батарея состоит из пяти модулей М1-М5 по 11 диодов в каждом.
Для максимального увеличения выходного тока, который отдается во внешнюю цепь, используемые диоды одинаковой серии необходимо соединять смешанно, то есть батарея собирается на основе групп, которые соединены в свою очередь последовательно, и составляются из одинаковых соединенных параллельно элементов.
При такой схеме включения генерируемые диодами напряжения более равномерно распределяются по всей площади солнечной батареи. Благодаря этому, незначительное частичное затемнение части диодов не принесет большого снижения напряжения и силы тока в самодельной солнечной батарее.
Конечно, количество модулей может быть другим, здесь работает принцип «чем больше — тем лучше», только очень важно, чтобы они были соединены именно таким образом, как указано на схеме.
Описываемая самодельная солнечная батарея на основе 55 полупроводниковых диодов КД202, состоящая из пяти модулей по 11 параллельно соединенных диодов в каждом, на солнце генерирует напряжение до 5 В при силе токе примерно в 2,5 мА.
Для питания малогабаритного радиоприемника, эпектронных часов и другой маломощной аппаратуры вполне достаточно будет. Также следует помнить, что напряжение на холостом ходу (без нагрузки), возникающее в полупроводнике, может немного изменяться при переходе от одного элемента к другому, даже если они одной серии, и может достигать значения до 0,5 В. Эта величина практически не зависит от размеров p-n перехода. А вот сила тока в полупроводниках, которые и составляют солнечную батарею, зависит от интенсивности освещения кристалла, а также размера активной рабочей площади в применяемом полупроводнике.
Теперь хотелось бы рассказать о монтаже элементов, составляющих солнечную батарею. Заранее подготовленные диоды необходимо установить на плате из стеклотекстолита.
Пример установки, на котором показано расположение в качестве примера четырех диодов:
Я уверен, вам не составит трудностей расположить такое количество диодов, которые они захотят применить в своих конструкциях солнечной батарей. Я же при помощи данного рисунка показал основной принцип правильного монтажа.
Между собой положительные выводы, отходящие от кристаллов диодов необходимо соединить проводом из меди. При монтаже этих проводов от пайки лучше отказаться, так как высокой температурой можно повредить p-n переход.
Описываемые диоды данной серии изначально включают в себя токосъемные болтовые контакты (в нашем случае они служат выводами отрицательной полярности) с резьбой М5. Поэтому для их соединения между собой, после установки в посадочные отверстия следует накрутить на них гайки М5.
Между гайкой и платой провести оголенный медный провод или даже обкрутить хотя бы раз, а затем затянуть гайкой.
После монтажа всех элементов монтажную плату можно установить в корпус с защитной прозрачной крышкой, например, из оргстекла. Также в корпусе необходимо проделать небольшое отверстие для вывода шнура питания наружу, а выключатель никакой не потребуется.
Транзисторы также могут служить фотоэлектрическими преобразователями. Для этой цели достаточно удалить их непрозрачную оболочку.
Неисправные транзисторы также можно благополучно использовать в качестве источников напряжения, но при одном условии, что у них не было короткого замыкания между коллектором и базой или эмиттером и базой.
Чем более мощный транзистор, гем лучший из него получится фотоэлемент.
Если же читатели захотят изготовить солнечную батарею на основе транзисторов, то можно порекомендовать следующие типы: П201, П202, П203, П416, П422, КТ620А, КТ3108А, зарубежный TG50 (отдает ток до 0,5 мА при напряжении около 1.5 В). При использовании зарубежного транзистора TG70 можно получить в ток пределах 3 мА при напряжении 1,5 В, те же самые показатели относятся и к отечественным транзисторам П201…203.
После выбора транзистора в металлическом корпусе, например, П416, у него необходимо аккуратно спилить верхнюю часть шляпки по линии 1-2, или же удалить весь корпус, выполняя те же действия, что и с диодом при снятии у него фланца.
Также желательно проверить сначала все транзисторы, которые будут использованы в качестве элементов солнечной батареи. Воспользуемся для этой цели мультимегром, установив в нем режим миллиамперметра в диапазоне до 20 мА. Затем поднесем щупы к выводам выбранного транзистора, а именно между коллектором или эмиттером и базой.
При этом плюсовой щуп, исходящий от мультиметра подключаем к коллектору или эмиттеру, а отрицательный щуп подводим к базе транзистора. При хорошем освещении прибор покажет ток примерно 0,15-0,3 мА. После этого необходимо перевести наш измерительный прибор в режим измерения напряжения, и выбрать диапазон до 2 В.
