close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Жильцов Александр Александрович. Моделирование теплового режима работы светодиода

код для вставки
1
2
Оглавление
Введение.......................................................................................................................................................... 2
Глава 1. Основные понятия светотехники.......................................................................................................... 3
1.1 Принципы работы светодиода.................................................................................................................. 3
1.2. Виды светодиодов и их характеристики................................................................................................. 5
1.3. Светодиодная техника.............................................................................................................................. 8
Глава 2. Моделирование теплового режима работы светодиода .................................................................. 10
2.1. Механизмы тепловыделения при работе светодиода ......................................................................... 10
2.2. Теплопередача. Виды теплопередачи................................................................................................... 12
2.3. Способы теплоотвода в светодиоде...................................................................................................... 15
2.4. Виды радиаторов для охлаждения светодиодов................................................................................. 21
2.5. Моделирование теплового режима внутри радиатора и получение 3-D модели с помощью
программы ELCUT.......................................................................................................................................... 23
Заключение.................................................................................................................................................... 29
Список использованных источников и литературы..................................................................................... 30
3
Введение
Применение светодиодных ламп в освещении уже занимает значительную долю рынка.
Развитие напрямую связано с технологическим совершенствованием светодиода. Одним из
многообещающих направлений технологий искусственного освещения является светодиодное
освещение, которое основано на применении светодиодов в качестве источника света.
В 2003 г. компанией Lumileds, образованной за несколько лет до этого корпорациями Philips и
Hewlett Packard, был сделан первый мощный светодиод Luxeon I со световым потоком более 25 лм и
световой отдачей более 20 лм/Вт. Светодиоды Luxeon I сразу превзошли по световой отдаче лампы
накаливания почти в два раза, что позволило начать говорить о светодиодах как о новых и эффективных
источниках света. Одной из основных особенностей корпуса мощного светодиода является
теплоотводящее основание, на которое о существляется монтаж кристалла. Чаще всего кристалл
монтируется в отражатель, находящийся на данном основании. Объем отражателя со смонтированным
в нем полупроводниковым кристаллом заполняют оптическим гелем. Это, с одной стороны, увеличивает
коэффициент вывода излучения из кристалла за счет большего соответствия показателей преломления,
а с другой — позволяет кристаллу и проволочным контактам не повреждаться при тепловом
расширении
под
действием
выделения
тепла
вследствие
протекания
электрического
тока.
Теплоотводящее основание и заполненный гелем отражатель позволяют кристаллу в таком корпусе
работать при более высокой температуре, а следовательно, и при повышенных значениях тока.
Светодиоды (рисунок 1), являются главным претендентом на замену ламп накаливания
люминесцентным лампам, так как основными условиями новых источников света являются низкое
энергопотребление и более высокий световой выход, безопасность и долговечность.
Рисунок 1.
Светодиоды нашли применение в самых различных областях: автомобильная светотехника,
светодиодные фонари, рекламные вывески, светодиодные панели и индикаторы, бегущие строки,
светофоры и т. д.
4
При содействии светодиодов можно лечить ряд заболеваний и проводить любопытные научные
опыты, подстегивать рост растений в нетипичных для них условиях, создавать интерактивные
безопасные дороги, и многое другое. С такой гибкостью настроек – открыты все пути. Все это вместе
ученые назвали «умное освещение».
По сравнению с обычными лампами накаливания, а также люминесцентными лампами
светодиоды обладают рядом преимуществ: экологичность, безопасность, миниатюрность, долгий срок
службы, высокие световые характеристики, большой выбор цветов, возможность работы в широком
спектре температур.
При всех преимуществах, существуют и недостатки:
– так как напряжение строго нормировано для каждого вида ламп, светодиоду
необходим номинальный рабочий ток. Из-за этого появляются дополнительные
электронные узлы, называемые источниками тока или драйверами;
– при питании пульсирующим током промышленной частоты светодиодные
лампы мерцают сильнее, чем люминесцентная лампа, которая в свою очередь
мерцает сильнее, чем лампа накаливания. Всё это требует использование
дополнительного оборудования – трансформатора, а это влияет на себестоимость
системы освещения в целом;
– на сегодняшний день стоимость светодиодной лампы достаточно высока, так
как технология её изготовления молода, но уже за несколько лет стоимость
светодиодной лампы значительно снизилась.
Основными проблемами, которые останавливают массовое внедрение этих перспективнейших
источников света, на сегодня являются:
– высокая начальная стоимость устройств освещения на светодиодах, но расходы, требуемые при
эксплуатации значительно меньше конкурентных источников освещения и, как правило, в течение года
окупаются;
– второй проблемой до сих пор остается отвод тепла мощных светодиодов, только 5 % передается в
виде теплого излучения в воздух и около 90 % переходит в подложку самого светодиода.
Поэтому исследование отвода тепла в мощных светодиодах является
актуальной задачей и это стало главной целью данной дипломной работы, в
которой
рассматриваются
светодиодной лампы.
несколько
различных
методов
охлаждения
5
В данной работе мною поставлена цель:
исследовать строение,
характеристики, технологии изготовления светодиодов, смоделировать тепловой
режим протекающий в радиаторе светодиода.
6
Глава 1. Основные понятия светотехники
1.1 Принципы работы светодиода
Светодиод (также используется сокращение СИД – светоизлучающий диод; латинский эквивалент –
LED: light-emitting diode) – это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным р-n переходом,
продуцирующий оптическое излучение, вследствие прохождения через него электрического тока.
Другими словами светодиод преобразует электрический ток непосредственно в световое излучение.
Светодиоды имеют самые разные формы. Но более распространенной конструкцией светодиода
является традиционный 5–миллиметровый корпус (Рисунок 2). У данного корпуса сверху расположена
линза, а внизу рефлектор. Внутри корпуса располагается кристалл, который излучает свет при
прохождении электрического тока.
Рисунок 2.
Схема светодиода незамысловата: он имеет два вывода – анод и катод. На катоде как раз и
располагается алюминиевый параболический рефлектор (отражатель). Внешне он выглядит, как
чашеобразное углубление, на дно которого помещен кристалл. Полупроводниковый монокристалл – это
основной элемент LED светодиода, в котором и происходит p-n переход. Как правило, монокристалл
похож на чип размером 0,3x0,3x0,25 мм.
7
Кристалл соединяется с анодом, при помощи перемычки сделанной из золотой проволоки.
Прозрачный полимерный корпус, одновременно является фокусирующей линзой и вместе с
рефлектором определяют угол излучения светодиода и направленность пучка света.
В основе работы LED светодиода лежит электронно-дырочный переход, который называют p-n
переходом. Работа светодиода построена на взаимодействии двух полупроводников p-типа и n-типа. P –
positive, то есть положительный тип, или дырочный. N – negative, то есть отрицательный тип, или
электронный. В результате пропускания электрического тока в месте соприкосновения двух
полупроводников происходит переход от одного типа проводимости к другому.
Вследствие пропускания через полупроводники электрического тока, отрицательный заряд
электронов соединяются с ионами положительно заряженных дырок. В результате выделяется энергия,
и мы видим излучение света.
Как отмечалось ранее, светодиод создан из полупроводников, преобразующих
поступающий ток в световое излучение. Главной особенностью является то, что
ток проходит лишь в одном направлении, от анода к катоду и не идет обратно.
Таким образом, кристаллами полупроводника создается p-n переход. Электроны,
встречаясь с дырками, теряют свою энергию, благодаря которой в последующем и
образуются фотоны (частички света).
Попробуем разобраться, как же все-таки происходит свечение. В работе
светодиода нет ничего сложного: свет выделяется благодаря тому, что в области pn перехода происходит обмен местами между электронами и дырками (Рисунок 3).
Иногда одного такого p-n перехода может быть недостаточно, тогда нужно, чтобы
несколько
полупроводников
с
различными
взаимодействовали друг с другом.
Дырки
Электроны
типами
проводимости
8
Материал p-типа p-n переход Материал n-типа
Рисунок 3.
Давайте поясним, что представляют собой эти «электроны и дырки», и какая
роль им отведена. Между проводниками и диэлектриками гордо занимают свое
место полупроводники. Полупроводник не проводит ток, при температуре близкой
к абсолютному нулю, так как в нем нет свободных электронов. Но с увеличением
температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые
из электронов, в результате теплового движения, могут покидать свои атомы.
Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где
он находился ранее, образуется пустое место, которое условно называют
«дыркой». Процесс образования свободных электронов и дырок называется
генерация носителей заряда. Генерация носителей заряда происходит при
воздействии теплового хаотического движения атомов кристаллической решетки –
тепловая генерация, а так же при воздействии поглощенных полупроводником
квантов света – световая генерация. Поскольку полупроводник всегда находится
под действием всех этих факторов или хотя бы одного, генерация носителей
заряда происходит непрерывно.
При этом одновременно с генерацией носителей заряда в полупроводнике
непрерывно происходит и обратный процесс, который называется рекомбинацией
носителей заряда. При этом процессе происходит возвращение электронов из
зоны проводимости в валентную зону, в результате чего исчезает пара носителей
заряда. В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и
рекомбинации носителей заряда взаимно уравновешены.
Таким образом, если увеличить температуру, уменьшится сопротивление
полупроводника, и, следовательно, будет выше электропроводимость, чего не
скажешь о металле. Именно поэтому в полупроводниках наблюдается рост
количества способных переносить электрический ток электронов.
9
Энергия, воздействуя на полупроводник, перемещает электроны из верхних
атомных оболочек, благодаря чему образуется положительный заряд. Электроны
двигаются к «+», дырки – к «-». Оставленные ими места мгновенно заполняются
свободными электронами. В полупроводнике дырки и электроны находятся в
одинаковом количестве, но движутся в разных направлениях. Если в него
добавить другие элементы, можно увеличить проводимость. Такая проводимость с
примесями, как отмечалось ранее, делится на два вида: p-типа (дырочная) и nтипа (электронная).
Электроны и дырки посредством диффузии проникают через слой, который
образуется в самом полупроводнике между участками разной проводимости. Это
нужно для того, чтобы по разным сторонам слоя концентрация электронов и
дырок была одинаковая. Данное явление имеет важное значение. Оно позволяет
усиливать или же снижать ток путем воздействия на промежуточный слой
напряжением. А после рекомбинирования (перескакивания) дырок и электронов
(происходит снижение барьера в p-n переходе) и выделяется энергия.
Приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными
примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Нужно отметить, что не всякий p-n переход излучает свет. Во-первых, ширина
запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии
квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при
рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего
полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых
рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени
противоречат друг другу. В реальности, чтобы соблюсти оба условия, одного p-n
перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать
многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры.
Совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям –
увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик
вклад в эту работу и российских учёных. В частности, Ж. И. Алферов и его
10
сотрудники, ещё в 70-е годы разработали так называемые многопроходные
двойные гетероструктуры, которые позволяют значительно увеличить внешний
квантовый выход.
Квантовый выход – это число излученных квантов света на одну
рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и
внешний квантовый выход.
Внутренний квантовый выход – в самом p-n переходе, внешний – для
прибора в целом (ведь свет может теряться «по дороге» – поглощаться,
рассеиваться). Для кристаллов с хорошим теплоотводом внутренний квантовый
выход достигает почти 100 %, рекорд внешнего квантового выхода для красных
светодиодов составляет 55 %, а для синих – 35 %. Внешний квантовый выход –
одна из основных характеристик эффективности светодиода.
11
1.2. Виды светодиодов и их характеристики
В современной светотехники светодиоды могут быть цветов радуги: красные, оранжевые,
желтые, зеленые, синие, белые.
Свечение, излучаемое светодиодом при подключении его к электрическому току, не зависит от
цветовой окраски корпуса, а зависит от материала, который используется при производстве
полупроводника. Так, например, примеси алюминия, индия, гелия, фосфора вызывают свечение от
красного до желтого цвета. Азот, галлий, индий придают излучаемому свету цвета от зеленого до
голубого. Для того чтобы добиться белого свечения в кристалл добавляют люминофор, используемый
для производства люминесцентных ламп.
Как правило, светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА. Однако
производятся четырехъкристальные диоды, которые рассчитаны на 80 мА, так как
в одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла,
каждый из них потребляет 20 мА.
Разумно предположить, что яркость светодиода зависит от его мощности. Чем
больше мощность, тем больше яркость. При этом есть ограничения для силы тока,
определенные сопротивлением полупроводникового материала. В противном
случае может произойти электрический пробой, и LED диод может сгореть.
Подключать светодиодные светильники в электрическую сеть напрямую нельзя. Например, для того
чтобы подключить светодиодную ленту используются специальные устройства – трансформаторы.
Основные характеристики светодиодов:
– значительный ресурс работы: в зависимости от производителя и параметров
от 30 000 до 100 000 часов, что гораздо больше в сравнении со сроком службы
электрических ламп накаливания – 1000 часов;
– энергосберегающие технологии – для работы диода необходимо около 10 %
энергии, требуемой для обычной лампочки накаливания;
– механическая прочность, если изучить, причину перегорания электрических
ламп накаливания, то можно заметить, что одной из таких причин является
простая вибрация, для диода вибрация не страшна;
– всевозможная цветовая гамма, а также выбор направления светового
излучения;
12
– LED светодиоды не содержат ртуть и производятся из экологически чистых
материалов.
Существует несколько способов получения белого света от светодиодов.
Первый способ заключается в смешивании цветов по технологии RGB
(Рисунок 4).
Рисунок 4.
На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды,
излучение этих светодиодов смешивается при помощи оптической системы, в
качестве которой может выступать линза. В результате получается «псевдобелый»
свет (Рисунок 5).
Рисунок 5. Получение белого света путём смешивания излучения красного,
зелёного и синего светодиодов.
13
Второй способ состоит в том, что на поверхность светодиода, излучение
которого происходит в ультрафиолетовом диапазоне, наносится три люминофора,
излучающих в свою очередь, голубой, зеленый и красный свет. Что очень похоже
на то, как светит люминесцентная лампа (Рисунок 6).
Рисунок 6. Получение белого света с помощью ультрафиолетового
светодиода и RGB люминофора.
Для реализации способа номер три задействуют светодиод голубого цвета, при
этом в него включается конструктивный рефлектор, на который наносится
люминофор желтого цвета свечения. При смешении цветов образуется белый свет
(Рисунок 7).
Рисунок 7. Получение белого света с помощью кристалла синего светодиода
и нанесённого на него слоя жёлтого люминофора.
14
Наконец, четвертый способ, который имеет мало отличий от третьего: тот же
самый голубой светодиод, тот же самый рефлектор, но наносят на него уже два
люминофора — с зеленым и красным цветом свечения (Рисунок 8).
Рисунок 8. Получение белого света с помощью кристалла синего светодиода
и нанесённого на него слоя зелёного и красного люминофора.
Большинство светодиодов, излучающих белое свечения, как раз изготовлено на
основе люминофорной технологии. По этой причине свет таких светодиодов
имеет небольшой (мало заметный) сине-фиолетовый оттенок.
У каждого из перечисленных способов есть свои достоинства и недостатки. В
первом подходе технология RGB в принципе позволяет не только получить белый
свет, но так же перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через
разные
светодиоды.
Поэтому
в
светодинамических
системах
широко
используются RGB-матрицы. Кроме того, большое количество светодиодов в
матрице обеспечивает высокий суммарный световой поток и большую осевую
силу света. Из-за аберраций оптической системы световое пятно имеет
неодинаковый цвет в центре и по краям, а главное, из-за неравномерного отвода
тепла с краев матрицы и из ее середины светодиоды нагреваются по-разному, и,
соответственно, по-разному изменяется их цвет в процессе старения – суммарные
15
цветовая температура и цвет «плывут» за время эксплуатации. Это неприятное
явление достаточно сложно и дорого скомпенсировать.
В других подходах белые светодиоды с люминофорами существенно дешевле и
позволяют получить хороший белый цвет. Недостатки же таковы: во-первых, у
них меньше, чем у RGB-матриц, светоотдача из-за преобразования света в слое
люминофора; во-вторых, с точки зрения технологического процесса достаточно
трудно
проконтролировать
следовательно,
цветовую
равномерность
температуру;
и
нанесения
наконец
люминофора
в-третьих,
и,
старение
люминофора, происходит быстрее, чем самого светодиода. Так же в состав
люминофора входит сложный композит, который содержит среди прочего иттрий
и церий. Это одна из причин дороговизны осветительных белых светодиодов.
Не так давно физики из г. Дюка открыли, что ультратонкий порошок оксида
цинка (компонент детских присыпок) с добавкой в нужной пропорции серы при
условии
формирования
правильной
наноструктуры
может
эффективно
трансформировать ультрафиолет в очень яркий и чистый белый свет. При этом в
выходном
излучении
ультрафиолетового.
