Вимоги до теплового режиму, практичні можливості його оптимізації в конструкціях світлових приладів на світлодіодах.

Рис. 1а. Блакитний світлодіод + один конверсійний люмінофор = біле випромінювання

Рис. 1б. Ультрафіолетовий діод + три люмінофора (R/G/B) = біле випромінювання.

Для отримання білого випромінювання з тією чи іншою колірною температурою є 3 принципові можливості:

1. Перетворення випромінювання світлодіоди блакитного жовтим люмінофором (рис.1а).
2. Перетворення випромінювання УФ – світлодіода трьома люмінофорами (аналогічно люмінесцентним лампам з так званим трьохсмуговим спектром) (рис.1б).
3. Адитивна суміш випромінювань червоного, зеленого та синього світлодіодів (RGB-принцип, аналогічний технології кольорового TV).

Колірний відтінок випромінювання білих світлодіодів може бути охарактеризований значенням коррелированной колірної температури.

Більшість типів сучасних білих світлодіодів випускається на базі блакитних в комбінації з конверсійними люмінофорами, які дозволяють отримати біле випромінювання з широким діапазоном колірної температури – від 3000 К (тепло-білий світ) до 6000 К (холодне денне світло).

Робота світлодіодів в схемах живлення.

Кристал світлодіода починає випромінювати, коли в ньому протікає струм в прямому напрямі. Світлодіоди мають експоненціально зростає вольт-амперну характеристику. Зазвичай вони живляться постійним стабілізованим струмом або постійною напругою з перевключеним обмежувальним опором. Це запобігає небажані зміни номінального струму, які впливають на стабільність світлового потоку, а в гіршому випадку можуть навіть призвести до пошкодження світлодіода.
При невеликих потужностях використовуються аналогові лінійні регулятори, для живлення потужних діодів – мережеві блоки зі стабілізованим струмом або напругою на виході. Зазвичай світлодіоди включаються послідовно, паралельно або послідовно-паралельні ланцюги (див. мал.).

Плавне зниження яскравості («діммірованіе») світлодіодів здійснюється регуляторами з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) або зменшенням прямого струму. За допомогою стохастичної ШІМ можна добитися мінімізації спектру перешкод (проблема електромагнітної сумісності). Але в даному випадку при ШІМ може спостерігатися заважає пульсація випромінювання світлодіода.

Величина прямого струму варіюється в залежності від моделі: наприклад, 2 мА – у мініатюризованих світлодіодів площинного монтажу (SMD-LED), 20 мА – у світлодіодів діаметром 5 мм з двома зовнішніми токовводами, 1А – у потужних світлодіодів для цілей освітлення.
Пряме напруга UF зазвичай лежить а межах від 1,3 ДО (ІК-діоди) до 4 (світлодіоди на базі нітриду індію, галію – білі, блакитні, зелені, УФ).

Між тим, вже створені схеми харчування, що дозволяють під'єднувати світлодіоди безпосередньо до мережі змінного струму 230 Ст. Для цього дві гілки світлодіодів включаються антипараллельно і приєднуються до стандартної мережі через омічний опір. У 2008 р. П. проф. Маркс отримав патент на схему регулювання яскравості світлодіодів, що живляться стабілізованою змінним струмом (див. рис. 3).

Південнокорейська фірма Seoul Semiconductors інтегрувала схему рис. 3 з двома антипараллельными ланцюжками, (у кожній з яких велика кількість світлодіодів) безпосередньо в одному чіпі ("Acriche-LED"). Прямий струм світлодіодів (20 мА) обмежується омічним опором, підключеним послідовно до антипараллельной схемою. Пряме напруга на кожному з світлодіодів складає 3,5 Ст.

Енергетичний ККД

Енергетична ефективність світлодіодів (ККД) – відношення потужності випромінювання (у Ватах) до споживаної електричної потужності (в світлотехнічної термінології це енергетична віддача випромінювання - ηe).
У теплових випромінювачах, до яких відносяться класичні лампи розжарювання, для генерації видимого випромінювання (світла) необхідний нагрівання спіралі до певної температури. Причому основна частка підведеної енергії перетворюється в теплову (інфрачервоне випромінювання), а у видиме випромінювання трансформується тільки ηe = 3% (у звичайних) і ηe = 7% – у галогенних ламп розжарювання.
Світлодіоди для застосування в прикладній світлотехніці перетворять підводиться електроенергію у видиме випромінювання в дуже вузькою спектральної області, причому в кристалі виникають теплові втрати. Це тепло повинно відводитися від світлодіода спеціальними конструктивними методами з тим, щоб забезпечити необхідні світлові, колірні параметри і максимальний термін служби.

У світлодіодів для цілей освітлення і сигналізації ІЧ - і УФ-складові в спектрі випромінювання практично відсутні і такі світлодіоди мають значно більш високу енергетичну ефективність, ніж теплові випромінювачі. При сприятливому тепловому режимі у світлодіодів в світ перетворюється 25% підведеної енергії. Тому, наприклад, у білого світлодіода потужністю 1 Вт приблизно 0,75 Вт припадає на теплові втрати, що вимагає в конструкції світильника наявності тепловідвідних елементів або навіть примусово охолодження. Таке управління тепловим режимом світлодіодів здобуває особливу значимість. Бажано, щоб виробники світлодіодів та світлодіодних модулів приводили в переліку характеристик своїх виробів значення енергетичного ККД.

Управління тепловим режимом

Нагадаємо, що майже 3/4 електроенергії, споживаної світлодіодом, перетворюється в тепло і тільки 1/4 – у світло. Тому при конструюванні світлодіодних світильників вирішальну роль у забезпеченні їх максимальної ефективності відіграє оптимізація теплового режиму світлодіодів, простіше кажучи, інтенсивне охолодження.

Як відомо, передача тепла від нагрітого тіла здійснюється за рахунок трьох фізичних процесів:

1. Випромінювання

Ф = Wλ =5,669·10-8·(Вт/м2·К4)ε·А·(Тѕ4 – Та5)
де: Wλ – потік теплового випромінювання, Вт
ε – коефіцієнт випромінювання
Тѕ – температура поверхні нагрітого тіла, До
Та – температура поверхонь, що обмежують приміщення, До
А – площа випромінюючої тепло поверхні, м2

2. Конвекція

Ф = α· А·(Тѕ-Та)
де: Ф – тепловий потік, Вт
А – площа поверхні нагрітого тіла, м2
α – коефіцієнт теплопередачі,
Тѕ – температура граничної сітки середовища, До
Та – температура поверхні нагрітого тіла, До
[для неполірованих поверхонь α = 6...8 Вт /(м2К)].

3. Теплопровідність

Ф = λT·(А/l) (Тѕ-Та) =(T/Rth)
де: Rth= (l / λT·A) – тепловий опір, K/Вт,
Ф – теплова потужність, Вт
A – поперечноесечение
l-довжина - λT – коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К)
для керамічних елементів охолодження λT=180 Вт/(м·К),
для алюмінію – 237 Вт/(м·К),
для міді – 380 Вт/(м·К),
для алмазу – 2300 Вт/(м·К),
для вуглецевих волокон – 6000 Вт/(м·К)]

4. Тепловий опір

Сумарний тепловий опір розраховується як:

Rth хрон.заг.=1/[(1/ Rth,1)+ (1/ Rth, 2)+ (1/ Rth,3)+ (1/ Rth,n)]

Rth последобщ. = Rth,1 + Rth, 2 + Rth,3 +....+ Rth,n

Резюме

При дизайні світлодіодних світильників необхідно вжити всі можливі заходи для полегшення теплового режиму світлодіодів за рахунок теплопровідності, конвекції і випромінювання.

Випромінювання
Поверхню освітлювального приладу, на якій монтується світлодіод або модуль з кількома світлодіодами не повинна бути металевою, оскільки метали володіють дуже низьким коефіцієнтом випромінювання. Поверхні світильників, що контактують зі світлодіодами, повинні, по можливості, мати високий спектральний коефіцієнт випромінювання ε.

Конвекція
Бажано мати досить велику площу поверхні корпусу світильника для безперешкодного контакт з потоками навколишнього повітря (спеціальні охолодні ребра, шорстка структура тощо). Додатковий відвід тепла можуть забезпечити примусові заходи: минивентиляторы або вібруючі мембрани.

Теплопровідність
через дуже невеликій площі поверхні та об'єму світлодіодів необхідне охолодження за рахунок випромінювання і конвенції не досягається.
Тому першочергове завдання при конструюванні світлодіодних світильників – забезпечити відведення тепла за рахунок теплопровідності спеціальних охолоджуючих елементів конструкції корпусу. Тоді вже ці елементи будуть відводити тепло випромінюванням і конвекцією.
Матеріали тепловідвідних елементів по можливості повинні мати мінімальний тепловий опір.
Хороші результати були отримані з тепловідвідними вузлами типу "Heatpipes", що володіють екстремально високими теплопровідними властивостями.
Один з кращих варіантів тепловідведення – керамічні підкладки з попередньо нанесеними струмоведучими трасами, безпосередньо до яких підпоюють світлодіоди. Охолоджуючі конструкції на базі кераміки відводять приблизно в 2 рази більше тепла в порівнянні з звичайними варіантами металевих охолоджуючих елементів.
Взаємозв'язок електричних і теплових параметрів світлодіода проілюстрована на рис. 4.
На рис. 5 показана типова конструкція потужного світлодіода з алюмінієвим охолоджуючим елементом і ланцюг теплових опорів, а на рис. 6-8 – різні методи охолодження.