И так же измерить, но уже напряжение между коллектором (или эмиттером) и базой. В данном случае мультиметр должен показать значение около 0.3 В.
Примерная часть схемы солнечной батареи с применением транзисторов следующая:
Вместо эмиттера можно также использовать и коллектор, кому как больше нравится. Естественно, что транзисторов может быть сколько угодно, а значит и модулей тоже.
Следует помнить о необходимости соблюдения температурного режима солнечной батареи, го есть оберегать ее от перегрева на солнце. При нагреве кристалла полупроводника на каждый последующий градус Цельсия, начиная от 25, он начинает терять в своём напряжении около 0,002 В, то есть примерно 0,4 % на градус.
В погожий солнечный день кристалл и собственно р-п переход может нагреваться до температуры 40-80 °С, при этом температурном воздействии происходит потеря в среднем 0,06…0,09В на каждом элементе, входящем в состав солнечной батареи.
Это одна из важнейших причин снижения КПД полупроводников самодельной солнечной батарем.
Самое эффективное время для работы солнечного модуля в период весны и лета — примерно с 9 до 18 часов, осенью и зимой, конечно, этот период сокращается. В другое светлое время суток ток солнечной батареи уменьшается. Падает ток, генерируемый солнечной батареей, и в пасмурную погоду или в тени.
Некоторая ориентировка солнечной батареи относительно положения Солнца помогает увеличить генерируемый ток. Напряжение у такой самодельной солнечной батареи будет равняться сумме напряжений на всех составляющих ее полупроводниках.
Ток, отдаваемый этой батареей, будет ограничен током наихудшего полупроводника.
Андрей Студенев
Источник: https://www.ruqrz.com/samodelnaya-solnechnaya-batareya/
Как приделать радиатор к диоду
Источник: http://radioskot.ru/publ/konstruktiv/kak_pridelat_radiator_k_diodu/13-1-0-1268
Самодельные батареи: технология изготовления радиаторов отопления из труб
Несмотря на огромный выбор радиаторов в продаже, встречаются желающие заниматься изготовлением отопительных приборов своими руками.
Самодельные радиаторы отопления из труб находят применение на дачах, в гаражах и в небольших загородных домиках.
Если тщательно поработать над отделкой, получится красивый дизайнерский предмет, которым не стыдно украсить даже цивилизованное жилище. Что нужно для работы, как сварить качественную трубчатую батарею и стоит ли вообще этим заниматься?
Батареи своими руками: правда без прикрас
Современные радиаторы – сложные технические приборы, работающие одновременно по принципу излучения и конвекции.
Производители учитывают при создании батарей множество факторов и используют в процессе производства новые технологии, повышающие КПД системы отопления и сокращающие объем и температуру теплоносителя.
Безусловно, заводской прибор всегда будет работать эффективнее домашней самоделки и превзойдет ее в компактности и дизайне.
Простейший самодельный радиатор из двух труб
Четырехтрубный регистр
Самостоятельно мастерить приборы отопления целесообразно только в том случае, если в распоряжении имеются бесплатные или недорогие трубы, сварочный аппарат, инструмент для нарезки металла (болгарка) и навыки работы с техникой.
Виды самодельных радиаторов отопления
В домашних условиях проще всего изготовить регистр отопления – прибор, состоящий из одной или нескольких труб, сваренных в единую конструкцию. Принцип работы устройства тот же, что и у чугунных батарей – циркулирующий внутри теплоноситель разогревает металл, а исходящее от него тепло нагревает воздух.
Регистры подходят для использования в однотрубных и двухтрубных системах, возможна настенная и напольная установка. Простейшие экземпляры этой группы отопительных приборов можно найти в ванных комнатах старых домов, где они выполняют функции обогревателей-полотенцесушителей.
Самодельные регистры подразделяют на два основных типа: секционные и змеевиковые. Секционные приборы представляют собой конструкцию из труб разного диаметра, в которой элементы большего диаметра расположены параллельно друг другу, имеют заглушки на торцах и соединяются между собой трубками с меньшим диаметром.
Основные типы регистров
Соединительные патрубки желательно располагать как можно ближе к краям. Для прочности конструкции используют дополнительные перемычки – они повышают теплоотдачу прибора, так как увеличивают площадь нагрева.
Движение теплоносителя в такой конструкции всегда начинается с емкости, расположенной выше других, затем вода проходит через патрубок в нижний ряд, протекает по всей длине и поступает в следующий элемент. Важно обеспечить прочность сварных швов – они должны выдерживать давление не менее 13 атмосфер.