белый
компонент
оказался
в
1000
раз
ярче
16
1.3. Светодиодная техника.
Светодиодные лампы или светодиодные светильники в качестве источника
света используют светодиоды, применяются для бытового, промышленного и
уличного освещений.
Светодиодная лампа является одним из самых экологически чистых источников
света.
Благодаря
принципу
свечения
светодиодов
можно
применять
в
производстве и работе самой лампы безопасные компоненты. Светодиодные
лампы не представляют опасности в случае выхода из строя или разрушения, так
как не используют веществ, содержащих ртуть. При этом различают законченные
устройства – светильники и элементы для светильников – сменные лампы
(Рисунок 9).
Рисунок 9. Светодиодная лампа.
Светодиодный светильник – самостоятельное устройство. Чаще всего корпус
светильника уникален, специально спроектирован под светодиодный источник
освещения. Конструктивно такой светильник состоит из цоколя, металлического
корпуса,
служащего
электронного
одновременно
драйвера1
и
радиатором,
полупрозрачной
платы
со
пластмассовой
светодиодами,
полусферы.
Светодиодным светильником иногда называют традиционный светильник с
1Драйвер (англ. Driver – управляющее устройство) электронное устройство, которое предназначено для
преобразования электрических сигналов, его целью является управление чем-либо.
17
установленной в нем сменной светодиодной лампой. При этом специально
спроектированный светильник обладает большей энергоэффективностью и
надёжностью. Светодиодные источники света в основном используются для
направленного
или
местного
освещения
по
причине
особенностей
полупроводникового излучателя светить преимущественно в одном направлении.
По сравнению с лампами накаливания светодиодная лампа имеет
преимущества – низкое энергопотребление, заявленный долгий срок службы,
простота установки, более низкая температура корпуса по сравнению с лампой
накаливания, высокая механическая прочность, небольшие габариты.
Абсолютная экологическая безопасность позволяет сохранять окружающую среду, не требуя
специальных условий по утилизации: не содержит ядовитых, вредных или опасных составляющих
материалов и веществ. Бывает, что производители не соблюдают экологические нормы. Лампы таких
недобросовестных производителей содержат токсичные пластики, электролиты, свинец-содержащие
пайки, а также печатные платы драйвера пропитывают связующими компонентами (фенол и
формальдегидными смолами).
Главным недостатком светодиодной лампы является ее высокая цена. Так же многие светодиодные
лампы светят только в одном направлении (что может быть и достоинством). В дешёвых лампах из-за
экономии на теплоотводящих элементах возможно перегорание от перегрева, особенно в закрытых
плафонах, а за счёт экономии на конденсаторах возникает невидимое невооружённому глазу мерцание.
Кроме того, при выходе из строя любого из элементов светильник чаще всего подлежит замене на
аналогичный. Данные недостатки чаще всего компенсируются экономией электроэнергии, экономией
на обслуживании, что особенно актуально для уличного освещения. Для изготовления качественных
ламп, соответствующих жёстким нормам, нужны достаточно высокие затраты при этом лампы
получаются довольно дорогими. Большинство продающихся на данный момент в России LED ламп не
соответствуют установленным нормам и стандартам. Применение таких ламп запрещено законом и
может привести к возгораниям и перегрузкам в сети. Ещё одним недостатком является продажа LED
ламп без указания технических характеристик (нарушается ст. 10 закона 2300-1), что не позволяет
произвести выбор и подбор ламп в соответствии с требованиями к освещению, требованиями к
коэффициенту мощности и прочим критичным параметрам сети.
Большинство светодиодов белого света (синий кристалл – жёлтый люминофор)
имеют неоднородный спектр, а именно – большой провал в спектре на длине
волны 480 нм. Зрачок глаза должен реагировать на свет именно этой длины волны,
18
но этого не происходит и глаз (хрусталик, сетчатка) получает большую
травмирующую дозу синего света.
Все типы светильников можно разделить на три группы:
– светодиодные светильники для улиц, парков, дорог, для архитектурного
освещения. Такие светильники изготавливаются в защищенном от влаги и пыли
корпусе, который обычно выполняет роль теплоотвода и изготавливается из
хорошо проводящих тепло материалов;
– светильники для производственных целей, ЖКХ и офисов. К изделиям
предъявляются повышенные требования по качеству освещения, в том числе к
стабильности и цветопередаче, условиям эксплуатации. Чаще всего такого рода
светильники производятся в антивандальном исполнении, укомплектованы
специальной отвёрткой и специальными саморезами, защищающими корпус от
несанкционированного вскрытия. Рассеиватель у современных антивандальных
светильников выполнен из поликарбоната, который в десятки раз крепче
традиционного стекла;
– светильники для бытовых нужд, как правило выпускаются невысокой
мощности, но должны удовлетворять многочисленным требованиям к качеству
освещения, электробезопасности, пожаробезопасности и, в немалой степени, – к
внешнему виду. Часто бытовые светильники имеют сменные лампы.
Сменная светодиодная лампа – осветительный прибор, устанавливаемый в
существующий светильник, изначально предназначенный как для установки
сменных светодиодных ламп, так и для установки ламп другого типа –
люминесцентных, накаливания, галогенных, возможно, с некоторой доработкой.
В настоящее время выпускаются светодиодные лампы практически под все
существующие типы цоколей2. Лампы выпускаются мощностью до 40 Вт
и предназначены для установки в бытовые осветительные устройства –
2Цоколь (осветительная техника) – часть электролампы, служащая для крепления лампы в патроне (ламповой
панели) и для подводки к ней электрического тока.
19
настольные светильники, потолочные светильники, бра – как быстрая замена
менее экономичных традиционных ламп без изменения дизайна и конструкции.
Производители, кроме напряжения питания, потребляемой мощности и типа
цоколя, указывают оттенок белого света (цветовую температуру, как правило,
2700–3000 K, 4000 K, 6000 K), класс энергоэффективности, срок службы лампы
и мощность лампы накаливания сравнимой яркости.
Светодиодные лампы выпускаются с разными типами цоколей в различных
корпусах. Это и обычные «груши», «свечки» и «шарики» и «зеркальные» лампы и
софиты и капсульные лампы (Рисунок 10).
Рисунок 10.
В светодиодных лампах используются различные типы светодиодов. В первых
светодиодных лампах использовались обычные светодиоды в пластиковом
корпусе. В настоящее время мощные светодиоды в корпусах используются только
в
некоторых
лампах.
В
большинстве
современных
ламп
бескорпусные светодиоды и светодиодные сборки (Рисунок 11).
используются
20
Рисунок 11.
Всё чаще в последнее время используются светодиодные излучатели COB (chip
on board). В них множество светодиодов покрыты единым люминофором (Рисунок
12).
Рисунок12.
Разновидность COB — светодиодные нити. В них множество светодиодов
размещено на стеклянной полоске, покрытой люминофором. В самом последнем
поколении ламп Crystal Ceramic MCOB излучатели располагаются на круглых
пластинах из прозрачной керамики (Рисунок 13).
21
Рисунок 13.
Светодиодные лампы выпускаются с разной цветовой температурой света:
2700 К – жёлтый свет, как у ламп накаливания, 3000 К – чуть боле белый
комфортный свет, 4000 К – белый свет, 6500 К – холодный белый свет. Для дома
больше всего подходят лампы с цветовой температурой 2700–3000 К.
Значительное количество светодиодных ламп не могут работать с
выключателями, имеющими индикатор. Когда выключатель выключен они либо
вспыхивают, либо слабо горят. Это происходит вследствие того, что слабый ток
постоянно течёт через лампу. Выхода из этой ситуации два: или использовать
лампы, корректно работающие с такими выключателями или отключать индикатор
внутри выключателя.
