Теплоотвод в светодиодных осветительных системах: решения Fischer

27 декабря 2010

 

 

При работе светодиода далеко не вся подводимая к нему электрическая энергия расходуется на излучение. Значительная ее часть (60-80%) выделяется в виде тепла. Температура p-n перехода, соответствующая температуре активной области кристаллической решетки, является весьма важным параметром светодиода, т.к. от нее зависит внутренний квантовый выход излучения [1], а работа светодиода при повышенных температурах приводит к значительному снижению срока его службы. Кроме того, высокая температура может привести к деформации корпуса диода. Очевидно, если не принять должных мер по отводу излишнего тепла, светодиод будет работать ненадежно или даже выйдет из строя. Именно поэтому многие производители не решаются на серийный выпуск светодиодов с рассеиваемой мощностью более 3 Ватт [2].

Местами выделения тепла внутри светодиода являются контакты, внешние слои и активная область. При низких значениях тока нагревом контактов и внешних слоев можно пренебречь ввиду малости мощности, рассеивающейся на их паразитных сопротивлениях. Поэтому при малых токах основным источником тепла является активная область светодиода, нагрев которой происходит в результате безызлучательной рекомбинации [1]. При повышении тока вклад паразитных сопротивлений контактов и внешних слоев в увеличение температуры диода становится более заметным.

Как известно, с ростом температуры кристалла интенсивность излучения светодиода падает. Это происходит из-за увеличения роли безызлучательной рекомбинации через глубокие примесные уровни, поверхностной рекомбинации и потерь носителей заряда в барьерных слоях гетероструктур [1]. На рис. 1 в качестве примера показана зависимость светового потока белого светодиода Cree XLamp XR-E от температуры кристалла при токе 350 мА [3]. Из рисунка видно, что изменение температуры на 200°С вызывает уменьшение светового потока примерно на 5%.

 

Относительное изменение светового потока светодиода в зависимости от температуры

 

Рис. 1. Относительное изменение светового потока светодиода в зависимости от температуры
кристалла

Зависимость срока службы светодиода от температуры кристалла иллюстрируется рисунком на странице 10. [4]. Здесь необходимо отметить, что светодиоды обычно имеют срок службы, измеряющийся десятками и даже сотнями тысяч часов. Естественно, проводить измерения спада светового потока диода при различных температурах кристалла на всем протяжении времени свечения диода не представляется возможным. Поэтому наблюдения за процессами старения светодиода проводятся при экстремальных условиях — при повышенном токе. Полученные данные в дальнейшем экстраполируются для нормального рабочего тока. Единого международного стандарта, который бы описывал тестирование светодиодов в экстремальных условиях с последующей экстраполяцией результатов, не существует. Тем не менее, в США есть организация JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council — объединенный инженерный совет по электронным устройствам), разрабатывающая стандарты JESD. Некоторые производители светодиодов, например, Cree, пользуются стандартом JESD22 для тестирования светодиодов. Светодиоды испытываются при максимально допустимом токе, продолжительность указанных тестов составляет 1008 часов (42 суток). Критериями выхода светодиода из строя во всех приведенных в таблице испытаниях являются: изменение напряжения на p-n переходе более чем на 200 мВ, снижение светового потока более чем на 15%, короткое замыкание, разрыв цепи. Если наблюдается хотя бы одно из указанных явлений, светодиод считается вышедшим из строя [4].

Температура p-n перехода ощутимо влияет на спектральные характеристики излучения светодиода. Так, с ростом температуры наблюдается увеличение длины волны, соответствующей максимуму спектральной плотности энергетической яркости [1]. Для белого светодиода, построенного на основе трехкристальной технологии, это приведет к ощутимому изменению цветовой температуры и индекса цветопередачи, в то время как для белого светодиода с люминофором изменение цветовой температуры и индекса цветопередачи будет менее заметным. Отметим, что человеком может быть замечено изменение цветовой температуры на величину порядка 50°К в области теплого белого света.