Змеевидный регистр
Змеевики имеют S-образную форму и собираются из сваренных последовательно элементов. Такая конструкция более эффективна, так как в теплообмене задействована вся поверхность трубы. В змеевике нет промежуточных сужений, поэтому гидравлическое сопротивление всегда меньше, чем в секционном регистре.
Как сделать радиатор из труб своими руками
Для изготовления самодельного радиатора нужно уметь работать со сварочным аппаратом и иметь навыки «обращения» с болгаркой. Важно правильно определить размер источника тепла – для этого нужно рассчитать необходимую мощность.
Принцип работы самодельного прибора
Расчет мощности батареи
Мощность радиатора для жидкостного отопления зависит от площади поверхности прибора и теплопроводности материала. Для расчета мощности используют специальные формулы, но неспециалисту непросто ориентироваться в сложных уравнениях. Если планируется отопление хозяйственных построек, где не нужны точные значения, можно взять за основу чугунную батарею.
К примеру, мощность одной секции чугунного радиатора составляет 160 Вт, а ее объем – 1,45 литра. Чтобы заменить стандартный чугунный прибор из 10 секций на обогреватель из труб, необходимо количество труб, вмещающих 14,5 литра жидкости.
Согласно нормам, в жилых зданиях на каждый квадратный метр помещения требуется 1 Квт мощности отопительного прибора. Это значение увеличить при расчете системы в домах с плохой теплоизоляцией.
Необходимые материалы
Чтобы не бегать в поисках недостающей мелочи, желательно сразу приготовить все необходимые материалы и инструменты. Для самодельного радиатора объемом 14,5 литра потребуются:
- труба из углеродистой стали длиной около 2 метров и диаметром 10-12 см с толщиной стенок 3,5 мм;
- стальной лист толщиной не менее 3,5 мм для торцевых заглушек;
- водопроводная труба для пропускных каналов;
- два сгона диаметром 2,5 см;
- арматура для усиления жесткости;
- резьбовые соединения для врезки в систему.
Дешевле приобретать материалы в пунктах приема металлолома, но для постоянного жилья лучше сделать выбор в пользу новых гладких стальных труб. Нет смысла брать для регистров трубы диаметром более 12 см – это увеличит объем теплоносителя, повысит нагрузку на котел и текущие расходы на отопление.
Технология изготовления
Двухметровую стальную трубу разрезают на три одинаковых части и в каждой из деталей вырезают по два отверстия для присоединения пропускных трубок. Отверстия должны находиться на расстоянии 5 см от торца и располагаться в разных концах под углом 180 градусов относительно друг друга.
Устройство радиатора
На следующем этапе из листов стали вырезают круглые заготовки для закрытия торцов. Диаметр крышек должен соответствовать размеру трубных отверстий. Заглушки приваривают к торцам, закрывая элементы для регистров.
Трубки для подачи теплоносителя приваривают к отверстиям, получая конур для движения горячей воды. Чтобы придать конструкции прочность, трубы соединяют между собой арматурой. В больших регистрах предусматривают дополнительные страховочные перемычки. Важно, чтобы расстояние между секциями было на 0,5 см больше диаметра основной трубы.
После завершения сварочных работ, самодельные радиаторы из труб обязательно проверяют на прочность. Перед испытанием нижнее отверстие закрывают, а в верхнее подают воду под давлением, полностью наполняя прибор.
Если протечек нет – батарею устанавливают в систему. Для напольного монтажа приваривают ножки или предусматривают кронштейны.
В отопительных системах с естественной циркуляцией регистры устанавливают с небольшим уклоном по ходу движения теплоносителя.
Аналогично изготавливают радиатор для ванной комнаты в виде змеевика или лесенки. Для полотенцесушителя нет смысла брать трубы с большим диаметром – чем больше планируется перекладин, тем меньше должен быть обхват трубы. Если вместо стальных труб взять медные, получится долговечный и практичный прибор.
Змеевик для ванной
Если вы никогда не пользовались сварочным аппаратом, настоятельно не рекомендуем учиться этому непростому делу на отопительных устройствах. Даже если очень хочется установить дома самодельные радиаторы, лучше доверить их сварку специалисту.
Видео: отопление своими руками
Источник: http://teploguru.ru/radiator/samodelnye-batarei.html
Онлайн расчёт площади радиаторов для транзисторов и микросхем
Источник: http://vpayaem.ru/information4.html
Как сделать солнечную батарею из транзисторов или диодов?