Значительная часть светодиодных ламп не может работать с регуляторами
яркости (диммерами), но существуют специальные диммируемые светодиодные
лампы (они гораздо дороже обычных). В отличие от ламп накаливания, при
снижении яркости светодиодная лампа не меняет цвет освещения (у обычной
лампы он желтеет). Многие диммируемые светодиодные лампы диммируются не
до нуля, а лишь до 15–20 % полной яркости. На качество света, которое даёт
лампа, влияет три важных параметра:
• Пульсация или мерцание света. Некачественные лампы имеют высокий
уровень пульсации (мерцания) света. Свет с высоким уровнем пульсации
визуально некомфортен и человек от него быстро устаёт. При быстром переводе
взгляда с одного предмета на другой виден стробоскопический эффект (видно как
22
бы несколько предметов вместо одного). Человеческий глаз воспринимает
пульсацию более 40 %. Имеется несколько способов, с помощью которых можно
проверить наличие пульсации света. Карандашный тест, берём обычный длинный
карандаш за кончик и начинаем очень быстро двигать им по полукругу в одну и
другую сторону. Если отдельных контуров карандаша не видно, то мерцания нет,
если же видно «несколько карандашей» – свет мерцает. И проверка с помощью
камеры смартфона, если смотреть на свет через камеру смартфона, то при
мерцании света по экрану будут идти полосы, чем они ярче, тем мерцание
сильней. В жилых помещениях использовать лампы с видимой пульсацией нельзя.
• Индекс цветопередачи3 (CRI). Спектр света светодиодной лампы отличается
от спектра солнечного света и света обычной лампы накаливания. Не смотря на
то, что свет выглядит белым, некоторых цветовых компонентов в нём больше, а
некоторых меньше. Индекс цветопередачи показывает, насколько равномерен
уровень разных цветовых компонентов в свете. При низком CRI света хуже видны
оттенки. Такой свет визуально неприятен, причём понять, что в нём не так, очень
сложно. У солнца и ламп накаливания CRI равен 100, у обычных светодиодных
ламп он больше 80, у очень хороших больше 90. В жилых домах лампы с CRI
ниже 80 лучше не использовать.
• Угол освещения. Светодиодные лампы типа «груша» бывают двух видов.
Первый вид таких ламп имеет защитный колпак в форме полусферы таким же
диаметром, как и корпус. Эти лампы совсем не светят назад и если в люстре они
светят вниз, потолок будет оставаться тёмным, что визуально выглядит некрасиво.
Второй вид ламп имеет прозрачный колпак большего диаметра, чем корпус и
лампа немного светит и назад. Лампы на светодиодных нитях или прозрачных
дисках имеют такой же большой угол освещения, как обычные лампы
накаливания.
3Индекс цветопередачи (англ. colour rendering index, CRI ) – параметр, характеризующий уровень соответствия
естественного цвета тела видимому цвету этого тела при освещении его данным источником света.
23
Глава 2. Моделирование теплового режима работы светодиода
2.1. Механизмы тепловыделения при работе светодиода
Все чаще на предприятиях и в обычных домах встречаются светодиодные
лампы, которые позволяют освещать
помещения
благодаря безопасному
источнику света.
В отличие от других вид ламп, светодиодные лампы не имеют инфракрасного
излучения, которое само по себе безвредно, но может вызывать помехи в
некоторых устройствах. Поэтому использование подобных ламп для освещения
способно создать препятствия для видеокамер и инфракрасных датчиков, что
особенно важно для охранных предприятий.
Газоразрядные лампы являются источниками ультрафиолетового излучение,
что не характерно для светодиодных ламп. Таким образом, использование
светодиодных ламп может обезопасить человека от возможных проблем со
здоровьем, которые могут быть вызваны UV–излучением4. Отсутствие вредных
излучений позволяет применять светодиодные лампы, для производственных и
личных нужд с гарантией безопасности и возможностью простой утилизации
устройств без вреда для людей и окружающей среды.
Простая лампа накаливания во время работы имеет свойство сильно греться,
это
приносит
значительные
неудобства
и
говорит
о
ее
низкой
энергоэффективности. Интенсивность тепла выделяемого светодиодной лампой
существенно ниже, чем у ламп накаливания и галогеновых ламп.
Основной проблемой светодиодов является отвод тепла выделяемого LED –
кристаллом. Большая часть тепла (> 90 %) передается на его металлическую
4Ультрафиолеетовое излучеение (UV–излучение) – электромагнитное излучение, занимающее спектральный
диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн UV–излучения лежат в интервале от 10 до
400 нм.
24
подложку за счет теплопроводности. Лишь 5 % тепла уходят в виде теплового
излучения (Рисунок 14). С ростом температуры у мощных светодиодов снижается
световая
эффективность.
Приведенные
в технических
характеристиках
цифры выходного светового потока обычно даются только для 25 °С. При 65 °С
происходит потеря 10 % яркости, а при 100 °С – 20 % яркости.
Чтобы мощные светодиоды имели время жизни, близкое к указанному в их
технических
характеристиках,
необходим
хороший
теплоотвод.
100-Вт
галогенный прожектор будет излучать 5 Вт света (мощность излучения). Из
оставшихся 95 Вт потребленной мощности 80 Вт уйдет вовне в виде
инфракрасного излучения и только 15 Вт будет рассеиваться корпусом в виде
тепла. 50-Вт светодиод также будет излучать 5 Вт полезного света, но все
оставшиеся 45 Вт мощности будут в виде тепла подведены к его конструктивному
окружению. Поэтому, не смотря на высокую эффективность светодиодного
светильника, которая в два раза выше, чем у лампы накаливания, его охлаждение
должно быть разработано так, чтобы справиться с гораздо большим потоком
подводимого тепла.
Рисунок 14.
25
При этом с точностью до наоборот выделяется тепло от обычных ламп
накаливания: 90 % – излучением, 5 % – теплопроводностью в цоколь (Рисунок
14). Это означает, что наработанные десятилетиями технические решения по
поддержанию теплового режима ламп накаливания абсолютно не приемлемы при
проектировании LED – светильников (светодиодных ламп).
Светодиоды преобразуют подводимую электроэнергию в видимое излучение в
очень узкой спектральной области, при этом в кристалле возникают тепловые
потери. В случае благоприятного теплового режима у светодиодов в свет
преобразуется 25 % подводимой энергии. Поэтому, например, у белого светодиода
мощностью 1 Вт примерно 0,75 Вт приходится на тепловые потери, что требует в
конструкции
светильника
наличия
теплоотводящих
элементов
или
даже
принудительного охлаждения. Такое управление тепловым режимом светодиодов
приобретает особую значимость. Желательно, чтобы производители светодиодов и
светодиодных модулей приводили в перечне характеристик своих изделий
значения энергетического КПД5.
Только 1/4 электроэнергии, потребляемой светодиодом, преобразуется в свет, а
3/4 – в тепло. Поэтому при конструировании, освещения с использованием
светодиодов, решающую роль в обеспечении их максимальной эффективности
играет оптимизация теплового режима, интенсивное охлаждение.
Передача тепла от нагретого тела осуществляется за счет трех физических
процессов: излучение, конвекция, теплопроводность.
5Энергетическая эффективность светодиодов (КПД) – отношение мощности излучения (в Ваттах) к электрической
потребляемой мощности (в светотехнической терминологии это энергетическая отдача излучения – η e).
26
2.2. Теплопередача. Виды теплопередачи
Теплопередачей называется физический процесс передачи тепловой
энергии от более горячего тела к менее горячему, либо через разделяющую (тела
или среды) перегородку из какого-либо материала, либо непосредственно (при
контакте).
Теплопроводность это способность тел к переносу энергии (теплообмену) от
более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому
хаотически движущимися частицами тела (молекулами, электронами, атомами).
Данный вид теплообмена может происходить в любых телах с неоднородным
распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть
от агрегатного состояния вещества.
Процесс теплопроводности неизменно связан с распределением температуры
внутри тела. Следовательно, при изучении данного процесса, прежде всего
необходимо ввести понятия температурного поля и градиента температуры.
Температура характеризует тепловое состояние тела и определяет степень его
нагретости. Поскольку тепловое состояние отдельных частей тела в процессе
теплопроводности различно, то в общем случае температура t является функцией
координат x,y,z и времени τ, то есть:
t=fx,y,z,τ
(1)
Температурным полем называется совокупность значений температуры для
всех точек пространства в данный момент времени. Математическим выражением
27
такого поля является уравнение (1). Если температура меняется во времени, тогда
поле называется неустановившимся (нестационарным), а в случае, когда
температура не меняется во времени, поле будет называться установившимся
(стационарным). Температура может быть функцией одной, двух и трех
координат, соответственно этому и температурное поле называется одно-, двух- и
трехмерным. Уравнение одномерного стационарного температурного поля имеет
следующий вид:
t=t(x)
(2)
В каждом теле всегда имеются точки с одинаковой температурой, при любом
температурном поле. Геометрическое место таких точек образует изотермическую
поверхность. Поскольку в одной и той же точке пространства одновременно не
может быть двух различных температур, то изотермические поверхности друг с
другом не пересекаются; все они или замыкаются на себя, или кончаются на
границах тела. Таким образом, изменение температуры в теле наблюдается лишь в
направлениях,
пересекающих
изотермические
поверхности
(например,
направление x, Рисунок 15). Наиболее резкое изменение температуры получается
в направлении нормали n к изотермической поверхности. Предел отношения
изменения температуры ∆t к расстоянию между изотермами по нормали ∆n
называется градиентом температур, который обозначается одним из следующих
символов:
lim∆n→0∆t∆n=∂t∂n=grad t=
t
(3)
28
Рисунок 15.
