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湖南戶外led顯示屏如何做好散熱

2020-01-26

      高溫會導致電子元器件的失效概率迅速加大,從而導致led顯示屏的可靠度下降。為了控制led顯示屏內部電子元器件的溫度,使其在led顯示屏所處的工作環境條件下,不超過規定的最高允許溫度,需要進行湖南戶外led顯示屏的散熱設計。led顯示屏的散熱設計,怎樣才能低成本、高質量?

     一、散熱設計的相關知識

  熱量傳遞的兩個基本規律:熱量是從高溫區流向低溫區;高溫區發出的熱量等于低溫區吸收的熱量。

  熱量的傳遞有三種基本方式:導熱、對流和輻射。

  導熱:氣體導熱是由氣體分子不規則運動時互相碰撞的結果。金屬導體中的導熱主要靠自由電子的運動來完成。非導電固體中的導熱是通過晶格結構的振動實現的。液體中的導熱機理主要靠彈性波的作用。

  對流:指流體各部分之間發生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流僅發生在流體中,且必然伴隨著有導熱現象。流體流過某物體表面時所發生的熱交換過程,稱為對流換熱。由流體冷熱各部分的密度不同所引起的對流稱自然對流。若流體的運動由外力(風扇等)引起的,則稱為強迫對流。

  輻射:物體以電磁波形式傳遞能力的過程稱為熱輻射。輻射能在真空中傳遞能量,且有能量形式的轉換,即熱能轉換為輻射能及輻射能轉換成熱能。 

  選擇散熱方式時,應考慮下列因素:led顯示屏的熱流密度、體積功率密度、總功耗、表面積、體積、工作環境條件(溫度、濕度、氣壓、塵埃等)等。 

  按傳熱機理,有自然冷卻、強迫空氣冷卻、直接液體冷卻;蒸發冷卻;熱電致冷;熱管傳熱等散熱方式。 

  二、led顯示屏的散熱設計方法

  從實際應用中可知,目前led顯示屏內部發熱比較多,發熱較多的電子零部件為:LED、驅動IC、開關電源。因此,需要對led顯示屏進行散熱設計,在熱源與外部環境之間提供一條低熱阻通路,保證熱量順利傳遞出去。

  物體溫度低于1800℃時,有意義的熱輻射波長位于0.38~100μm之間,且大部分能量位于紅外波段0.76~20μm范圍內,在可見光波段內,熱輻射能量比重并不大。因此,led顯示屏內部可以隨意涂敷各種顏色。太陽光直射的led顯示屏外部,需涂覆成淺色,避免可見光吸收。 

  從led顯示屏的使用情況考慮,租賃屏、戶內固定安裝屏多用自然冷卻散熱的方法,戶外固定安裝屏多用強迫空氣冷卻散熱的方法。

  戶外固定安裝led顯示屏,在整個屏幕安裝時,就要考慮散熱設計。受安裝地點的限制,隨著led顯示屏功耗的降低,越來越多的客戶將led顯示屏在戶外裸裝,同時沒有其他的輔助散熱措施。對led顯示屏大屏幕來說,只有自然冷卻散熱的方式,散熱能力比較差。因此,led顯示屏箱體的散熱設計顯得尤為重要。從led顯示屏箱體使用可靠性、維護成本等多個角度綜合考慮,用風扇進行強迫對流冷卻散熱,是比較好的散熱方式。

  選擇風扇一般以風扇進出口風溫的大小作為限制條件。對于抽風的情況,由于風扇抽出的是熱風,對風扇的壽命將產生嚴重的影響。對風扇廠家,一般均以60℃作為標定風扇壽命MTBF的條件,如果風扇應用的環境溫度高于60℃,則溫度每升高5℃,風扇壽命下降一半。

  送風不均勻,吹風有一定的方向性,局部換熱強烈,適用于發熱器件比較集中的情況。 

  送風均勻,適用于發熱器件分布比較均勻,風道比較復雜的情況。 

  風扇出口附近氣流主要為紊流流動

  進入風扇的流動主要為層流狀態。

  風扇工作在較低的空氣溫度下,風扇壽命較長。

  風扇在出風口高溫下氣流工作,壽命會受影響。

  吹風時在箱體內形成正壓,可以防止縫隙中的灰塵進入箱體。

  機柜內形成負壓,縫隙中的灰塵會進入箱體內。

  箱體內模組的散熱設計,也是需要考慮的。不良的散熱設計,會使顯示效果不佳,出現色斑情況。在PCB上放置發熱元器件時,盡量考慮熱量的均勻分布,不要將發熱多的元器件聚集在PCB的某個局部。 

  三、湖南戶外led顯示屏散熱設計實例  

led顯示屏大屏幕的散熱方式為自然冷卻散熱。綜合散熱成本、質量考慮,led顯示屏箱體的散熱方式為風扇空氣強迫致冷散熱。

  先來計算空氣對流量, 計算公式為L=Wr/( Cρ(tn- tl))L:空氣對流量,m3/s;Wr:空氣強迫冷卻散熱量;C:空氣的比熱容,kJ/(kg℃);ρ:空氣的密度,kg/m3; tn:箱體內部溫度,℃;tl:降溫系統輸入的冷空氣溫度,℃

  根據上面的公式,可以知道,如果要保證led顯示屏箱體內部空氣溫度不超過tn℃,降溫系統需要輸入冷空氣的進風量為Wr/( Cρ(tn- tl))m3/s。

  假設led顯示屏箱體需要散熱的熱量為W,考慮到自然冷卻散熱、輻射散熱在箱體的整個散熱過程中起到的作用非常小,將W考慮為空氣強迫冷卻散熱量。精確計算led顯示屏的內部發熱量,在工程上不太容易實現,通常采用估算法。由經驗可知:在以最大亮度播放靜止白色畫面時,A1688發熱功率約為300W,即Wr=0.3KW。通常情況下,led顯示屏中,LED光源的發熱量占整屏發熱量約45%、驅動部分發熱占整屏發熱量約50%、控制器及連接線等占整屏發熱量約5%。

  空氣的比熱容、空氣的密度,與空氣的溫度、濕度、壓力有關。查當地的歷史氣候數據,考慮到最不利的氣候條件,確定C=0.7 kJ/(kg℃)、ρ=0.7 kg/m3。

  箱體內部溫度tn,是指箱體內的最高空氣溫度,通常在箱體的上部。查開關電源、驅動IC等電子零部件的規格書,確定tn為60℃。 

  根據當地氣候資料及安裝特點,確定降溫系統輸入的冷空氣溫度tl為40℃。

  L=0.3/(0.7*0.7*(60-40))=0.031 m3/s

  再來計算風扇處開口面積及風扇選型。

  根據安裝地點的情況,采用通過風扇鼓風的散熱方式。

  選用常用的風扇,風量為50CFM,換算為0.023 m3/s。因此,選用兩個風扇鼓風。 

  四、結論

  高溫對湖南戶外led顯示屏的可靠性影響較大,需要做散熱設計。戶外固定安裝的led顯示屏,需從大屏幕的散熱設計開始,再進行箱體的散熱設計、模組的散熱設計。散熱設計,需要先做方案,計算無問題后再做原型機測試驗證。測試驗證無問題的led顯示屏,才會在實際工作中不出現高溫問題。


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