На рис. 2 показано, как меняется напряжение на прямосмещенных p-n переходах светодиодов красного свечения на основе AlInGaP/GaAs, синего и зеленого свечения на основе InGaN/GaN в зависимости от окружающей температуры при питании диодов постоянным током 30 мА. Для всех диодов при повышении окружающей температуры (соответственно — и температуры кристаллов) напряжение прямого смещения падает, что связано с уменьшением ширины запрещенной зоны. Уменьшение электрического сопротивления кристаллов является еще одной причиной снижения напряжения для диодов синего и зеленого свечения на основе InGaN. Это снижение сопротивления обусловлено повышением активности акцепторов с ростом температуры, что увеличивает проводимость слоев GaN и InGaN p-типа [1].

 

Изменение напряжения на светодиодах с ростом температуры

 

Рис. 2. Изменение напряжения на светодиодах с ростом температуры

Из всего сказанного выше следует, что увеличение рабочей температуры кристалла крайне негативно сказывается на эксплуатационных характеристиках светодиода — падает срок службы, уменьшается световой поток, изменяется спектр излучения и электрические параметры. Поэтому при разработке осветительной системы на светодиодах жизненно необходимо позаботиться об отводе излишка выделяющегося в диодах тепла с помощью радиаторов. Особенно это актуально при использовании мощных светодиодов.

Для расчета тепловых режимов различных электронных компонентов, в том числе светодиодов, наиболее часто используется метод тепловых сопротивлений.

Передача тепла от нагретого компонента в окружающую среду может быть записана в виде соотношения

 

, (1)

 

где P — рассеиваемая в компоненте мощность, ΔT — перепад температур между компонентом и окружающей средой, RT — тепловое сопротивление материала, участвующего в передаче тепла от нагретого тела. Из (1) следует, что размерность теплового сопротивления — К/Вт. Уравнение (1) по структуре напоминает закон Ома для участка цепи постоянного тока. Аналогия уравнения (1) с законом Ома становится абсолютно очевидной, если в (1) заменить мощность электрическим током, разницу температур — разностью потенциалов, а тепловое сопротивление — электрическим сопротивлением. Эта аналогия позволяет моделировать процессы переноса тепла с помощью электрических схем, причем сложность схем должна соответствовать реально происходящим при теплопередаче процессам [5].

Тепловое сопротивление RT определяется следующими физическими процессами — теплопроводностью, конвекцией и потерей тепла с излучением. Для диапазона температур, в котором работают современные полупроводниковые приборы, включая светодиоды, влиянием теплового излучения на охлаждение нагретого радиатора можно пренебречь [5].

При передаче тепла посредством теплопроводности тепловое сопротивление зависит от физических свойств материала, через который проходит тепловой поток, и его геометрических размеров:

 

. (2)

 

В (2) δ — толщина материала, через который проходит тепловой поток, λ — коэффициент теплопроводности, S — поперечное сечение материала.

Необходимо учитывать, что при передаче тепла соприкасающиеся поверхности могут иметь различные дефекты, увеличивающие тепловое сопротивление между поверхностями. Для устранения этой проблемы применяются различные теплопроводящие пасты.

При передаче тепла с помощью конвекции тепловое сопротивление можно записать в следующем виде:

 

. (3)

 

Здесь S — поверхность радиатора или корпуса, с помощью которого ведется конвективный теплообмен, aT — коэффициент теплоотдачи. Этот коэффициент подвержен сильным изменениям в зависимости от условий перемещения массы воздуха при естественной конвекции, числа и расположения ребер на радиаторе, производительности установленного на радиатор вентилятора. Для воздуха при естественной конвекции коэффициент теплоотдачи можно ориентировочно принять равным 10 Вт/(м2К) [5]. Производители готовых радиаторов обычно указывают результирующее тепловое сопротивление для конкретных условий применения радиатора.