Нужно отметить, что температурный градиент является вектором, направленным по нормали к
изотермической поверхности в сторону увеличения температуры, °С/м.
При этом теплота самопроизвольно переносится только в сторону убывания температуры. Тепловым
потоком Q называется количество теплоты, переносимое через какую-либо изотермическую
поверхность в единицу времени. Плотностью теплового потока q называется тепловой поток,
отнесенный к единице площади изотермической поверхности. Так же как температурный градиент
плотность теплового потока есть вектор, направление которого совпадает с направлением
распространения теплоты в данной точке, но противоположно направлению вектора температурного
градиента (Рисунок 16).
Рисунок 16.
29
Фурье изучая процесс теплопроводности в твердых телах, экспериментально определил, что
количество переданной теплоты пропорционально падению температуры, времени и площади сечения,
перпендикулярного направлению распространения теплоты. Если количество переданной теплоты
отнести к единице площади сечения и единице времени, то установленную зависимость можно
выразить следующим образом:
q=-λgrad t
(4)
Выражение (4) является основным законом теплопроводности – законом Фурье. Данный закон лежит
в основе всех теоретических и экспериментальных исследований процессов теплопроводности.
В уравнении (4) коэффициент пропорциональности λ называется коэффициентом
теплопроводности, который является физическим свойством вещества и характеризует его
способность проводить теплоту:
λ=-qgrad t=QFτ∆t/l
(5)
Коэффициент теплопроводности λ зависит от структуры, плотности, влажности, давления и
температуры вещества. Выбор правильного значения коэффициента теплопроводности, весьма
затруднительно, поэтому при ответственных расчетах его значение следует определять путем
специального изучения применяемого материала. В технических же расчетах значения коэффициента
теплопроводности обычно берутся по справочным таблицам. В этом случае надо следить лишь за тем,
чтобы физические характеристики материала (структура, плотность, влажность, температура, давление)
были соответственны. Поскольку при распространении теплоты температура в различных частях тела
различна, то в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от
температуры. Для значительного числа материалов эта зависимость оказывается почти линейной, ее
можно зависать в виде:
λ=λ01+bt-t0
где
(6)
b – постоянная, определяется опытным путем; λ0 – коэффициент теплопроводности при
температуре t0.
Единицей измерения коэффициента теплопроводности в системе СИ является Вт/(м·K).
Конвекция это вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается
струями и потоками. В данном случае процесс переноса теплоты неразрывно
связан с переносом самой среды. Логично предположить, что конвекция возможна
лишь в жидкостях и газах, частицы которых могут легко перемещаться.
Различают два вида движения – свободное и вынужденное. Свободным
называется движение, возникающее вследствие разности плотностей нагретых и
холодных частиц жидкости в гравитационном поле. При этом возникновение и
интенсивность свободного движения определяются тепловыми условиями
30
процесса и зависят от рода жидкости, разности температур, напряженности
гравитационного поля и объема пространства, в котором протекает процесс.
Свободное движение также называется естественной конвекцией. Вынужденным
называется движение, происходящее под действием посторонних возбудителей,
например вентилятора, насоса. Однако наряду с вынужденным движением
одновременно может развиваться и свободное движение.
Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность конвективного
теплообмена. Формуле Ньютона-Рихмана:
Q=αtс-tжF
(7)
Согласно этому закону тепловой поток Q пропорuионален поверхности
теплообмена F и разности температур стенки и жидкости (tс-tж).
Из уравнение (7) коэффициент теплоотдачи можно определить как количество
теплоты, отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности
температур между поверхностью и жидкостью, равной одному градусу:
α=QFtс-tж
(8)
Коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена,
и поэтому различают средний по поверхности коэффициент теплоотдачи и
местный (локальный) коэффициент теплоотдачи, соответствующий единичному
элементу поверхности.
Тепловым излучением
называется электромагнитное излучение,
возникающее за счёт внутренней энергии тела. Тепловое излучение имеет
сплошной спектр, расположение и интенсивность максимума которого зависят
от температуры тела. Нужно отметить, что природа тепловых и световых
излучений одна и та же. Отличие между ними лишь в длине волны: световые лучи
имеют
длину
волны
0,4–0,8,
а
тепловые
0,8–800
мкм.
Все
законы
распространения, отражения и преломления, характерные для световых лучей,
справедливы и для тепловых. Для того, чтобы лучше себе представить какие-либо
сложные явления теплового излучения, всегда закономерно проводить аналогию
31
со
световым
излучением,
которое
нам
больше
известно
и
доступно
непосредственному наблюдению.
Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое из них излучает
энергию в окружающее пространство. Когда эта энергия попадает на другие тела
часть её поглощается, часть отражается и часть проходит сквозь тело. Часть
лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую.
Часть энергии, которая отражается, так же попадает на другие (окружающие) тела
и ими поглощается. С той частью энергии, которая проходит сквозь тело
происходит то же самое. В результате, после ряда поглощений энергия излучения
полностью распределяется между окружающими телами. Таким образом, каждое
тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую
энергию.
Когда температура этих тел одинаковая вся система находится в так
называемом подвижном тепловом или термодинамическом равновесии. При этом
все тела системы также излучают и поглощают энергию, но для каждого из них
приход лучистой энергии равен ее расходу.
Таким образом, и осуществляется процесс лучистого теплообмена, связанный с
двойным
взаимным
превращением
энергии
(тепловая-лучистая-тепловая).
Разность между количествами излучаемой и поглощаемой телом лучистой
энергии определяет количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты. В
случае если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой
энергией, различна, то эта разность отлична от нуля.
Потоком излучения Q (Вт) называется суммарное излучение, проходящее через
произвольную поверхность F в единицу времени. Плотностью потока излучения
Е (Вт/м2) называется лучистый поток, испускаемый с единицы поверхности по
всем направлениям полусферического пространства, и определяется следующим
образом:
E=dQdF
(9)
32
Поскольку поток излучения и плотность потока излучения содержат лучи
различных длин волн, эти характеристики излучения также называются
интегральными.
Излучение называется монохроматическим, если соответствует узкому
интервалу изменения длин волн от λ до λ+dλ.
Пусть из всего количества энергии Q0, падающей на тело, часть QA
поглощается, часть QR отражается и часть QD проходит сквозь тело (Рисунок
17), так что:
QA+QR+QD=Q0
Если разделить обе части этого равенства на Q0, то получим следующее:
QA/Q0+QR/Q0+QD/Q0=1
(10)
или
A+R+D=1
А характеризует собой поглощательную способность, R – отражательную
способность и D – пропускательную способность тела. Эти величины имеют
нулевую размерность и изменяются лишь в пределах от 0 до 1.
Рисунок 17.
Если вся падающая лучистая энергия полностью поглощается телом, тогда
А = 1, R = 0 и D = 0. Данные тела называются абсолютно черными.
33
Если вся падающая лучистая энергия полностью отражается, то R = 1, А = 0 и
D = 0. При этом если отражение правильное 6, тела называются зеркальными, если
же отражение диффузное – абсолютно белыми.
Если вся падающая лучистая энергия полностью проходит сквозь тело, тогда
D = 1, А = 0 и R = 0. Эти тела называются прозрачными или диатермичными.
В применении к реальным телам эти понятия условны, так как в природе
абсолютно черных, белых и прозрачных тел не бывает. А, R и D зависят от
природы тела, его температуры и спектра падающего излучения. Так например
имеются тела, которые прозрачны лишь для определенных длин волн. Кварц для
тепловых лучей (λ>4 мкм) непрозрачен, а для световых и ультрафиолетовых
прозрачен. Каменная соль, прозрачна для тепловых и непрозрачна для
ультрафиолетовых лучей. Обычное оконное стекло прозрачно только для световых
лучей, а для ультрафиолетовых оно почти непрозрачно.
