Тепловой расчет светодиодных источников света и выбор системы охлаждения

В разделах 1 и 2 было отмечено, что световоды имеют ряд особенностей, среди которых:

- ограниченный выход света из полупроводниковой структуры;

- зависимость световых и цветовых характеристик, надежности и срока службы от температурного режима работы светодиода.

Для получения необходимого светового потока киновидеопроектора могут быть использованы мощные светодиодные (LED) модули и матрицы или многокристальные светодиоды, имеющие большие световые потоки.

Мощность изучения, или световой поток светодиода, сильно зависит от температуры p-n перехода кристалла, которая определяется температурой окружающей среды и нагревом протекающим электрическим током.

Хотя светодиод и называют «холодным излучателем», в свет преобразуется не вся его электрическая энергия. Как и в других полупроводниковых устройствах, большая ее часть (70-80%) превращается в тепло. Поэтому, в отличие от тепловых излучателей (например, ламп накаливания), светодиоды нуждаются в обязательном регулировании температурных режимов (охлаждении).

В настоящее время используются три основные способа охлаждения светодиода: через корпус, через печатную плату и с помощью радиаторов, приклеиваемых или припаиваемых на плату или монтируемых отдельно.

При охлаждении светодиода через корпус отводимое тепло проходит два участка: между p-n переходом и выводами светодиода, а далее между выводами и окружающей средой. В этом случае отвод тепла минимален, и поэтому данный метод не надежен, в особенности при охлаждении высокоэффективных (мощных) светодиодов.

При относительно небольшом тепловыделении (при мощности светодиода Р < 0,5 Вт) в некоторых случаях достаточно печатной платы из стеклотекстолита FR-4 с дополнительным слоем теплопроводящей пасты.

При более интенсивном тепловыделении (при Р > 0,5 Вт) используются печатные платы особой конструкции. Широко применяются для охлаждения светодиодов плакированные печатные платы. Алюминиевое основание позволяет отводить тепло от светодиодов в окружающую среду через тепловые каналы или вкладыши, покрытые сплошным слоем меди. Кроме того используются двухсторонние печатные платы FR-4 с дополнительной медной площадкой и тепловыми отверстиями или печатные платы с внутренним металлическим (обычно из алюминия) слоем.

В случае высокоэффективных светодиодов с большим тепловыделением кроме указанных методов охлаждения, использование радиатора является обязательным.

Эффективность охлаждения можно повысить, используя принудительную вентиляцию. Установив вентилятор на специально разработанном радиаторе, можно улучшить теплоотвод примерно на 40%. Однако электродвигатели вентиляторов и сам воздушный поток создают шум, который нежелателен во многих случаях.

При построении эффективной осветительной системы на базе светодиодов необходимо провести тепловой расчет с учетом рабочих характеристик используемых светодиодов и определить основные требования к системе охлаждения. Для этого можно использовать модель теплового сопротивления [43,44,52,53].

Тепловое сопротивление R (ºC/Вт) определяется как изменение температуры между двумя точками пути тепла при рассеивании 1 Вт электрической мощности. Общая формула теплового сопротивления между точками А и В имеет следующий вид:

(3.1)

где Т_А и Т_В – температура в точках А и В;

Р – общее рассеяние тепла.

При использовании модели теплового сопротивления делается ряд допущений. Во-первых, предполагается, что общее рассеяние тепла равно общей электрической мощности Р, подаваемой в светодиод.

P=IF · VF, (3.2)

где I_F –прямой ток,

V_F – прямое напряжение.

В действительности рассеяние тепла [Вт] меньше общей электрической мощности, так как определенное ее количество преобразуется в излучение фотонов (видимое и невидимое).

Во-вторых, считается, что все тепло генерируемое в p-n переходе кристалла светодиода, передается через единственный основной путь проводимости. Передача тепла через излучение и конвекцию не учитывается, так как является довольно незначительной.

Основной путь тепла для одиночного SMD светодиода в корпусе типа PLCC состоит из следующих тепловых сопротивлений: p-n переход – точка пайки; точка пайки – печатная плата; печатная плата – радиатор; радиатор - окружающая среда. Модель теплового сопротивления для одиночного светодиода приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Модель теплового сопротивления для одиночного светодиода

При этом передача тепла через герметик и корпус светодиода не учитываются из-за намного более низкой их теплопроводности по сравнению с металлической выводной рамкой.

Общее тепловое сопротивление R_j-A между p-n переходом светодиода и окружающей средой может быть выражено суммой отдельных сопротивлений вдоль пути тепла:

(3.3)

где R_j-P – тепловое сопротивление между p-n переходом и точкой пайки;

R_P-PL - тепловое сопротивление между точкой пайки и печатной платой;

R_PL-R - тепловое сопротивление между печатной платой и радиатором;

R_R-A - тепловое сопротивление между радиатором и окружающей средой.

В некоторых случаях, когда дополнительный радиатор не используется, модель теплового сопротивления может быть упрощена следующим образом:

(3.4)

где R_PL-A - тепловое сопротивление между печатной платой и окружающей средой.

Тепловое сопротивление R_P-PL относится к термическому компаунду, который используется между точкой пайки светодиода и печатной платой. В отличие от других мощных светодиодов, которые требуют применения специального термического компаунда (термической густой смазки или смолы), светодиоды в корпусах PLCC могут непосредственно припаиваться к печатной плате. В связи с тем, что припой – это металлический сплав с очень хорошей теплопроводностью, можно принять T_P ≈ T_PL, где T_P и T_PL – температуры припоя и печатной платы. Тогда R_P-PL = 0 и уравнение (3.4) будет иметь следующий вид:

(3.5)

Для системы без дополнительного радиатора требованием рассеяния тепла является R_PL-A. Из уравнения (3.5) получим

(3.6)

где T_j – температура p-n перехода кристалла светодиода;

T_A- температура окружающей среды;

n - количество светодиодов в модуле.

С помощью формулы (3.6) можно вычислить требуемое тепловое сопротивление R_PL-A и выбрать необходимые параметры системы охлаждения.

Если несколько мощных светодиодных излучателей смонтированы на одном носителе (печатной плате), то общее тепловое сопротивление может измениться из-за дополнительного нагрева от соседних модулей. Это, в свою очередь, изменит значение R_PL-A. В этом случае необходимо учитывать общую величину рассеяния тепла (мощности) P всех светодиодов.

При проектировании (выборе) системы охлаждения для светодиода или светодиодного модуля должны быть заданы следующие требования:

- максимальная рабочая температура окружающей среды T_A;

- максимальная температура p-n перехода T_J;

- прямой ток I_F;

- прямое напряжение V_F;

- максимальная мощность рассеивания на один излучатель P;

- количество излучателей n;

- тепловое сопротивление p-n перехода R_J-P.

Например, для светодиодов мощностью P ≥ 0,5 Вт предъявляются следующие требования: T_A = 25 ºC; I_F = 150 мА; V_F = 3,8 V; P = 0,57 Вт; T_J = 125 ºС; R_j-P = 40 ºС/Вт.

С помощью формулы (3.6) при n=1 можно определить требуемое тепловое сопротивление R_PL-A светодиода:

Таким образом, необходимо обеспечить тепловое сопротивление системы охлаждения при температуре p-n перехода T_J < 125 ºC, не более 135,4 ºС/Вт.

После того, как установлены тепловые критерии, рассчитано тепловое сопротивление, рассмотрены возможные способы монтажа и оценен размер доступного пространства, можно выбирать эффективную систему теплоотвода.

При этом необходимо уделять особое внимание геометрическим размерам светодиодного модуля и его пространственной ориентации.

На рисунке 3.2 приведены графики зависимости теплового сопротивления о площади некоторых печатных плат различного типа.

Рисунок 3.2 - Зависимость теплового сопротивления R_P-A от площади печатной платы для светодиода MiPLED

Как видно из рисунка, для приведенного примера при R_PL-A = 135,4ºС/Вт, можно использовать двухстороннюю плату FR4 с тепловыми отверстиями, площадью 140-160 мм², которая обеспечивает тепловое сопротивление порядка 100 ºС/Вт.

Решить проблему охлаждения более мощных светодиодов и образованных на их основе светодиодных модулей в реальных условиях можно, используя более эффективную технологию отвода тепла, основанную на использовании алюминиевых подложек и радиаторов.

В связи с постоянно растущим спросом, помимо множества стандартных радиаторов, которые можно использовать для охлаждения светодиодов, в настоящее время разработаны специально модифицированные версии радиаторов для светодиодов и отдельных светодиодных систем.

Гребенчатые радиаторы следует монтировать так, чтобы они не создавали препятствий естественным конвективным потокам. При активном охлаждении необходимо обеспечить максимально беспрепятственный впуск и выпуск воздуха. В некоторых случаях для увеличения площади теплорассеивающей поверхности на дно радиатора наносится слой меди. В этом случае светодиод можно припаивать непосредственно к радиатору.

Поставщики радиаторов для светодиодов указывают тепловое сопротивление изделий на графиках в документации к ним. На рисунке 3.3 приведен график зависимости теплового сопротивления алюминиевого радиатора от его размеров. Пользуясь предоставленными производителем графиками, по расчетному значению теплового сопротивления можно определить параметры радиатора для конкретного применения.

Рисунок 3.3 - График зависимости сопротивления радиатора от его размеров

Главным недостатком теплоотвода на основе алюминиевого радиатора является многослойность, которой свойственны сопутствующие переходные тепловые сопротивления. Такие сопротивления можно минимизировать применением специальных теплопроводящих материалов (изолирующие пластины, пасты, клейкие вещества, материалы для заполнения воздушных промежутков и т.п.). Тем не менее, они приводят к увеличению температуры p-n перехода кристалла светодиода. Перспективным способом охлаждения светодиодов, который избавлен от данного недостатка, является применение керамических радиаторов, производимых компанией CeramTec. Эти радиаторы характеризуются малым тепловым сопротивлением, хорошей адгезией к металлам, высокой механической и диэлектрической прочностью. Сочетание таких свойств позволяет создавать светотехнические устройства с полностью изолированным теплоотводом и монтажем светодиодов к контактным площадкам, размещенным непосредственно на поверхности радиатора. Проведенные немецким институтом Фраунхофера исследования показали, что использование керамического радиатора позволяет примерно в 2 раза снизить температуру p-n перехода кристалла светодиода [54].

При рассеивании мощностей более 15-20 Вт эффективность охлаждения можно повысить, установив вентилятор на радиаторе. До недавнего времени широкому использованию активного охлаждения мешал шум, создаваемый электродвигателем вентилятора и самим воздушным потоком.

С другой стороны, сегодня существует ряд способов вентиляции, предусматривающих использование низкооборотных электродвигателей и лопастей крыльчатки специальной формы, дающих очень малый уровень шума. Мягкая подвеска вентилятора на радиаторе с использованием резиновых опор уменьшает шум, возникающий из-за разбалансировки подшипников вентилятора. Некоторые электродвигатели предусматривают возможность управления с помощью широтно-импульсной модуляции, что позволяет получить более однородное распределение тепла при частых включений и выключениях.

Для выбора подходящего охлаждающего элемента в системе с принудительной вентиляцией приводятся графики зависимости теплового сопротивления от скорости воздушного потока, как показано на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - График зависимости теплового сопротивления от скорости воздушного потока

Инновационным решением является разработанная компанией Nuventix струйная система обдува радиатора SynJet, которая при малых размерах и низком излучаемом звуковом шуме обеспечивает тепловое сопротивление 0,75-2,67 К/Вт. Её принцип действия основан на обдуве ребер радиатора импульсными турбулентными потоками воздуха. Такой отвод тепла более эффективен чем при обдуве равномерным потоком воздуха.

В настоящее время также существуют решения для рассеивания мощностей, измеряемых сотнями ватт. Такие мощные светодиодные нагрузки могут использоваться в киновидеопроекторах, прожекторах, специальной светосигнальной аппаратуре. Для эффективного отвода тепла здесь необходимо использовать радиаторы с теплым сопротивлением, составляющим десятые и даже сотые доли К/Вт. Добиться такого малого теплового сопротивления позволяет термоэлектрическое (на базе элементов Пельтье) или жидкостное (через микроканалы и т.п.) охлаждение.

В работе [55] для регулирования теплового режима светодиодного осветительного прибора с электрической мощностью 250 Вт предложена конструкция системы охлаждения на базе тепловых трубок (ТТ) термосифонного типа. Конструкция ТТ представляет собой трубку (паропровод) круглого сечения с наружным диаметром 13 мм, на обоих концах которой имеются по паре параллельно расположенных алюминиевых полок шириной 30 мм и толщиной 1,25 мм, монолитно связанных с круглым паропроводом. Длина полок определяется размерами светодиодного модуля (СДМ) и в зоне источника света (испарителя ТТ) составляет 200 мм, а в противоположной зоне (зоне сброса тепла) – 300 мм.

Светодиоды установлены на теплоотводящей плате из фольгированного алюминия марки ТСВ4Al15-10А-7151 тайваньской фирмы Polytronics, который имеет следующие параметры: толщина слоя алюминия – 1,5 мм; толщина теплопроводного диэлектрического слоя – 100 мкм, а его теплопроводность – 4 ВТ/(м·К), толщина медного покрытия – 35 мкм. Размеры основания платы со светодиодами составляют 185×30 мм.

Выполненные авторами теоретические и экспериментальные исследования показали, что разработанная конструкция может передавать тепловую мощность до 200 Вт из зоны испарителя (источника света) в зону сброса тепла при температуре до 85 ºС, обладая при этом тепловым сопротивлением не более 0,07 К/Вт.

Температура p-n переходов работающих светодиодов при температуре окружающей среды (20 ± 2) ºС составила (72-76) ºС.

На основании дополнительных экспериментов, авторы указывают, что при использовании еще более мощных (400-600 Вт) светодиодных приборов можно применять разработанную конструкцию на базе ТТ, а для обеспечения эффективного теплоотвода от светодиодов при температуре p-n перехода меньше 85 ºС достаточно, не меняя внешних габаритных размеров СДМ, увеличить теплоотводящую способность путем дополнительного оребрения радиаторов в зоне сброса тепла.

Таким образом, система охлаждения особенно, мощных светодиодов и светодиодных модулей является важной составляющей частью любого светотехнического устройства, от которой зависит надежность, цветовые и световые характеристики.

Существует множество технологий охлаждения, которые можно использовать как по отдельности, так и комбинированно. Среди них можно выделить две инновационные технологии охлаждения: с использованием керамических радиаторов и струйного обдува. Они позволяют улучшить ряд характеристик предшествующих технологий, например, с использованием алюминиевых радиаторов и вентиляторов. Поскольку между технологиями охлаждения нет четкой границы, разделяющей области их использования, а стоимость может существенно отличаться, очень важно, чтобы проектирование светодиодных устройств осуществлялось с использованием специальных компьютерных программ с возможностями моделирования тепловых процессов (например, FloTHERM компании Flomerics). Такие программы позволяют более обоснованно выбрать систему охлаждения для светодиодного устройства.