LED 열설계 기초에서 정션 온도 공식을 정리했습니다.
Tj = Ta + Pth × (Rth_jc + Rth_cs + Rth_TIM + Rth_sa)
식은 간단한데, 매번 손으로 계산하려면 귀찮고 실수하기 쉽습니다. 특히 **”목표 온도를 만족하려면 히트싱크가 얼마나 좋아야 하나”**를 거꾸로 구하는 계산은 항이 많아 헷갈립니다.
이 글의 계산기는 두 방향을 모두 지원합니다.
💡 공식의 원리는 LED 열설계 기초에, TIM별 열저항 값은 히트싱크와 TIM 선정 가이드에 정리했습니다. 이 글은 그 두 글의 계산을 자동화한 도구입니다.
🌡️ LED 열저항 계산기
① 정션 온도 계산
LED 사양(Vf, If, 개수, 광효율)과 열저항 경로 4구간, 주위 온도를 넣으면 정션 온도가 나옵니다. 지금 설계가 안전한지 확인할 때 씁니다.
② 필요 히트싱크 역산
목표 정션 온도를 정해두고, 히트싱크를 제외한 나머지 조건을 넣으면 허용되는 히트싱크 열저항 상한이 나옵니다. 부품을 고르기 전에 스펙을 정할 때 씁니다.
⚠️ 이론 모델입니다. LED 개체 편차, TIM 접촉 압력, 실제 공기 흐름은 반영되지 않습니다. 설계 초기 검토용으로 쓰시고, 최종 판단은 실측으로 하세요.
📐 입력값은 어디서 구하나
| 입력 | 출처 |
|---|---|
| Vf, If | LED 데이터시트 |
| LED 개수 | 설계 중인 모듈의 병렬 개수 |
| 광효율 | 데이터시트 또는 보수적으로 20~30% 가정 |
| Rth j-c | LED 데이터시트 (개당 값, 계산기가 개수로 나눠 처리) |
| Rth c-s | 기판·솔더링 스펙 또는 경험값 |
| TIM 열저항 | TIM 선정 가이드의 Rth = BLT ÷ (k×A)로 직접 계산하거나 제조사 공표값 |
| 히트싱크 Rth s-a | 히트싱크 카탈로그 (①번 모드) |
| 목표 Tj | 사용 LED의 Tj_max에서 여유(보통 10~20℃)를 뺀 값 |
📌 LED가 여러 개면 Rth j-c와 Rth c-s는 개당 값을 그대로 입력하세요. 계산기가 내부에서 개수로 나눠 병렬 효과를 반영합니다. 열설계 글에서 다룬 것과 같은 방식입니다.
🧮 검증 예시 – 이 계산이 왜 필요한지
같은 LED 모듈(24개, 3.1V×0.7A)에서 광효율만 다르게 넣어보면 이렇습니다.
| 히트싱크 Rth | 광효율 20% | 광효율 30% | 광효율 40% |
|---|---|---|---|
| 2.0 ℃/W | 122.9℃ | 108.7℃ | 94.6℃ |
| 1.2 ℃/W | 87.6℃ | 79.2℃ | 70.9℃ |
| 0.6 ℃/W | 61.9℃ | 57.4℃ | 52.8℃ |
📌 계산기와 동일한 공식으로 Python 검증한 값입니다.
같은 히트싱크, 같은 전류인데 광효율 추정을 20%로 하느냐 40%로 하느냐에 따라 정션 온도가 28℃까지 벌어집니다. 데이터시트에 광효율이 명시되어 있지 않다면, 보수적으로 낮은 값(20~30%)을 가정하고 계산하는 것이 안전합니다.
🛠️ 활용 시나리오
시나리오 1. 기존 설계 검증
이미 정해진 LED·히트싱크·TIM이 있다면 ①번 모드에 그대로 입력하세요. 결과가 LED의 Tj_max에 근접하거나 초과한다면 재검토가 필요합니다.
시나리오 2. 히트싱크 구매 전 스펙 결정
②번 모드로 목표 Tj(예: Tj_max에서 20℃ 여유)를 넣고 필요한 Rth 상한을 구하세요. 이 숫자를 들고 히트싱크 카탈로그를 보면 후보를 빠르게 좁힐 수 있습니다.
시나리오 3. TIM 교체 검토
①번 모드에서 TIM 열저항만 바꿔가며 정션 온도 변화를 확인하세요. TIM 선정 가이드에서 다룬 것처럼, 두께 차이가 예상보다 큰 영향을 줄 수 있습니다.
시나리오 4. 밀폐 기구 검토
주위 온도를 25℃에서 45℃(빠른 조건 버튼)로 바꿔 같은 설계가 밀폐 기구에서도 버티는지 확인하세요.
⚠️ 계산기가 다루지 못하는 것
- LED 간 상호 가열: 여러 LED를 단순 병렬로 계산하지만, 실제로는 인접 LED의 열이 기판을 통해 서로 영향을 줍니다. 밀집 배치일수록 실제 온도가 계산값보다 높을 수 있습니다.
- TIM 접촉 압력: 같은 TIM이라도 조립 압력에 따라 실제 열저항이 달라집니다.
- 시간에 따른 변화: 먼지, TIM 열화 등으로 실사용 중 열저항은 서서히 나빠집니다.
- 비선형 광효율: 실제로는 전류와 온도에 따라 광효율 자체가 변합니다. 계산기는 고정값으로 가정합니다.
💡 여유를 두고 설계하세요. 계산값과 목표 Tj_max 사이에 최소 10~20℃의 여유를 두면 위 변수들을 어느 정도 흡수할 수 있습니다.
✅ 한눈에 정리
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 기본 공식 | Tj = Ta + Pth × ΣRth |
| 발열 공식 | Pth = Vf × If × 개수 × (1 − 광효율) |
| 병렬 열저항 | Rth j-c, Rth c-s는 개수로 나눔 |
| 역산 공식 | Rth_sa ≤ (Tj_목표−Ta)/Pth − (Rjc+Rcs+Rtim) |
| 광효율 영향 | 20%→40% 가정 차이만으로 최대 28℃ 차이 |
| 미반영 요소 | LED 상호 가열, 접촉 압력, 열화, 비선형 효율 |
| 권장 여유 | 목표 Tj_max 대비 10~20℃ |
🎯 오늘 바로 해볼 것
- 현재 쓰고 계신 LED와 히트싱크 스펙을 계산기 ①번에 넣어 정션 온도가 Tj_max 대비 몇 도 여유 있는지 확인하세요.
- 히트싱크를 아직 안 정하셨다면 ②번으로 필요한 Rth 상한을 먼저 구하고 카탈로그를 보세요.
- 광효율을 모르신다면 20%와 40%로 각각 계산해 범위를 확인하세요. 그 범위가 설계 여유를 얼마나 둬야 하는지 알려줍니다.
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