Это относится и к понятиям поглощения и отражения. Так, например белая по
цвету поверхность хорошо отражает лишь световые лучи. Это свойство широко
используется в жизни: белые летние костюмы, белая окраска вагонов-ледников,
цистерн и других сооружений, где инсоляция нежелательна. Невидимые же
тепловые лучи белая ткань, и краска поглощают так же хорошо, как и темные.
Нужно учитывать, что для поглощения и отражения тепловых лучей большее
значение имеет не цвет, а состояние поверхности. Отражательная способность
гладких и полированных поверхностей во много раз выше, чем шероховатых и не
зависит от их цвета.
2.3. Способы теплоотвода в светодиоде
6Правильным называется такое отражение, которое следует законам геометрической оптики.
34
Самым распространённым способом отведения избыточного количества тепла
от мощных светодиодов и микросхем является его передача на печатную плату,
подложку или другие конструктивные элементы электронного устройства.
Вдобавок
применяется
установка
радиатора
на
перегревающийся
компонент (или перегревающегося компонента на радиатор), что увеличивает
площадь лучистого и конвекционного обмена. И уже с радиатора, тепло
передается в окружающую среду преимущественно при помощи конвекции.
Это сравнительно недорогие и эффективные методы, однако в каждом
случае эффективность теплоотвода будет зависеть от эффективности передачи
тепла в области контакта двух поверхностей. Дело в том, что поверхности
источника тепла и теплоприемника имеют шероховатости и неровности. При
контакте плоскостей в большинстве случаев возникают зазоры (микрополости), в
которых содержится воздух. Как результат – контакт между плоскостями
происходит точечно, что существенно увеличивает тепловое сопротивление
перехода.
Воздух имеет коэффициент теплопроводности около 0,02 Вт/(м·K), что
крайне мало, и примерно в 40 раз меньше, чем у типичных теплопроводящих паст.
Поэтому, в связи с наличием воздуха между контактирующими поверхностями
возникает высокое сопротивление тепловому потоку, и эффективность отвода
тепла существенно падает. Для того чтобы избежать этого негативного эффекта от
присутствия воздуха используют теплопроводящий материал, который заполняет
зазоры.
Тип
материала
выбирают,
исходя
из
рассеиваемой
мощности,
конструктивных особенностей изделия и уровня теплопередачи.
Рассмотрим несколько уровней передачи тепла в типичном LED светильнике
(Рисунок 18).
35
Рисунок 18. Уровни теплопередачи в светодиодном устройстве.
На первом уровни происходит передача тепла от светодиода на печатную плату
или основание. Данный уровень характеризуется очень малой площадью
теплового потока и относительно большим количеством передаваемого тепла.
Поэтому, для обеспечения эффективной теплопередачи нужен материал, который
обеспечит
минимальное
тепловое
сопротивление
в
области
контакта
поверхностей. Часто для обеспечения теплопередачи на первом уровне
теплоотводящее основание светодиодов припаивают к плате. Пайка – хороший
вариант для теплопередачи, так как коэффициент теплопроводности типичного
припоя – 85 Вт/(м·K), но использование данного способа в ряде случаев
ограничено из-за технологических соображений. В качестве альтернативы пайке
может служить применение теплопроводящих клеев или паст с высокой
теплопроводностью (до 7 Вт/(м·K)).
На втором уровне происходит передача тепла от платы (модуля) со
светодиодами на радиатор или другую рассеивающую тепло поверхность. Этот
уровень характеризуется большой площадью передачи и менее мощным удельным
тепловым потоком, в сравнении с рассмотренным ранее первым уровнем. На
втором уровне для обеспечения теплопередачи можно использовать материалы с
относительно невысокой теплопроводностью (в пределах 2 Вт/(м·K)). В качестве
теплопроводящего материала (в зависимости от конструкции изделия) могут
использоваться силиконовые теплопроводящие пасты, клеи, подложки или
компаунды.
36
В случае, когда светодиоды устанавливаются непосредственно на радиатор,
первый и второй уровни теплопередачи совпадают. При этом в качестве
теплопроводящего материала можно использовать теплопроводящие пасты или
клеи с высокой теплопроводностью.
В светодиодной светотехники для отвода
тепла применяются теплопроводящие пасты. При этом теплопроводящие пасты
должны иметь широкий диапазон рабочих температур. Так например, для
уличного светильника такой диапазон должен составлять от -50 °С до +100 °С и
выше. Опыт показывает, что широко распространенные и популярные на
отечественных производствах традиционные теплопроводящие пасты в ряде
случаев не отвечают таким жестким требованиям. Поэтому через относительно
короткий период времени паста может высохнуть, потерять свои полезные
свойства и, как следствие, теплопередача будет нарушена.
Хорошо зарекомендовавшим себя материалом в светодиодной светотехнике для задач
теплопередачи второго уровня является силиконовая теплопроводящая паста Dow Corning SC 102.
Теплопроводность 0,8 Вт/(м·K) дает возможность использовать её во многих светодиодных
конструкциях, а диапазон рабочих температур от -45 °С до +200 °С обеспечивает эффективную и
надежную теплопередачу практически при любых возможных температурах эксплуатации светильника.
Для более эффективного отвода тепла от теплонагруженных компонентов (задачи первого уровня
теплопередачи), можно использовать пасты Dow Corning с более высоким коэффициентом
теплопроводности вплоть до
7 Вт/(м·K) (Dow Corning TC-5600).
Еще одним решением для теплоотвода в светодиодных (LED) лампах является применение
теплопроводящих клеев.
Избавиться от дополнительных элементов крепления можно, используя силиконовые
теплопроводящие клеи. В дополнение к теплоотводу они обеспечивают ещё и механическую фиксацию,
что дает возможность упростить процесс сборки светильника.
Силиконовые теплопроводящие клеи прекрасно работают в широком диапазоне температур и
обладают высокой теплопроводностью, что обуславливает их широкое применения в современной
светодиодной технике. В качестве примера можно привести несколько силиконовых теплопроводящих
клеев Dow Corning и рассмотреть их особенности (Таблица 1).
Таблица 1. Сравнительные характеристики теплопроводящих
клеев** Dow Corning.
37
Параметры
Dow Corning.
SE 4420
Dow Corning.
SE 4486
Dow Corning.
3-6752
Вязкость7, сП
108,000
19,000
81000
Теплопроводность, Вт/(м·K)
0,9
1,6
1,9
Полное
отверждение
200 часов
при 20 °С*
120 часов
при 20 °С*
3 минуты
при 150 °С
Потенциальное применение
Теплоотвод с малых площадей средних тепловых потоков в мелкосерийном производстве
Теплоотвод с больших площадей высоких тепловых потоков в мелкосерийном производстве
Использование в крупносерийном производстве при высоких тепловых нагрузках
* – отвердение слоя в 3 мм при относительной влажности 55 %;
** – линейка теплопроводящих клеев Dow Corning не ограничивается материалами, приведенными в
таблице.
Так же для решение проблемы связанной с теплоотводом в светодиодной светотехники применяются
теплопроводящие силиконовые компаунды. Часто светодиодная техника оказывается подвержена
неблагоприятным воздействиям окружающей среды: влажность, соляной туман, кислотные осадки,
загрязнение пылью. Это информационные LED экраны, светильники уличного освещения, светофоры.
Есть несколько способов защиты LED устройств от воздействия внешней среды. Традиционно
используют стекло, которым закрывают устройство. Однако тепловой режим устройства и его
оптические характеристики при таком способе защиты не становятся лучше. Кроме того, в подавляющем
7Вязкость – одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление
перемещению одной их части относительно другой. В результате работа, затрачиваемая на это перемещение,
рассеивается в виде тепла.
38
большинстве случаев замкнутое пространство под защитным стеклом светильника остается заполнено
воздухом, поэтому при определенных условиях под стеклом светильника может образовываться
конденсат (Рисунок 19). Это может изменить оптические свойства светильника, вызвать коррозию и
короткие замыкания в устройстве. Очевидно, что современный светильник требует более современных
решений для защиты устройства.
Рисунок 19.
Многие производители для защиты устройства всё чаще используют теплопроводящие заливочные
компаунды. В этом случае плата или светильник заливается с внешней стороны до уровня оптических
элементов (светодиодов). Таким образом, при помощи одного материала обеспечивается отвод тепла от
светодиодов, защита светодиодного устройства от негативного воздействия внешней среды и
дополнительная механическая прочность светильника. Такое решение может повысить эффективность
сборки, надежность и конкурентоспособность светодиодного устройства.
39
Рисунок 20.