Количество областей применения устройств, называемых солнечными батареями, увеличивается с каждым днем. Они находят все более широкое применение в военно-космических отраслях, промышленности, сельском хозяйстве, в быту. Несмотря на то что приобрести такую батарею по разумной цене становится все проще, интересно изготовить ее своими руками.
Схема подключения солнечной батареи к аккумуляторам.
Самодельная солнечная батарея из диодов или транзисторов – устройство, интересное не только с точки зрения практического применения, но и для понимания принципа ее работы. Причем для ее изготовления лучше использовать полупроводниковые приборы, выпущенные 30-40 лет назад.
Как работает солнечная батарея?
Солнечная батарея как устройство, преобразующее энергию света в электрическую энергию, известно уже достаточно давно. Ее работа основана на явлении внутреннего фотоэффекта в p-n переходе. Внутренний фотоэффект – явление возникновения в полупроводнике дополнительных носителей тока (электронов или дырок) при поглощении света.
Электроны и дырки разделяются p-n переходом так, что электроны концентрируются в n-области, а дырки – в p-области, в результате между этими областями возникает ЭДС. Если к ним подключить внешнюю нагрузку, то при освещении p-n перехода в ней возникнет ток. Энергия солнца превращается в электрическую энергию.
ЭДС и сила тока в таком полупроводнике определяется следующими факторами:
Схема работы солнечной батареи.
- материалом полупроводника (германий, кремний и т.д.);
- площадью поверхности р-n перехода;
- освещенностью этого перехода.
Сила тока, создаваемая одним элементом, очень мала, и для достижения желаемого результата нужно собирать модули из большого числа таких элементов. Такой источник тока не боится коротких замечаний, поскольку величина силы тока, создаваемого им, ограничена некоторым максимальным значением – обычно несколько миллиампер.
Самодельная солнечная батарея из полупроводниковых диодов или транзисторов
Необходимые для создания солнечной батареи р-n переходы есть и у полупроводниковых диодов, и у транзисторов. У диода 1 р-n переход, а транзистор имеет 2 таких перехода – между базой и коллектором, между базой и эмиттером. Возможность использования полупроводникового прибора в этом качестве определяется 2-мя условиями:
- должна существовать возможность открыть р-n переход;
- площадь р-n перехода должна быть достаточно большой.
Самодельная транзисторная солнечная батарея
Схема подключения солнечной батареи.
Второе условие обычно выполняется для мощных плоскостных транзисторов. Кремниевый n-р-n транзистор КТ801 (а) интересен тем, что у него легко открыть переход. Достаточно надавить плоскогубцами крышку и аккуратно снять ее. У мощных германиевых транзисторов П210-П217 (б) нужно аккуратно разрезать крышку по линии АА и снять ее.
Подготовленные транзисторы, прежде чем использовать их в качестве элементов солнечной батареи, следует проверить. Для этого можно использовать обычный мультиметр.
Переключив прибор в режим измерения тока (предел несколько миллиампер), включить его между базой и коллектором или эмиттером транзистора, переход которого хорошо освещен. Прибор должен показать небольшой ток – обычно доли миллиампера, реже чуть больше 1 мА.
Переключив мультиметр в режим измерения напряжения (предел 1-3 В), мы должны получить значение выходного напряжения порядка нескольких десятых долей вольта. Желательно рассортировать их по группам с близкими значениями выходных напряжений.
Для увеличения выходного тока и рабочего напряжения применяется смешанное соединение элементов. Внутри групп элементы с близкими значениями выходных напряжений соединяются параллельно.
Общий выходной ток группы равен сумме токов отдельных элементов. Группы между собой включаются последовательно. Их выходные напряжения складываются.
Для транзисторов со структурой n-р-n полярность выходного напряжения будет противоположной.
Для сборки источника тока лучше разработать монтажную плату из фольгированного стеклотекстолита. После распайки элементов, плату лучше поместить в корпус подходящих размеров и закрыть сверху пластиной из оргстекла.
Источник тока из нескольких десятков транзисторов генерирует напряжение в несколько вольт при выходном токе в несколько миллиампер.
Ее можно использовать для подзарядки маломощных аккумуляторов, для питания маломощного радиоприемника и других маломощных электронных устройств.
Самодельная диодная солнечная батарея
Может быть изготовлена своими руками и солнечная батарея на диодах. В качестве примера опишем изготовление батарей на плоскостных кремниевых диодах КД202. . Вместо них можно использовать другие полупроводниковые выпрямители: Д242, Д237, Д226 и т.д.