Приведем пример расчета радиатора для охлаждения трех светодиодов. Будем использовать мощные светодиоды Cree XLamp XP-E белого цвета. Диоды данного семейства выпускаются на основании типа «звезда» (см. рис. 3). Такое исполнение позволяет легко крепить диоды на радиатор. Компанией Cree проведено моделирование на нескольких серийно выпускаемых типах оснований с разными тепловыми сопротивлениями. Так, для основания толщиной 1,6 мм типа FR-4 5-via тепловое сопротивление составляет около 9 К/Вт, а для типа MCPCB — около 3 К/Вт [3]. Его и будем использовать при расчете. Для упрощения расчетов пренебрежем всеми тепловыми сопротивлениями на стыках соединяющихся частей. Также будем считать, что весь теплообмен ведется только по системе светодиод — радиатор — окружающая среда. Передачей тепла в окружающую среду непосредственно от диода можно пренебречь в силу ее малости.

 

Светодиод XLamp XP-E на основании «звезда»

 

Рис. 3. Светодиод XLamp XP-E на основании «звезда»

Эквивалентная схема, моделирующая процессы теплопередачи, показана на рис. 4. Здесь P — мощность, выделяющаяся в каждом диоде, Tк — температура кристалла диода, Tосн — температура основания диода, Tр — температура поверхности радиатора, Tокр — температура окружающей среды, Rд — тепловое сопротивление от кристалла светодиода до места монтажа, Rосн — тепловое сопротивления основания, на котором расположен светодиод, Rр — тепловое сопротивление радиатор — окружающая среда. Примем окружающую температуру равной 300°С, температуру кристаллов диодов — равной 800°С (максимальная температура для данного типа диодов 1500°С [3]). Rд = 9 К/Вт, Rосн = 3 К/Вт, мощность, выделяющаяся в диодах при токе Iд = 350 мА и напряжении Uд = 3,2 В равна P = 1,12 Вт [3].

Целью расчета является определение теплового сопротивления Rр, по которому потом можно выбрать необходимый радиатор. Rр, в соответствии со схемой на рис. 4, можно рассчитать по следующей формуле:

 

.  (4)

Подставляя в (4) численные значения, получим Rр = 10,88 К/Вт. Соответственно, нам необходим радиатор с тепловым сопротивлением меньшим либо равным рассчитанному значению.

 

Эквивалентная схема для расчета теплового режима светодиодов

 

Рис. 4. Эквивалентная схема для расчета теплового режима светодиодов

Одной из компаний, которая производит радиаторы специально для нужд светодиодного освещения, является Fischer. В номенклатуре этой компании имеется радиатор с требующимися нам характеристиками и размерами, достаточными для установки трех светодиодов — ICK LED R54x20. Этот радиатор имеет тепловое сопротивление 9,48 К/Вт и предназначен для работы в условиях естественной конвекции. Конструкция радиатора показана на рис. 5 [6].

 

Радиаторы Fischer ICK LED

 

Рис. 5. Радиаторы Fischer ICK LED

Иногда перед разработчиком светодиодной осветительной системы может возникнуть задача расчета теплового режима большого количества светодиодов, установленных на одном радиаторе. При этом могут возникнуть сложности с определением теплового сопротивления радиатор-среда, которое, вообще говоря, для разных точек на поверхности протяженного радиатора может быть различным. Это может привести к заметному усложнению эквивалентной схемы, моделирующей процессы теплопереноса. Однако если светодиоды распределены достаточно равномерно по поверхности радиатора на небольших расстояниях друг от друга, то в первом приближении можно пренебречь градиентом температуры по поверхности радиатора. Это несколько упростит расчет.

Рассмотрим образцы радиаторов, выпускаемых компанией Fischer для охлаждения светодиодов.

Серия ICK LED — алюминиевые радиаторы ребристого типа с круглым основанием, доступные диаметры 23,5…54 мм, высота радиаторов 10…27 мм. Наружная поверхность — черная анодированная. Для радиаторов с индексом G производитель указывает график зависимости теплового сопротивления радиатора от скорости обдувающего радиатор воздуха. Конструкция радиаторов показана на рис. 5.

Серия SK — алюминиевые радиаторы ребристого типа, внешний диаметр 51…85 мм, наружная поверхность — черная анодированная. В описании товара производитель указывает график зависимости теплового сопротивления радиатора от его высоты. Конструкция радиаторов показана на рис. 6.

 

Радиаторы Fischer SK

 

Рис. 6. Радиаторы Fischer SK

Серия ICK S — алюминиевые радиаторы игольчатого типа, выполненные на квадратном основании. Ширина основания 25…50 мм, высота 10…50 мм. В описании товара производитель указывает график зависимости теплового сопротивления радиатора от скорости обдувающего радиатор воздуха. Конструкция радиаторов показана на рис. 7.

 

Радиаторы Fischer ICK S

 

Рис. 7. Радиаторы Fischer ICK S

Помимо самих радиаторов, компания Fischer выпускает широкий ассортимент аксессуаров для монтажа различных изделий на радиаторы — это теплопроводящие пасты и клеи, термопроводящая пленка на клеевой основе и т.д.

 

Заключение

Очевидно, что необходимость корректного расчета теплового режима светодиодов (особенно мощных) и выбор подходящей системы охлаждения — залог успеха при проектировании надежной и долговечной осветительной системы на светодиодах. В связи с этим хочется отметить, что некоторые производители аксессуаров для электронной техники начали выпускать системы охлаждения, специально адаптированные к использованию совместно со светодиодами. Одним из таких производителей является компания Fischer. В ассортименте радиаторов, выпускаемых данной компанией, разработчик может найти все необходимое для качественного и быстрого проектирования осветительной системы на светодиодах.

 

Литература

1. Шуберт Ф. Светодиоды. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.

2. http://www.e-neon.ru/

3. http://www.cree.com/ 

4. http://www.magazine-svet.ru/analytics/62889/ 

5. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005.

6. http://www.fischerelektronik.de/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: lighting.vesti@compel.ru

 

 

ИП HLG-H от MEAN WELL питают светодиоды при 40 градусах мороза

   

 

   

Серия источников вторичного электропитания HLG от компании MeanWell состоит из модулей HLG-100, HLG-120, HLG-150, HLG-185, HLG-240 мощностью 100…240 Вт в герметичном металлическом корпусе по IP67 или IP65.

Широкий диапазон рабочих температур -40…70°C и высокая степень защиты от внешних воздействий позволяет применять эти источники питания в составе светильников уличного освещения, а также в разнообразной аппаратуре, работающей в тяжелых условиях, в том числе в северных регионах России. Отличительной чертой источников питания HLG-H является наличие моделей с расширенным диапазоном входного напряжения 90…305 В, что очень востребовано в условиях отечественных сетей с нестабильным напряжением. Источники питания HLG-H имеют встроенный корректор коэффициента мощности (ККМ, PFC), высокий КПД 90…95%, комплекс защит от короткого замыкания, от перегрузки по току, от превышения выходного напряжения, от перегрева; электрическую прочность изоляции вход/выход 3,75 кВ переменного тока; низкий уровень пульсаций 150…200 мВ (размах).

Варианты исполнения кодируются суффиксом, например, HLG-240H-12A.

  • HLG-H с суффиксом «А»— степень защиты от внешних воздействий IP65, подстройка выходного напряжения и тока с помощью встроенных потенциометров.
  • HLG-H с суффиксом «B»— дистанционное управление яркостью светодиодов (димминг), степень защиты от внешних воздействий IP67. Димминг осуществляется при помощи внешнего потенциометра или внешнего управляющего аналогового напряжения, или внешних ШИМ-импульсов.
  • HLG-240H с суффиксом «С»— корпус с клеммной колодкой (только мощностью 240 Вт), степень защиты от внешних воздействий IP20.
  • HLG-H без суффикса— степень защиты от внешних воздействий IP67.
•••

Наши информационные каналы

О компании Fischer Elektronik

Начав в 1969 году с производства, в котором было занято не более 3-х человек, компания Fischer Elektronik GmbH & Co. KG выросла в крупнейшего производителя охладителей полупроводниковых компонентов, известного как в Германии, так и далеко за ее пределами. Сегодня на производственных площадях более чем в 15000 км2 производится три вида основной продукции Fischer Elektronik: охладители для полупроводников: штампованные охладители; готовые охладительные агрегаты; охладители с жидкос ...читать далее