Таким же образом можно поступить при защите источника питания (драйвера) от негативных
внешних воздействий. Принцип тот же: компаунд заполняет объём, в котором ранее был воздух, при
этом улучшается тепловой баланс всего блока. Такое решение является общепринятой мировой
практикой.
В некоторых конструкциях светильников драйвер оказывается заключенным в корпусе светильника.
Из-за ограниченного теплообмена драйвер может перегреться и переключиться в режим «защита от
перегрева». Для примера можно рассмотреть тепловую модель светодиодного светильника, где красная
зона в центре показывает перегретый драйвер (Рисунок 21). В ряде случаев воздух, окружающий
источник питания, может выступать в роли теплоизолятора и ограничивать теплопередачу на корпус
светильника. Выходом из такой ситуации может быть заполнение пространства вокруг источника
питания материалом с высокой теплопроводностью, например, теплопроводящим силиконовым
компаундом.
40
Рисунок 21.
Для повышения технологичности сборки и упрощения конструкции светодиодного светильника
полезным решением для теплоотвода в светодиодных устройства могут быть теплопроводящие
подложки. Этот класс материалов представляет собой заранее отвержденный силиконовый гель со
специальными свойствами. Теплопроводность до 3,5 Вт/(м·K) и толщина от 0,25 до 5,0 мм позволяют
решать широкий спектр задач по отводу тепла с поверхности печатных узлов (данные приведены для
материалов Dow Corning, Таблица 2).
С точки зрения конструкции изделия в дополнение к функции передачи тепла подложки могут
выполнять еще и функцию заполнения воздушных зазоров до 4 мм и более (можно складывать
подложки в несколько слоев). Эта возможность полезна как при производстве светодиодных устройств,
так и при производстве источников питания. Дополнительно, благодаря высоким диэлектрическим
свойствам и хорошей сжимаемости, одна подложка может обеспечить отвод тепла с любой площади
печатного узла и от компонентов различных размеров и форм (Рисунок 29).
Таблица 2. Линейка теплопроводящих подложек Dow Corning.
Продукт
Dow Corning
Отличительные особенности
Теплопроводность,
Вт/(м·K)
41
Толщина, мм
Dow Corning
TP-15
Клейкая поверхность с одной или двух сторон. Обеспечивает хорошую электрическую изоляцию.
Хорошая теплопроводность.
1,1–1,3
0,25–2,0
Dow Corning
TP-21
Хорошо сжимаемые и клейкие с двух сторон подложки. Решение для задач, где требуется плотное
заполнение зазоров или перенос тепла через большие воздушные зазоры.
0,7
2,2–5,0
Dow Corning
TP-22
Демпфируют механические нагрузки и отличаются высокой теплопроводностью.
1,64
0,25–3,0
Dow Corning
TP-23
Подложки с высокой степенью сжимаемости и высокой теплопроводностью. Решение для задач, где
требуется эффективный перенос тепла через большие воздушные зазоры.
1,4
2,2–4,6
Dow Corning
TP-35
Мягкие теплопроводящие подложки. Демонстрируют высокую степень сжимаемости и высокую
теплопроводность.
3,5
0,5–5,0
С технологической точки зрения применение теплопроводящих подложек упрощает и сокращает
процесс сборки светодиодной техники. Подложки не требуют процессов полимеризации, что исключает
необходимость применения специального оборудования для отверждения, сокращает затраты времени
на сборку, уменьшает потребление электроэнергии и человеческих ресурсов.
Применение теплопроводящих подложек способно повысить конкурентоспособность светодиодной
техники как за счет обеспечения высокого качества продукции, так и за счет оптимизации
себестоимости.
Еще раз подчеркнем, что по оценкам экспертов, обеспечение эффективного теплоотвода в
светодиодной светотехнике – одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед
разработчиками и производителями данной продукции.
Вполне вероятно, что успешными производителями светодиодной светотехники завтрашнего
42
дня будут именно те, кто раньше найдет и применит современные решения по обеспечению теплового
режима работы устройств.
Применение современных теплопроводящих материалов является как раз одним из тех
решений, которые помогут повысить конкурентоспособность светодиодной техники за счет обеспечения
высокого качества продукции и оптимизации себестоимости.
43
2.4. Виды радиаторов для охлаждения светодиодов
При работе LED светильников, как отмечалось ранее передача тепла происходит в несколько уровней.
Разница между температурой кристалла и температурой среды вызывает тепловой поток, движущийся
от кристалла к окружающей среде, через тепловое сопротивление 8 кристалл – корпус, корпус –радиатор
и радиатор – окружающая среда. На втором уровне происходит передача тепла от платы (модуля) со
светодиодами на радиатор или другую рассеивающую тепло поверхность (см. раздел 2.4. Реализация
теплоотвода в светодиодной светотехнике). И в последующем тепло с помощью радиатора рассеивается
в окружающую среду.
Единицы измерения теплового сопротивления – °С/Вт, суммарное максимальное сопротивление на
участке кристалл – окружающая среда можно найти по формуле:
Rja≤Tj-TaPпп
(11)
где Rja – это тепловое сопротивление на участке кристалл – окружающая среда;
Tj – температура
кристалла; Ta – температура окружающей среды; Pпп – мощность, рассеиваемая на кристалле
полупроводникового прибора.
Тепловое сопротивление кристалл – корпус и корпус – радиатор указываются в справочных данных,
например согласно справочным данным транзистор
IRFP250N
имеет тепловое сопротивление на
участке кристалл – радиатор равно 0,94 °С/Вт:
Rjc+Rcs=0,7+0,24=0,94 °С/Вт
где Rjc – тепловое сопротивление кристалл – корпус; Rcs – тепловое сопротивление корпус – радиатор.
Это означает, что если на кристалле выделяется мощность 10 Вт, то его температура будет на 9,4 °С
больше температуры радиатора. Тепловое сопротивление радиатора можно найти по формуле:
Rsa=Rja-Rjc-Rcs
(12)
где Rsa – тепловое сопротивление радиатора; Rja – тепловое сопротивление на участке кристалл –
окружающая среда; Rjc – тепловое сопротивление кристалл – корпус; Rcs – тепловое сопротивление
корпус – радиатор.
Для примера рассчитаем тепловое сопротивление радиатора, обеспечивающего охлаждение
транзистора IRFP250N. Допустим, рассеиваемая мощность транзистора равна 26,4 Вт, радиатор должен
обеспечивать максимальную температуру кристалла транзистора не более 110 °С, при максимальной
температуре окружающей среды 40 °С, тогда по формуле (11) найдем тепловое сопротивление кристалл
– окружающая среда для транзистора IRFP250N:
Rja≤Tj-TaPпп=110-4026,4=2,65 °С/Вт
Теперь по формуле (12) найдем тепловое сопротивление радиатора:
8Термическое сопротивление – тепловое сопротивление, способность тела (его поверхности или какого-либо слоя)
препятствовать распространению теплового движения молекул.
44
Rsa=Rja-Rjc-Rcs=2,65-0,7-0,24=1,71 °С/Вт
Зная это значение и используя технические данные зависимости между сечением радиатора и его
тепловым сопротивлением, данные отличатся в зависимости от производителя, мы с легкость сможем
подобрать необходимый радиатор.
Наличие радиатора актуально в первую очередь для светодиодных ламп, где светодиоды закрыты
колбой или линзой, в некоторых моделях ламп по типу «кукурузы» светодиоды не закрываются колбой и
теплоотвод происходит беспрепятственно, для таких ламп зачастую радиатор не используется.
В светодиодных (LED) лапах для отвода тепла используются несколько типов радиаторов:
– алюминиевый радиатор; имеет гладкую тонкую поверхность из алюминия, для дополнительного
отвода тепла в корпусе могут присутствовать вентиляционные отверстия; алюминиевые радиаторы
обычно покрываются лаком или краской;
– алюминиевый радиатор с ребрами для светодиодных ламп; алюминиевый
радиатор с ребрами обладает достаточно высоким теплоотводом, ребра,
размещённые по всей площади радиатора значительно улучшают теплоотвод;
– керамический радиатор LED лампы; керамические радиаторы достаточно
эффективный способ охлаждения, также керамика в отличие от алюминия –
диэлектрик, не проводит ток, что позволяет размещать модули светодиодов прямо
на радиаторе;
– композитный радиатор LED лампы; композитный радиатор состоит из
алюминиевого корпуса покрытого тонким слоем теплопроводящего пластика;
лампа с композитным радиатором имеет максимально приближённый вид по
форме и внешнему виду к лампам накаливания;
– пластиковый радиатор LED лампы;
наиболее простой вариант радиатора, но и наименее
эффективный в плане охлаждения; для изготовления используется терморассеивающий пластик;
пластиковые радиаторы зачастую используются в светодиодных лампах низкого качества.