Чтобы открыть р-n переход диода КД202, нужно проделать следующие операции:
Схема подключения резистора.
- Зажав диод в тисках за фланец, отрезать, а затем аккуратно расправить вывод анода, чтобы потом можно было легко освободить припаянный к р-n переходу медный провод.
- Приложив к сварному соединению нож или другой острый предмет, легкими ударами, поворачивая в тисках диод, отделить защитный фланец.
Примерно так же можно отделить защитный фланец и других диодов.
В солнечной батарее подготовленные диоды, как и транзисторы в приведенной выше схеме, соединяются смешанно. В каждой группе элементы также соединяются параллельно: с одной стороны между собой соединяются аноды диодов, а с другой – катоды. Отбирать элементы по группам можно так же, как и транзисторы. Чем больше в таком источнике тока отдельных элементов, тем больше его мощность.
Источник тока из 5 групп по 10 диодов генерирует напряжение порядка 2,5 В при силе тока 20-25 мА.
Для изготовления самодельного источника тока допустимо использование выпрямительных диодов малой мощности типа Д223. Они удобны тем, что у них легко открыть для света р-n переход.
Для этого достаточно подержать их некоторое время в ацетоне, после чего защитная краска легко очищается со стеклянного корпуса.
Не забывайте, что при работе с полупроводниковыми приборами, не следует забывать, что они легко выходят из строя при перегреве. Для пайки следует применять легкоплавкий припой и маломощный паяльник, стараясь не прогревать слишком долго место спайки.
Нетрудно заметить, что изготовление и сборка самодельной полупроводниковой солнечной батареи – задача не очень сложная для человека, знакомого с азами конструирования электронных устройств. Попробуйте – у вас все получится!
Поделитесь полезной статьей:
Источник: https://fazaa.ru/dom/kak-sdelat-solnechnuyu-batareyu-iz-tranzistorov-ili-diodov.html
Радиатор для светодиодов: назначение, виды, делаем своими руками
При сборке светодиодного прибора немаловажно правильно выбрать, спроектировать и установить систему для его охлаждения — радиатор для светодиодов. Если тепловой режим для работы светодиода подобран неверно — это впоследствии приведет к его перегреву и выходу из строя.
Зачем нужно охлаждать светодиод
Мнение о том, что светодиод не нагревается ошибочно. Оно строится на том, что прикасаясь к такому маломощному прибору, не чувствуешь тепла. Согласно, закона сохранения энергии: энергия не появляется из ничего и не пропадает бесследно, а преобразуется из одного вида в другой.
Светодиоды, как твердотельные источники света, излучают видимую часть спектра и выделяют при этом тепло. Вследствие термоэлектрических явлений, происходящих в полупроводниковых светодиодах, выделяется тепло. В прямой зависимости от температуры нагрева светодиодов меняются его показатели и характеристики.
Такая сильная зависимость показателей от температуры приводит к тому, что:
Рис. 1.
График зависимости показателя относительного светового потока от температуры перехода (светодиод MKR)
- полупроводниковый переход при нагреве светодиодного кристалла деградирует, и он быстро изнашивается, а срок эксплуатации снижается;
- тепловой рубеж у светодиодов, после которого наступает пробой, достигается после повышения температуры до 150°С. В зависимости от применяемых материалов, изменяется количество светового потока и срока износа;
- постепенно уменьшается количество светового потока, что отражают кривые зависимости, изображенные на Рис.1;
- с изменением температуры меняется и величина прямого падения напряжения на светодиоде. При нагреве источника света увеличивается показатель прямого падения напряжения. На графиках кривыми изображается такая зависимость.
Перечисленные выше причины являются серьезным поводом, чтобы обеспечить отвод тепла от светодиодного прибора.
Как охлаждать светодиод
Эффективным способом охлаждения кристалла будет отвод избыточного тепла, используя явление теплопроводности.
В радиоэлектронике для теплоотвода применяют радиаторы, с помощью которых тепло отводят в атмосферу двумя способами. При первом способе охлаждения – пассивном, одна часть тепловых инфракрасных волн излучается в атмосферу, а вторая уходит благодаря конвекции теплого воздуха от радиатора (Рис. 2).
В светодиодах с невысокой мощностью при этом пассивном способе тепловой конвекции тепло проводится через металлические контакты, показатель теплопроводности которых позволяет в достаточном объеме отводить его излишки от кристалла. Более длинные контакты позволяют лучше отводить и рассеивать тепло по плате.
Недостатком пассивного метода является большой размер, вес и высокая стоимость устанавливаемого теплоотвода.
Рис. 2. Пассивный способ тепловой конвекции
Турбулентная конвекция относится ко второму активному способу охлаждения. Для вывода тепла из мощных светодиодных приборов на радиаторе закрепляется смонтированный на подложке кристалл.
Размеры, форма и количество ребер радиатора напрямую зависят от мощности диода. В систему встроены механические устройства и вентиляторы, создающие активные потоки воздуха (Рис.3).
К примеру, лампы мощностью 20 ватт в фарах автомашин бизнес-класса принудительно обдуваются встроенными куллерами.
Этот способ более производительный, но применим только в условиях хорошей погоды и отсутствии большой запыленности помещения.
Рис.3. Вентиляторы для активного способа охлаждения
Типы радиаторов
Перед сборкой устройства необходимо определиться с типом используемого радиатора:
- штыревой или игольчатый (Рис.5);
- ребристый (Рис.4).
При необходимости естественного охлаждения источника света применяют первый тип, а в случае принудительного — второй. Обычно штыревой, при одинаковых размерах с ребристым, производительнее на 70 %.
Рис.4. Радиатор ребристый
Радиатор ребристого типа в основном применяют при активном способе отвода тепла. Но при определенных геометрических параметрах его используют в пассивном способе.
Рис.5. Радиатор игольчатый
Когда дистанция между иглами равна 4 мм, устройство предназначается для естественного теплоотвода, а при зазоре 2 мм радиатор укомплектовывают вентилятором.
Материалы для радиаторов
Для долгой и производительной работы светодиода очень важно подобрать качественный материал для радиатора. Его выбирают по определенным требованиям и показателям. Показатель теплопроводности должен находиться в пределах 6-10 Вт. При более низком показателе материал не проведет тепло, которое попадает в воздух.
При показателе теплопроводности выше 10 Вт, эффективность работы устройства по техническим показателям не возрастет, а затраты на материал будут лишней тратой денег. Наиболее подходящими материалами при производстве считаются алюминий, керамика, медь.
В редких случаях изготавливают прибор из материалов, включающих в состав пластмассы, способствующие рассеиванию тепла.
Светодиодный радиатор чаще всего изготавливают из прессованного алюминия, поскольку он лучше других материалов отводит тепло.
Главным изъяном алюминиевого радиатора для светодиодов считают большое количество слоев в изделии, что способствует появлению переходного теплового сопротивления.
Что бы преодолеть такое сопротивление, необходимо добавить в изделие материалы, обладающие теплопроводными свойствами и заполняющие воздушные прослойки: клеящие вещества, изоляционные пластины и др.
Преимущество медного радиатора, по сравнению с алюминиевым, в более высокой теплопроводности. Недостаток его в более тяжелом весе изделия и меньшей податливости металла. Метод прессования медного и обработка резанием очень затратные способы изготовления.
Более приемлемым вариантом отвода тепла является подложка из керамики. К ее токоведущим трассам припаивают светодиоды, что позволяет увеличить теплоотвод в два раза по сравнению радиаторами, изготовленными из металла.
Рассеивающая тепло пластмасса по стоимости дешевле алюминиевого изделия. Так как теплопроводность самой пластмассы составляет — 0,2 Вт/м, то достичь приемлемого показателя возможно, только за счет добавления наполнителей. Если алюминиевый радиатор заменить на пластмассовый, такого же размера, то температура в зоне подвода увеличится на 5%.
Проводим расчет площади радиатора
Обратите внимание, для правильного расчета площади радиатора учитывают параметры полезной площади рассеивания, а не поверхностной площади.
При подсчете полезной площади (S) включают сумму площадей ребер и подложки в квадратных метрах. Нужно учесть, что у каждого ребра две отводящие поверхности. В таком случае S теплоотвода прямоугольной формы S — 1 см2 составляет — 2 см2.
В результате проводимых экспериментов была выведена формула расчета требуемой площади теплоотвода:
S = (22 – (M x 1.5)) x W, в которой
S – площадь теплоотвода радиатора; W –мощность подведенная (Вт); M –мощность светодиода. Для пластинчатых радиаторов сделанных из алюминия можно применить следующие примерные данные рассчитанные специалистами из Тайвани:
- 1 Вт: 10 ÷ 15 см2;
- 3 Вт: 30 ÷ 50 см2;
- 10 Вт: приблизительно 1000 см2;
- 60 Вт: 7000 73000 см2.
Поскольку диапазон указанных данных имеет большой разбег и определены они в условиях для климата южной страны, то величины не являются абсолютно точными и подходят для предварительного подсчета.
Более подробную информацию о расчете площади радиатора можно получить, просмотрев видео.
Как сделать радиатор своими руками
Радиатор — важная деталь в работе LED, от его качества зависит долговечность светодиода. Сделать своими руками радиатор из подручных материалов можно следующим способом:
- Самодельно. Вырезав круг из листового алюминия, по краям делают надрезы. Как показано на Рис.6, усики отгибают как у вентилятора. 4 усика отдельно отгибают по осям теплоотвода для последующего прикрепления конструкции к основанию светодиода. Закрепить конструкцию можно саморезами, предварительно нанеся термопасту.Рис.6. Самодельный алюминиевый радиатор.
- При втором способе используют профиль (из алюминия) и отрез трубы с прямоугольным сечением 30х15х1,5. (Рис.7). Дополнительные материалы: профиль 265, пресс-шайба 16 мм, термоклей, термопаста, саморезы. Сначала просверливают в трубе 3 отверстия 8 мм, потом в профиле – 3,8 мм – для последующего закрепления саморезами. Термоклеем клеят источник света к трубе, как к основанию, предварительно наносят термопасту в местах приклеиваемых частей. Используя саморезы и пресс-шайбы собирают всю конструкцию.
Чтобы соединение получилось прочным, светодиод после нанесения клея придавливают на четыре часа не тяжелым грузом.
Рис.7. Профильная труба для радиатора
Выбирая радиатор для светодиода стоит обязательно учесть тип материала из которого он состоит и его площадь. Не правильно подобранный радиатор существенно сократит срок службы светодиода, а в некоторых случаях может и вовсе вывести его из строя в первые часы работы.
Источник: http://ledno.ru/svetodiody/radiator-dlya-led.html
ПОИСК
В 22.3 дан пример использования такого подхода для определения теплового сопротивления между р-п переходом установленного на радиаторе полупроводникового прибора и окружающей средой. Формулы для определения тепловых сопротивлений и коэффициентов для часто встречающихся в РЭА случаев приведены в табл. 22.4. [c.
825]
В производстве радиоэлектронной аппаратуры для снижения металлоемкости и трудоемкости изготовление некоторых деталей производят из литых заготовок — отливок.
К числу таких деталей относят корпуса сборочных единиц приемников, передатчиков, антенных устройств волноводных линий, радиаторы полупроводниковых приборов, детали механизмов управления различных систем, постоянные магниты и др. [c.144]
РАДИАТОРЫ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ [c.835]
Несмотря на сравнительно небольшую рассеиваемую мощность, которая присуща подавляющему числу современных полупроводниковых приборов, из-за малых габаритов последних удельная рассеиваемая мощность может быть достаточно велика.
Если не принять специальных мер по отводу тепла от прибора, то перегрев р-п перехода приводит либо к отказу прибора, либо к резкому снижению его долговечности.
Наиболее распространенным типом индивидуального теплоотводящего устройства для полупроводниковых приборов (диодов и транзисторов) является радиатор, представляющий собой металлическую теплопроводную пластину с гладкой или развитой поверхностью (рис. 22.7). [c.835]
На основе электротепловой аналогии составлена эквивалентная тепловая схема полупроводникового прибора, установленного на радиаторе (рис. 22.9, а). Схема включает в себя следующие тепловые сопротивления — переход — корпус / кс — корпус — окружающая среда / — корпус прибора — радиатор / р — радиатор — окружающая среда. [c.837]
Разность температур возникает вследствие неидеального теплового контакта корпуса полупроводникового прибора и радиатора. [c.839]
Не рекомендуется устанавливать изоляционные прокладки между корпусом полупроводникового прибора и радиатором. Целесообразно, когда это возможно, электрически изолировать радиатор от шасси РЭА, а полупроводниковый прибор крепить на радиаторе без изоляции.
Если радиатор служит для охлаждения одного полупроводникового прибора, его следует располагать в центре радиатора, При размещении нескольких приборов на радиаторе их устанавливают так, чтобы тепловая мощность была равномерно распределена по поверхности радиатора.
[c.847]
Так, например, при разработке комплекса отраслевых стандартов на радиаторы охлаждения полупроводниковых приборов было рассмотрено около 4000 чертежей радиаторов, изготовляемых на 158 предприятиях, проведена комплексная конструктивно-технологическая работа, в результате которой был создан размерный ряд радиаторов.
Конструктивно стандартизованные радиаторы выгодно отличались от ранее разрабатываемых благодаря значительному увеличению поверхности охлаждения при тех же размерах и унификации элементов крепления полупроводников приборов к радиаторам и радиаторов к панели. Разработаны оснастка и технологический процесс изготовления стандартизованных радиаторов.
В результате проведения работ организовано централизованное производство радиаторов. [c.11]
К такого же рода стандартам относятся разработанные отраслевые стандарты на игольчато-штыревой радиатор для полупроводниковых приборов.
Даже в стандарте, на лепестки контактные, в котором основная работа действительно сводилась к отбору лучших образцов изготовляемых изделий, при их стандартизации большое количество чертежей подвергалось изменениям, а ряд чертежей был разработан заново.
Так, из 1812 типоразмеров в стандарт были включены лишь 190, из которых 20 представляли собой новые конструкции, в большинстве же остальных чертежей были даны различные варианты исполнения и предусмотрены другие виды покрытий. [c.12]
Если принять, что объектом стандартизации является данное конкретное изделие, то изменение любого его признака, параметра, размера, проведенное в процессе стандартизации и изменяющего его эксплуатационные свойства или нарушающие взаимозаменяемость, позволит нам утверждать, что это уже не тот объект (основной его конструкторский документ или ТУ должны быть заменены). Поэтому стандартизация была проведена до начала промышленного производства изделия, как это было показано на приведенных выше примерах стандартизации радиаторов охлаждения полупроводниковых приборов, ручках управления и контактных лепестков. [c.13]
В целях интенсификации процесса отвода тепла от рабо-тающих полупроводниковых приборов осуществляют их посадку на радиаторы (рис. 6-8). Трансформаторы, как правило, закрепляют на шасси (рис. 6-9), которые выполняют роль теплоотводов.
В обоих случаях тепловой поток наибольшей мощности направлен на теплоотводы.
Однако в местах крепления диодов, триодов и трансформаторов к теплоотводам возникает контактное термическое сопротивление, вызванное наличием межконтактной прослойки переменной толщины (обычно [c.160]
В радиотехнике и радиоэлектронике холодную сварку применяют для герметизации корпусов полупроводниковых приборов, в цветной металлургии – для соединения алюминиевых или титановых катодных штанг с магистральными медными шинами в приборостроении – для изготовления шасси приборов из алюминия и его сплавов в автомобильной промышленности – при производстве радиаторов из алюминиевых сплавов в машиностроении – при изготовлении переходных элементов из разнородных материалов, используемых в криогенной технике на электрифицированном [c.487]
Для радиаторов применяют материалы, обладающие хорошей теплопроводностью и малым удельным весом. Целесообразно использовать алюминий и его сплавы (АД, АМц, Д16, АЛ-2 и др.). Для снижения веса применяют магниевые сплавы МА-1, МА-8 [1].
Ребристые и штырьевые радиаторы изготавливают литьем или фрезерованием из сплошной заготовки.
Чтобы увеличить теплоотдачу излучением поверхность радиатора окрашивают темной матовой краской или подвергают травлению и оксидированию с добавкой черного красителя Для снижения тепловогосопротивления контакта Rn рекомендуется обрабатывать поверхность радиатора, контактирующую с полупроводниковым прибором, с чистотой не ниже у 6 на контактную поверхность следует наносить вязкие вещества с хорошей теплопроводностью. Например, полиметилсилоксановые жидкости с вязкостью от 200 до 1000 сСт (ПМС-200, 300, 500, 1000) снижают величину / к до 50%. [c.847]
Л г а п о в а М. Г., Гальперин Е. И. Основы тепловых расчетов полупроводниковых приборов с радиаторами. В сб. Полупроводниковые приборы и их применение , вып. 14. Издво Советское радио , 1965. [c.851]
Так как тепловым процессам присушка инерционность, тепловой режим полупроводникового прибора устанавливается на протяжении промежутка времени, величина которого зависит от конструкции прибора и конструктивного расположения в блоке.
Так, полное время установления теплового режима маломош ных приборов (в том числе и стабилигронов, которые в схемах ИВЭП используются в качестве источника эталонного напряжения) составляет 2—3 мин, а для мощных приборов еще больше и зависит от теплоемкости корпуса и радиатора.
Практически за этот промежуток времени параметры схемы, в которой работают полупроводниковые приборы, принимают установившееся значение, таким образом, источник вторичного электропитания можно считать готовым к работе только с наступлением установившегося теплового режима полупроводниковых приборов. [c.53]
Источник: http://mash-xxl.info/info/634861/
(нет голосов)
Загрузка...
detector