Опыт с нагревом платы и допустимая рассеиваемая мощность
Вступление
Имеется несколько светодиодных ламп, которые жутко нагреваются, таким образом они быстро деградируют, а также перегревают плату питания (драйвер), а потом и вовсе выходят из строя через несколько лет (в лучшем случае).
Таким образом хочется выяснить какая оптимальная мощность и площадь рассеивания теплоты должна быть у светодиодной лампы, при который она будет работать в щадящем режиме с температурой, скажем, не более 40 °C – 50 °C, это необходимо, чтобы добиться большого срока службы, по примеру столетней лампы, которая как раз и работает долго из-за подаваемой мощности гораздо меньше номинальной.
Для этого проделаю простой небольшой опыт со светодиодной платой для оценки зависимости температуры платы от мощности светодиодов.
Подготовка
К плате со светодиодами припаяны провода питания (красный - плюс, черный - минус). Для измерения температуры с помощью термопары для наилучшего теплового контакта датчик приклеен теплопроводящим клеем.
На плате множество посадочных мест, но установлено только 18 светодиодов поверхностного монтажа типоразмера 5730 мощностью 0.5 Вт, то есть общая номинальная мощность 9 Вт.
Ход работы
Плата подключается к боку питания, а термопара к мультиметру. Плавным регулированием устанавливаются разные значения напряжения. Запись напряжения, тока и температуры производиться в установившемся состоянии (около 30 минут работы). Температура окружающей среды около 25 °C, принудительного охлаждения или радиатора не используется.
Полученные результаты
Результаты измерений сведены в таблицу вместе с расчетом мощности.
Построение графика зависимости
Получилась почти линейная зависимость.
Проверка площади на 1 Вт
В открытых источниках можно встретить весьма полезное в инженерном деле значение площади платы для допустимой рассеиваемой мощность 1 Вт для температуры не более 40 °C. Ну, что ж, попробуем сравнить с получившимися результатами [1].
Area1W = 15.3 см²
Размеры платы 19.8 мм х 93 мм:
Рассчитаем площадь:
PcbArea = 19.8 мм * 93 мм = 1841.4 мм² = 18.41 см²
Теперь найдем сколько мощности допустимо рассеивать на этой плате, чтобы температура не поднималась выше 40 °C (при нормальных условиях):
PcbPower = PcbArea/Area1W = 18.41/15.3 = 1.20 Вт
Теперь по графику найдем какая мощность соответствует температуре 40 °C ( это точка A):
Помня о том, что только часть энергии превращается в тепло примем КПД светодиодов за 50% (они здесь простые), тогда тепловая мощность равна:
HeatPower = PcbPower*0.5 = 1.6 Вт * 0.8 = 0.8 Вт
Теперь делим площадь на мощность у узнаем сколько же нужно на 1 Ватт:
Area1W _Calc = PcbArea /HeatPower = 18.41 см² / 0.8 Вт = 23.01 см²/Вт
Учитывая некую неравномерность графика в этом диапазоне, дополнительный теплоотвод в виде проводов и КПД взятый примерно результаты считаю довольно близким к тому, который был озвучен. То есть если произвести расчеты, то имеем:
| Теоретическое значение | Расчетное значение |
| 15.3 см²/Вт | 23.01 см²/Вт |
Выводы
Первая часть опыта (оценочная)
А выводы такие, что для рабочей температуры до 50 °C нужна площадь поверхности платы 18.41 см² при наибольшей общей мощности светодиодов 2.5 Вт (при КПД=50%). Учитывая то, что температура окружающей среды может быть выше нормальных условий (25 °C) и охлаждение воздухом не совершенное я бы советовал подавать не более 2 Вт на такую платку. Таким образом для одной светодиодной лампы нужно:
| Три | Четыре | Пять |
| 3*2 Вт =6 Вт | 4*2 Вт = 8 Вт | 5*2 Вт=10 Вт |
Учитывая размеры и простоту сборки оптимальным будет 8 Вт.
Вторая часть опыта (расчетная)
По поводу расчетной площади. Если учесть, что КПД этих светодиодов менее 50%, то результат будет еще более приближенном. В любом случае, считаю адекватным пользоваться числом 15.3 см²/Вт при проектировании печатных плат.
Перечень источников
1. PCB Thermal Design Considerations | PCBCart - https://www.pcbcart.com/article/content/pcb-theram...