Рис. 4. Електрична і термічна системи.

Рис. 5. Конструктивна схема світлодіода з охолоджуючим елементом і ланцюг його теплових опорів.

Рис. 6. Фірма CeramTec застосувала для охолодження світлодіода керамічний елемент CERAM COOL. Порівняння звичайної конструкції (зліва) з керамічним варіантом.

Рис. 7. Інноваційна система охолодження розроблена фірмою Hauber& Graf. Охолоджуючі пластини термічно один від одного ізольовані. Відведення тепла від світлодіодним плати на пластини здійснюють циліндричні шипи.

Рис. 8. Монтаж потужного світлодіода на охолодженому елементі (фірма Opto-Corporation, Тайвань).

Рис. 9. Теплові опору світлодіода на струмопровідній платі.

Приклад розрахунку теплового опору для білого світлодіода

UF= 3,8 В
IF = 350 мА
PLED = 3,8 В ∙ 0,35 A = 1,33 Вт
Оскільки оптичний ККД світлодіода дорівнює 25%, то тільки 0,33 Вт перетворюється на світло, а інші 75% (Pv=1 Вт) – у тепло. (Найчастіше в літературі при розрахунку теплового опору RthJA допускають помилки, приймаючи , що Pv = UF ∙ IF = 1,33 Вт – це невірно!)

Максимально допустима температура активного шару (p-n – переходу – Junction) TJ = 125°C (398 K).

Максимальна навколишня температура ТА = 50°С (323 К).

Максимальне теплове опір між замикаючим шаром і оточенням:

R_thJA= (T_J – T_A)/ P_v = (398 K – 323K)/1 Вт = 75 К/Вт

Згідно з даними виробника, тепловий опір світлодіода

R_thJS = 15 К/Вт

Необхідний тепловий опір додаткових тепловідвідних елементів (охолодні ребра, теплопровідні пасти, клеющие компаунди, плата):
  
R_thSA= R_thJA – R_thJS = 75-15 = 60 К/Вт

На рис. 9 пояснені теплові опору для діода на платі.
Взаємозв'язок температури активного шару і теплового опору між замикаючим (активним) шаром і точкою припою висновків кристала визначає формула:

T_J= U_{F ∙} I_F ∙ η_e∙ R_thJS + Т_S

де Т_S – температура, виміряна в точці припою висновків кристала (в даному випадку вона дорівнює 105°С)

Тоді, для розглянутого прикладу з білим світлодіодом потужністю 1,33 Вт температура активного шару визначиться як
TJ = 1,33 Вт ∙ 0,75 ∙ 15 К/Вт + 105°С = 120°С.

Деградація випромінювальних характеристик через температурної навантаження на активний (замикаючий) шар.
Знаючи реальну температуру в точці припою і розташовуючи даними, наданими виробником, можна визначити теплове навантаження на активний шар (TJ) і її вплив на деградацію випромінювання. Під деградацією розуміється зниження світлового потоку протягом часу експлуатації світлодіодного чіпа.

Вплив температури замикаючого шару
Принципова вимога: максимально допустима температура замикаючого шару не повинна перевищуватися, так як це може призвести до незворотних дефектів світлодіодів або до спонтанних виходів їх з ладу.
У зв'язку зі специфікою фізичних процесів, що протікають під час функціонування світлодіодів, зміна температури замикаючого шару TJ в діапазоні допустимих значень, впливає на багато параметри світлодіодів, в тому числі на пряме напруга, світловий потік, координати кольоровості і термін служби.

Підвищення TJ призводить як до зниження прямої напруги UF, так і до зменшення світлового потоку Фv і терміну служби. Тому конфігурація, розміри та площа тепловідвідних елементів повинні бути вибрані так, щоб температура замикаючого шару виявилася істотно менше в порівнянні з вказаною виробником максимально допустимої TJ. (Це дуже важлива рекомендація !)

Напруга на p-n переході U – це функція прямого струму I і температури кристала Т:
U = I · n [I / Is(T) + 1] · nkT/e,
де:
Is – струм насичення (також залежить від Т), k – постійна Больцмана, е – елементарний заряд, n – 1...2 – коефіцієнт емісії.

При постійному стабілізованому прямому струмі, якщо відбувається зростання TJ, то напруга на замикаючому шарі знижується.

Зі статті професора Петера Маркса «Технічні особливості застосування світлодіодів» (Peter Marx. LED-Anwendungstechniк; журнал "Licht", 2009, №3, с. 184-188)