45
2.5. Моделирование теплового режима внутри радиатора и получение 3-D модели с помощью
программы ELCUT
Для реализации практической части, была поставлена задача рассчиать
площадь и смоделировать радиатор, для светодиода Cree XLamp CXA3070 LED
размеры которого представлены ниже (Рисунок 22). А так же построить 3-D
модель распределения температуры внутри этого радиатора.
Итак, для начала исходя из характеристик данного светодиода (данная модель
светодиода и его характеристики были предоставлены заводом Протон)
рассчитаем площадь нашего радиатора.
Рисунок 22.
Площадь радиатора можно рассчитать по формуле:
S=50R2
(13)
где R как отмечалось ранее тепловое сопротивление радиатора, площадь S
измеряется в см2.
46
Рассеиваемая мощность (Pпп) данного светодиода составляет
85 Вт,
температура кристалла Tj = 85 °С, температура окружающего воздуха возьмём
равную: Ta = 25 °С, тогда исходя из этих данных можем посчитать тепловое
сопротивление:
R=Tj-TaPпп
то есть:
R=85-2585=0,706 °С/Вт
По формуле (13) рассчитаем площадь радиатора:
S=500,7062=5017 см2
Далее зная площадь радиатора, и размеры нашего светодиода, в программе
компас мною был спроектирован радиатор (Рисунок 23).
Рисунок 23.
По примеру, описанному раннее для построение 3-D модели распределения
внутри радиатора, для светодиода Cree XLamp CXA3070 LED брались следующие
физические свойства.
Физические свойства, используемые для реализации данной задачи:
47
– теплопроводность металла λ = 270 Вт/(K·м);
– коэффициент конвекции α = 3,8 Вт/(K·м 2);
– температура охлаждающего воздуха T0 = 25 °C или 298 К;
– рассеиваемая мощность 85 Вт.
Для данного светодиода значение теплового потока q=113234 Вт/м2.
Шаг 1. Открывает программу ELCUT и создаем новую задачу: Файл – Создать задачу (Рисунок 25).
Рисунок 25.
Шаг 2. Открывается диалоговое окно, в котором мы пишем название файла и указываем путь, куда
мы хотим сохранить наш файл, затем нажимаем кнопку – Далее (Рисунок 24).
48
Рисунок 26.
Шаг 3. Открывается новое диалоговое окно, в котором мы указываем следующие параметры
(Рисунок 27):
– тип задачи: Теплопередача стационарная;
– класс модели: 3D импорт (так как геометрию радиатора мы импортируем из стороннего файла);
– единицы длины: Метры;
– координаты: Декартовы;
– расчет: Обычный;
Затем нажимаем кнопку: Готово.
49
Рисунок 27.
Шаг 4. Затем импортируем геометрию радиатора, для этого нажимаем
выбираем необходимый файл, и нажимаем
кнопку – Импорт, затем
кнопку – Открыть (Рисунок 28).
50
Рисунок 28.
Шаг 5. Далее мы задаем физические свойства, используемые для реализации данной задачи. Для
начала в разделе метки тел, создаем новое тело, в данном случае оно имеет называние – Радиатор.
(Рисунок 29).
Рисунок 29.
Переходим в раздел свойства метки тела, где задаем теплопроводность равную 270 Вт/(K·м) и
нажимаем кнопку – Ок (Рисунок 29).
51
Рисунок 29.
Шаг 6. Далее в разделе метки граней, создаем грань, в данном случае она имеет название –
Конвекция. Затем переходим в раздел свойства метки грани, где задаем коэффициент конвекции α = 3,8
Вт/(K·м2) и температура охлаждающего воздуха T0 = 25 °C, так как температуру нужно указать в
кельвинах, поэтому пишем 298 К (Рисунок 30).
Рисунок 30.
Шаг 7. Так же в разделе метки граней, создаем вторую грань, которую назовем – Тепловой поток.
Теперь в разделе свойства метки грани, задаем значение теплового потока q=113234 Вт/м2 (Рисунок 31).
52
Рисунок 31.
Шаг 8. Выделяем полностью нашу модель радиатора и в свойствах, в разделе тело, поставим метку –
Радиатор (Рисунок 32). Снимаем выделение с тех граней, с которых не происходит охлаждение, которые
примыкают к нашей микросхеме, во-первых это внутренние грани площадке, где располагается
микропроцессор, во-вторых сама поверхность контакта. Выделенными остались только те грани, с
которых снимаются потери воздухом. Для данных граней в свойствах, в разделе грань, поставим метку –
Конвекция (Рисунок 33). Далее выделяем только нижнюю площадку и для нее в свойствах, в разделе
грань, поставим метку – Тепловой поток (Рисунок 34).
53
Рисунок 32.
Рисунок 33 .
54
Рисунок 34.
Шаг 9. Следующим шагом является разбиение модели на узловые элементы (построение сетки). При
расчете целого радиатора не хватило технических возможностей программы ELCUT и было принято
решение рассмотреть модель 1 ребра 1/28 части нашего радиатора.
Для нашей модели в свойствах, в разделе вершины, ставим шаг сетки – задан в ручную, и пишем
значение равное 0,1 м (Рисунок 35).
Рисунок 35.
55
Шаг 11. Итак, наша задача полностью готова к запуску на решение. Сохраняем все файлы задачи и
нажимаем кнопку – Решить.
После окончания решения мы получаем результат изображенный на рисунке 36, переходим в окно
анализа результата (Рисунки 37.1, 37.2, 37.3, 37.4). Таким образом мы получили 3-D модель
распределения температуры внутри радиатора. В окне анализа результата мы можем наблюдать
максимальную и минимальную температуру на радиаторе, которые равны соответственно 327,63 °К и
324,62
°К.
Рисунок 36.
Тепловое сопротивление есть отношение разницы температур к величине теплового потока.
Таким образом, тепловое сопротивление нашего радиатора равно:
R=327,632-324,62285=0,03° С/Вт
56
Рисунок 37.1.
Рисунок 37.2.
57
Рисунок 37.3.
Рисунок 37.4
58
Заключение
В данной работе было изучено строение, характеристики, технологии
изготовления
светодиодов,
исследовались
основные
методы
охлаждения
светодиодной лампы, описано распределения температуры в радиаторе и расчет
его теплового сопротивления посредством программы ELCUT, а так же были
затронуты вопросы с помощью каких новых технологий возможно в дальнейшем
снижения себестоимости и удешевление светодиодной лампы.
Еще раз подчеркнем, что по оценкам экспертов, обеспечение эффективного теплоотвода в
светодиоде – одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед разработчиками и
производителями данной продукции.
Вполне вероятно, что успешными производителями светодиодной светотехники завтрашнего дня
будут именно те, кто раньше найдет и применит современные решения по обеспечению теплового
режима работы устройств.
59
Список использованных источников и литературы
1. Коган Л. М. Светодиоды нового поколения для светосигнальных и осветительных приборов.
Новости Светотехники. / Под редакцией Ю. Б. Айзенберга. – М.: Дом Света, 2001. – 47 с.
1. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. 1983. – 56 с.
2. Абрамов В. С. Светодиоды и лазеры, «Белые светодиоды»: журнал, 2002, № 2 – 25-28 с.
3. Полищук А. Г., Туркин А. Н. Новое поколение светодиодов компании Cree для освещения //
Автоматизация в про- мышленности. 2008. № 7
4. Гершберг И. А., Тахистов Ф. Ю. Выбор оптимального ТЭМ в зависимости от условий внешнего
теплообмена // Термоэлектрики и их применения.
5. Доклады IX Межгосударственного семинара. СПб: ФТИ. 2004.
6. http://www.ylati.ru/i/images/led/XR-E.pdf – онлайн библиотека технической документации ОАО
«Светодиод».
7. http://alltransistors.com/pdfview.php?doc=ixta8n50p_ixtp8n50p.pdf&dire=_ixys
–
онлайн
библиотека технической документации сайта alltransistors.com
8. Гребер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. М. Изд-во иностр. лит., 1958. – 568 с.
9. Гухман А. А. Физические основы теплопередачи, 1934. – 315 с.
10. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М., «Энергия», 1969. – 439 с.
11. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа», 1967. – 599 с.
60
61
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа