close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Прилепский Александр Сергеевич. Исследование методов охлаждения светодиодной лампы

код для вставки
Введение ….……………..…………………………………………………….………..3
Глава 1. Теоретическая часть. Светодиодная лампа ...…………………………. 7
1.1. Строение и принципы работы светодиода……………….………………...…….7
1.2. Виды светодиодов. Основные характеристики светодиодов ………………..... 11
1.3. Технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей…………… 16
1.4. Светодиодная лампа ……………………………………………………………...18
Глава 2. Методы охлаждения светодиодной лампы………...…………………. 26
2.1. Различие в механизмах тепловыделения при работе
традиционных ламп накаливания и светодиодных (LED) ламп .…………
26
2.2. Теплопередача. Виды теплопередачи …………………………………………...29
2.3. Важность эффективного отвода тепла в светодиодной светотехнике…..
37
2.4. Реализация теплоотвода в светодиодной светотехнике …………………
39
2.5. Эффективные методы теплоотвода в светодиодных (LED) лампах ……
42
2.6. Типы радиаторов светодиодных ламп …………………………………………..49
2.7. Построение 3-D модели распределения температуры в радиаторе
и расчет его теплового сопротивления посредством программы ELCUT…..…….54
Глава 3. Новейшие технологии в светодиодной светотехнике……………… 64
3.1. Полимерная подложка и тончайший слой из оксида тантала.
Производство светодиодов на кремниевых подложках ......................................... 64
3.2. Рациональное применение драйверов …………………………………………..66
Заключение ………………..……..…………………………………………………...68
Список использованных источников и литературы ...…………………………70
Приложение 1. История создания и совершенствования светодиодов..…………..72
Приложение 2. Характеристики светодиодов……………….………………………77
Приложение 3. Где сегодня целесообразно применять светодиоды……..………..79
Введение
Прощай, родимая вольфрамовая лампочка!
Твоя эпоха пролетела словно сон!
Ты ситуацию накаливала и разжигала электрическую рознь,
И слишком много забирала у нас тепла на свою роль!
Но вот светящийся диод из «сказки станет былью»,
И человечество вперёд пойдёт с экологической и экономической прибылью.
Одним из многообещающих направлений технологий искусственного
освещения является светодиодное освещение, основанное на применении
светодиодов в виде источника света. Применение светодиодных ламп в
освещении уже занимает существенную долю рынка. Развитие напрямую связано
с технологическим совершенствованием светодиода.
22 июля 2013 года было принято соответствующее постановление от N 614 «О
порядке
установлении
и
применении
социальной
нормы
потребления
электрической энергии», в котором утверждено, что с 1 июля 2014 года
«социальная норма потребления электроэнергии» будет введена на всей
территории Российской Федерации. И согласно новой схеме, часть потребляемой
электроэнергии – в пределах «социальной нормы» – будет оплачиваться по
низким тарифам, все остальное – по рыночным ценам.
По мнению властей, введение социальной нормы на электроэнергию будет
стимулировать людей к более экономному ее потреблению, можно будет
сдерживать темпы роста стоимости электроэнергии.
Постоянно растущие потребности человечества в освещении требуют
увеличения производства электроэнергии. Для этого необходимы дополнительные
капиталовложения на строительство электростанций, выработку месторождений
энергоносителей и последующую утилизацию растущих отходов производства.
Вопрос
об
альтернативных
высокоэффективных
источниках
освещения,
способных удовлетворить спрос на освещение, не наращивая при этом
производства и затрат на электроэнергию стоит очень остро.
Главными условиями новых источников света являются низкое
энергопотребление
и
более
высокий
световой
выход,
долговечность
и
безопасность. Именно светодиоды (Рисунок 1), отвечающие всем этим
требованиям, считаются основным претендентом на замену лампам накаливания и
люминесцентным.
Рисунок 1.
В настоящее время светодиоды нашли применение в самых различных
областях: светодиодные фонари, автомобильная светотехника, рекламные
вывески, светодиодные панели и индикаторы, бегущие строки, светофоры.
В своей работе профессора Чон Кхю Ким и Фред Шуберт из политехнического
института Ренсселера, опубликованной в журнале Optics Express, с размахом
подошли
к
прогнозу
будущего
освещения
твердотельных
систем.
Они
попробовали выйти за рамки экономии электричества «для одного дома» и
представить, каким будет наш мир, в котором светодиоды получат куда большее
распространение, чем имеется ныне.
А главное, они посчитали, каких технических высот нам следует ждать от тех
же светодиодов в ближайшие годы. Почти два триллиона долларов – столько
сэкономят землянам новые светодиоды за следующие 10 лет, при условии
широкого их внедрения. Сокращение выбросов CO 2 за это «светодиодное»
десятилетие составит 11 гигатонн, а потребление нефти сократится почти на
миллиард баррелей. И 280 среднестатистических электростанций можно будет
закрыть.
Дело в том, что по достижении какой-то критической массы разработок в
области светодиодов «взорвутся» не просто количественным, но качественным
изменением жизни. Новые источники света – светодиоды – позволят сэкономить
электроэнергию,
оцениваемую
миллиардами
долларов,
и
решить
часть
экологических проблем, связанных с глобальным потеплением.
Ким и Шуберт пишут, что распространение светодиодов должно пойти
намного дальше простых домашних ламп. Твердотельные излучатели способны
изменить окружающую нас техногенную среду. Ведь в различных светодиодах
можно с высокой точностью контролировать спектр, параметры расхождения
пучка света, его поляризацию, колебания излучения по времени.
А это значит, что при содействии светодиодов можно лечить ряд заболеваний и
проводить любопытные научные опыты, подстегивать рост
растений в
нетипичных для них условиях и создавать интерактивные безопасные дороги, и
так далее. С такой гибкостью настроек – открыты все пути. Все это вместе ученые
назвали «умное освещение». [Приложение 3. Где сегодня целесообразно
применять светодиоды.]
В сравнении с обычными лампами накаливания, а также люминесцентными
лампами светодиоды обладают многими преимуществами: миниатюрность,
экологичность,
безопасность,
долгий
срок
службы,
высокие
световые
характеристики, возможность работы в широком спектре температур, большой
выбор цветов.
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.
Главные проблемы, останавливающие 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 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
несколько
различных
методов
охлаждения
светодиодной лампы.
В данной работе мною поставлена цель: изучить строение, характеристики,
технологии
изготовления
светодиодов,
исследовать
методы
охлаждения
светодиодной лампы, исследовать с помощью каких новых технологий в
дальнейшем планируется удешевление светодиодной лампы.
Глава 1. Теорeтическая часть. Светодиодная лампа
1.1. Строение и 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, который продуцирует оптическое
излучение, когда через него проходит электрический ток. Иными словами
светодиод
преобразует
электрический
ток
непосредственно
в
световое
излучение.
Светодиоды имеют самые разные формы. Но самая распространенная
конструкция светодиода – традиционный 5–миллиметровый корпус (Рисунок 2). У
такого 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 расположен алюминиевый параболический рефлектор
(отражатель). Он внешне 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.
Кристалл соединен с анодом при помощи перемычки из золотой проволоки.
Оптически
прозрачный
полимерный
корпус,
являющийся
одновременно
фокусирующей линзой вместе с рефлектором определяют угол излучения
светодиода и направленность пучка света.
В основе работы LED светодиода лежит p-n переход, так называемый
электронно-дырочный переход. 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.
Когда через полупроводники проходит электрический ток, отрицательный
заряд электронов соединяются с ионами положительно заряженных дырок. В этот
момент выделяется энергия, и мы видим излучение света.
Как уже говорилось ранее, светодиод создан из полупроводников,
преобразующих поступающий ток в световое излучение. Особенность здесь в том,
что ток проходит лишь в одном направлении, то есть от анода к катоду и не идет
обратно. Так, кристаллами полупроводника создается p-n переход. Электроны,
встречаясь с дырками, теряют свою энергию, благодаря которой в последующем и
образуются фотоны (частички света).
Так как же все-таки происходит свечение? Попробуем разобраться. В принципе
работы светодиода нет ничего сложного: свет выделяется благодаря тому, что в
области p-n перехода происходит обмен местами между электронами и дырками
(Рисунок 3). Проблема в том, что одного такого p-n перехода может быть
недостаточно. Тут нужно, чтобы несколько полупроводников с различными
типами проводимости взаимодействовали друг с другом.
Нужно пояснить, что представляют собой эти «электроны и дырки», и какая
роль им отведена. Между проводниками и диэлектриками гордо располагаются
полупроводники. 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.
Дырки
Электроны
Материал p-типа p-n переход Материал n-типа
Рисунок 3.
«Дырка» — это место в кристаллической решетке. Энергия, воздействуя на
него, 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 n-типа (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. Такое 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.
Но 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. Реально, 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 российских учёных, в частности, Ж. И. Алферов и его
сотрудники, ещё в 70-е годы разработали так называемые многопроходные
двойные
гетероструктуры,
позволившие
значительно
увеличить
внешний
квантовый выход. [Приложение 1. История создания и совершенствования
светодиодов.]
Квантовый выход – это число излученных квантов света на одну
рекомбинировавшую электронно-дырочную пару. Различают внутренний и
внешний квантовый выход.
Внутренний – в самом p-n переходе, внешний – для прибора в целом (ведь
свет может теряться «по дороге» – поглощаться, рассеиваться). Внутренний
квантовый выход для хороших кристаллов с хорошим теплоотводом 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.
Электрические, оптические характеристики, чувствительность светодиода на
повышение
температуры,
регулирование
яркости
светодиода
смотрите
в
[Приложение 2. Характеристики светодиода.].
1.2. Виды светодиодов. Основные характеристики светодиодов
Современные светодиоды бывают всех цветов радуги: красные, оранжевые,
желтые, зеленые, синие, белые.
Свечение, которое излучает светодиод при подключении его к электрическому
току, зависит не от цветовой окраски корпуса. Он 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. Чтобы добиться белого свечения в кристалл добавляют люминофор,
используемый для производства люминесцентных ламп.
Обычно светодиоды рассчитаны на силу тока в 20 мА. Производятся также,
например, четырехъкристальные диоды, которые рассчитаны на 80 мА , так как в
одном корпусе светодиода содержаться четыре полупроводниковых кристалла,
каждый из которых потребляет 20 мА.
Логично предположить, что яркость светодиода зависит от его мощности. Чем
больше мощность, тем больше яркость. Но есть ограничения для силы тока,
определенные сопротивлением полупроводникового материала. Иначе может
произойти электрический пробой, и LED диод может сгореть.
Светодиодные светильники нельзя подключать в электрическую сеть
напрямую. Например, для подключения светодиодной ленты используются
специальные устройства – трансформаторы.
Основные характеристики светодиодов:
– продолжительный ресурс работы: в зависимости от производителя и
параметров от 30 000 до 100 000 часов, для сравнения, срок службы
электрических ламп накаливания составляет 1000 часов;
– энергосберегающие технологии – для работы диода необходимо около 10 %
энергии, требуемой для обычной лампочки накаливания;
– надежность и механическая прочность, если изучить, почему перегорают
электрические лампы накаливания, то можно увидеть, что одной из причин
является простая вибрация, для диода вибрация не страшна;
– разнообразная цветовая гамма, а также выбор направления светового
излучения;
– LED светодиоды производятся из экологически чистых материалов, не
содержат ртуть.
Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый –
смешивание цветов по технологии RGB (Рисунок 4).
Рисунок 4.
На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды,
излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например
линзы. В результате получается «псевдобелый» свет (Рисунок 5).
Рисунок 5. Получение белого света путём смешивания излучения красного,
зелёного и синего светодиодов.
Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода,
излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три
люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это
похоже на то, как светит люминесцентная лампа (Рисунок 6).
Рисунок 6. Получение белого света с помощью ультрафиолетового
светодиода и RGB люминофора.
При реализации способа номер три задействуется светодиод голубого цвета, но
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.
Наконец, четвертый способ 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.
Подавляющее большинство светодиодов белого свечения изготовлено на
основе именно люминофорной технологии. Именно по этой причине свет таких
светодиодов имеет небольшой (мало заметный) сине-фиолетовый оттенок.
У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. В первом подходе
технология RGB в принципе позволяет не только получить белый свет, но и
перемещаться по цветовой диаграмме при изменении тока через разные
светодиоды. Поэтому RGB-матрицы широко используются в светодинамических
системах. Кроме того, большое количество светодиодов в матрице обеспечивает
высокий суммарный световой поток и большую осевую силу света. Но световое
пятно из-за аберраций оптической системы 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 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,
равномерность
нанесения
достаточно
люминофора
трудно
в
точно
проконтролировать
технологическом
процессе
и,
следовательно, цветовую температуру; и наконец в-третьих – люминофор тоже
стареет, причем быстрее, чем сам светодиод. А еще в состав люминофора входит
сложный композит, содержащий среди прочего иттрий и церий. Это одна из
причин дороговизны осветительных белых светодиодов.
Но недавно 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
белый
компонент
оказался
в
1000
раз
ярче
ультрафиолетового.
1.3. Технологии изготовления светодиодов и светодиодных модулей
Главное в технологии изготовления светодиодов – это
выращивания
кристаллов, эту технологию называют – металлоорганическая эпитаксия. Для
этого процесса необходимы особо чистые газы. В современных установках
предусмотрены автоматизация и контроль состава газов, их раздельные потоки,
точная регулировка температуры газов и подложек. Толщины выращиваемых
слоев измеряются и контролируются в пределах от десятков ангстрем до
нескольких микрон. Разные слои необходимо легировать примесями, донорами
или акцепторами, чтобы создать p-n переход с большой концентрацией электронов
в n-области и дырок – в p-области.
За один процесс, который длится несколько часов, можно вырастить структуры
на 6–12 подложках диаметром 50–75 мм. Очень важно обеспечить и
проконтролировать однородность структур на поверхности подложек. Стоимость
установок
для
эпитаксиального
роста
полупроводниковых
нитридов,
разработанных в Европе (фирмы Aixtron и Thomas Swan) и США (Emcore),
достигает 1,5–2 млн долларов. Опыт разных фирм показал, что научиться
получать на такой установке конкурентоспособные структуры с необходимыми
параметрами можно за время от одного года до трех лет. Это – технология,
требующая высокой культуры.
Важным этапом технологии является планарная обработка пленок: их
травление, создание контактов к n- и p- слоям, покрытие металлическими
пленками для контактных выводов. Пленку, выращенную на одной подложке,
можно разрезать на несколько тысяч чипов размерами от 0,24×0,24 мм до 1×1 мм.
Следующим шагом является создание светодиодов из этих чипов. Необходимо
смонтировать кристалл в корпусе, сделать контактные выводы, изготовить
оптические покрытия, просветляющие поверхность для вывода излучения или
отражающие его. Если это белый светодиод, то нужно равномерно нанести
люминофор. Надо обеспечить теплоотвод от кристалла и корпуса, сделать
пластиковый купол, фокусирующий излучение в нужный телесный угол. Около
половины
стоимости
светодиода
определяется
этими
этапами
высокой
технологии.
Необходимость повышения мощности для увеличения светового потока
привела к тому, что традиционная форма корпусного светодиода перестала
удовлетворять производителей из-за недостаточного теплоотвода. Надо было
максимально приблизить чип к теплопроводящей поверхности. В связи с этим на
смену традиционной технологии и несколько более совершенной SMDтехнологии (surface montage details – поверхностный монтаж деталей) приходит
наиболее передовая технология СОВ (chip on board).
Светодиоды, выполненные по SMD- и СОВ- технологии, монтируются
(приклеиваются) непосредственно на общую подложку, которая может исполнять
роль радиатора – в этом случае она делается из металла. Так создаются
светодиодные модули, которые могут иметь линейную, прямоугольную или
круглую форму, быть жесткими или гибкими, то есть призваны удовлетворить
любую прихоть дизайнера. Появляются и светодиодные лампы с таким же
цоколем, как у низковольтных галогенных, призванные им на замену. А для
мощных светильников и прожекторов изготавливаются светодиодные сборки на
круглом массивном радиаторе.
1.4. Светодиодная лампа
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. Принцип свечения светодиодов позволяет применять в производстве и
работе самой лампы безопасные компоненты. Светодиодные лампы не
используют веществ, содержащих ртуть, поэтому они не представляют опасности
в случае выхода из строя или разрушения. Различают законченные устройства
– светильники и элементы для светильников – сменные лампы (Рисунок 9).
Рисунок 9. Светодиодная лампа со стандартным цоколем E27,
мощностью 10 Вт и цветовой температурой 4500 К.
Светодиодный светильник – самостоятельное устройство. Корпус светильника
чаще всего уникален, специально спроектирован под светодиодный источник
освещения. Конструктивно такой светильник состоит из цоколя, металлического
корпуса,
служащего
электронного
одновременно
драйвера1
(Рисунок
радиатором,
10)
и
платы
со
светодиодами,
полупрозрачной
пластмассовой
полусферы. Иногда светодиодным светильником называют традиционный
светильник с установленной сменной светодиодной лампой. Однако, 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.
1Драйвер (англ. Driver – управляющее устройство) электронное устройство, предназначенное для преобразования
электрических сигналов, целью которого является управление чем-либо.
Рисунок 10. Микросхема-драйвер RS-232.
Преимущество светодиодной лампы по сравнению с лампами накаливания –
низкое энергопотребление, заявленный долгий срок службы от 30 000 до 50 000
и более часов, простота установки, более низкая температура корпуса по
сравнению с лампой накаливания, высокая механическая прочность, зачастую –
небольшие габариты.
Полная экологическая безопасность позволяет сохранять окружающую среду,
не требуя специальных условий по утилизации: не содержит ядовитых, вредных
или опасных составляющих материалов и веществ. Иногда производители не
соблюдают экологические нормы. Лампы таких производителей содержат
токсичные пластики, электролиты, свинец-содержащие пайки, а также печатные
платы
драйвера
пропитывают
связующими
компонентами
(фенол
и
формальдегидными смолами).
Основные недостатки – высокая цена, многие светодиодные лампы светят
только в одном направлении (что может быть и достоинством). В дешёвых лампах
за счёт экономии на конденсаторах возникает невидимое невооружённому глазу
мерцание с удвоенной частотой питающей электросети, а из-за экономии на
теплоотводящих элементах возможно перегорание от перегрева, особенно в
закрытых плафонах. Кроме того, при выходе из строя любого из элементов
светильник чаще всего подлежит замене на аналогичный. Эти недостатки чаще
всего компенсируются экономией электроэнергии, экономией на обслуживании,
что особенно актуально для уличного освещения. Для производства качественных
ламп соответствующим постановлению Правительства Российской Федерации от
20 июля 2011 года № 602 «Об утверждении требований к осветительным
устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в
целях освещения» по коэффициенту мощности, то есть имеющие в составе
драйвера PFC (корректор коэффициента мощности), также корректор частоты,
керамический
конденсатор,
который
служит
на
порядки
дольше
электролитических, экологичные пластики, пайки без свинца и соответствующих
жёстким нормам, нужны достаточно высокие затраты. Лампы получаются
дорогими. Большинство продающихся на данный момент в России LED лампы не
соответствуют установленным нормам и стандартам. Их применение запрещено
законом и приводит к возгораниям и перегрузкам в сети. Ещё одним недостатком
является продажа LED ламп без указания технических характеристик (нарушает ст.
10 закона 2300-1) и 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. На свет именно этой длины волны должен реагировать зрачок глаза
сужением, 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. Выполняются в защищенном от влаги и пыли корпусе, кроме того,
корпус 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. Такие светильники чаще
производятся в антивандальном исполнении, укомплектованы специальной
отвёрткой
и
специальными
саморезами,
защищающими
корпус
от
несанкционированного вскрытия. Рассеиватель у современных антивандальных
светильников для ЖКХ выполнен из поликарбоната, который в десятки раз крепче
традиционного стекла;
– светильники для бытовых нужд, обычно выпускаются невысокой мощности,
но должны удовлетворять многочисленным требованиям к качеству освещения,
электробезопасности, пожаробезопасности и, в немалой степени, – к внешнему
виду. Зачастую 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 (Рисунок 11), возможно, с некоторой
доработкой.
Люминесцентная лампа
Лампа накаливания
Рисунок 11.
Галогеновая лампа
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 –
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 в различных корпусах с разными типами
цоколей. Это и обычные «груши», «свечки» и «шарики» с цоколями E27 и E14, и
«зеркальные» лампы R39, R50, R63 и софиты с цоколями GU10 и GU5.3,
капсульные лампы с цоколями G4 и G9, лампы для потолков с цоколем GX53
(Рисунок 12).
Рисунок 12.
В светодиодных лампах используются различные типы светодиодов. В первых
светодиодных лампах использовались обычные светодиоды в пластиковом
2Цоколь (осветительная техника) – часть электролампы, служащая для крепления лампы в патроне (ламповой
панели) и для подводки к ней электрического тока.
корпусе. Сейчас мощные светодиоды в корпусах используются только в некоторых
лампах.
В
большинстве
современных
ламп
используются
бескорпусные
светодиоды и светодиодные сборки (Рисунок 13).
Рисунок 13.
В последнее время всё чаще используются светодиодные излучатели COB (chip
on board). В них множество светодиодов покрыты единым люминофором (Рисунок
14).
Рисунок14.
Разновидность COB — светодиодные нити (led filament). В них множество
светодиодов размещено на стеклянной полоске, покрытой люминофором (Рисунок
15).
Рисунок 15.
В самом последнем поколении ламп Crystal Ceramic MCOB излучатели
располагаются на круглых пластинах из прозрачной керамики (Рисунок 16).
Рисунок 16.
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
подходят лампы с цветовой температурой 2700–3000 К.
Большое количество светодиодные ламп не могут работать с выключателями,
имеющими индикатор. Они вспыхивают или слабо горят, когда выключатель
выключен. Это происходит из-за 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 (как правило 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.
Есть три важных параметра, влияющих на качество света, которое даёт лампа:
• Пульсация света. Многие некачественные лампы имеют высокий уровень
пульсации (мерцания) света. Такой свет визуально некомфортен и человек от него
быстро устаёт. При переводе взгляда с одного предмета на другой виден
стробоскопический эффект (видно как бы несколько предметов вместо одного).
Человеческий глаз воспринимает пульсацию более 40 %. Есть два способа
проверить наличие пульсации света – карандашный тест (берём обычный
длинный карандаш за кончик и начинаем быстро–быстро двигать им по полукругу
туда и обратно. Если отдельных контуров карандаша не видно, – мерцания нет,
если же видно «несколько карандашей» – свет мерцает) и проверка с помощью
камеры смартфона (если посмотреть на свет через камеру смартфона, как правило
при мерцании света по экрану будут идти полосы, причём чем они ярче, тем
мерцание сильней). Лампы с видимой пульсацией нельзя использовать в жилых
помещениях.
• Индекс цветопередачи3 (CRI). Спектр света светодиодной лампы отличается
от спектра солнечного света и света обычной лампы накаливания. Хоть свет и
выглядит белым, некоторых цветовых компонентов в нём больше, а некоторых
меньше. CRI 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 ламп
3Индекс цветопередачи (англ. colour rendering index, CRI или Ra ) – параметр, характеризующий уровень
соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его
данным источником света.
накаливания и солнца CRI равен 100, у обычных светодиодных ламп он больше
80, у очень хороших больше 90. Лампы с CRI ниже 80 в жилых помещениях
лучше не использовать.
• Угол освещения. Светодиодные лампы типа «груша» бывают двух видов.
У
первых защитный колпак имеет форму полусферы, имеющей такой же диаметр,
как и корпус. Такие лампы совсем не светят назад и если в люстре они светят
вниз, потолок будет оставаться тёмным, что может быть визуально некрасиво.
У
второго вида ламп прозрачный колпак имеет диаметр больше корпуса и лампа
немного светит и назад. Лампы на светодиодных нитях или прозрачных дисках
имеют такой же большой угол освещения, как обычные лампы накаливания.
Глава 2. Методы охлаждения светодиодной лампы
2.1. Различие в механизмах тепловыделения при работе традиционных ламп
накаливания и светодиодных (LED) ламп
Все чаще на предприятиях и в обычных домах встречаются светодиодные
лампы, эффективные энергосберегающие устройства без
ртути, которые
позволяют освещать помещения благодаря безопасному источнику света.
Светодиодные лампы не имеют инфракрасного излучения, которое само по
себе безвредно, однако может вызывать помехи в некоторых устройствах.
Освещение другими видами ламп 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. Это может обезопасить человека от
возможных проблем со здоровьем, которые может быть вызвано UV–излучением4.
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.
Таким
образом,
отсутствие
вредных
излучение
позволяет
использовать
светодиодные лампы, для производственных и личных нужд с гарантией
безопасности и возможность простой утилизации устройств без вреда для людей и
окружающей среды.
Обычная лампа накаливания во время работы имеет свойство сильно греться,
что
приносит
неудобства
и
говорит
о
низкой
энергоэффективности.
Интенсивность выделяемого тепла у светодиодных ламп существенно ниже, чем у
ламп накаливания и галогеновых ламп.
Главной проблемой светодиодов является отвод тепла выделяемого LED –
кристаллом. Большая часть тепла (> 90 %) передается на его металлическую
подложку за счет теплопроводности. Лишь 5 % тепла уходят в виде теплового
излучения (Рисунок 17). С повышением 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. Хотя эффективность светодиодного светильника в два раза выше, чем
у лампы накаливания, его охлаждение должно быть разработано так, чтобы
справиться с в три раза большим потоком подводимого тепла.
Рисунок 17.
Буквально с точностью до наоборот выделяется тепло от обычных ламп
накаливания: 90 % – излучением, 5 % – теплопроводностью в цоколь (Рисунок
17). 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, причем в кристалле возникают тепловые
потери. При благоприятном тепловом режиме 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
принудительно 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.
5Энергетическая эффективность светодиодов (КПД) – отношение мощности излучения (в Ваттах) к электрической
Почти 3/4 электроэнергии, потребляемой светодиодом, преобразуется в тепло и
только 1/4 – в свет. 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 (Рисунок 18).
Рисунок 18.
2.2. Теплопередача. Виды теплопередачи
Теплопередача – физический процесс передачи тепловой энергии от более
горячего тела к менее горячему, либо непосредственно (при контакте), или через
разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала.
потребляемой мощности (в светотехнической терминологии это энергетическая отдача излучения – η e).
Теплопроводность – способность материальных тел к переносу энергии
(теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела,
осуществляемому
хаотически
движущимися
частицами
тела
(атомами,
молекулами, электронами). Такой теплообмен может происходить в любых телах с
неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет
зависеть от агрегатного состояния вещества.
Процесс теплопроводности неразрывно связан с распределением температуры
внутри тела. Поэтому при его изучении прежде всего необходимо установить
понятия температурного поля и градиента температуры.
Температура, как известно, характеризует тепловое состояние тела и
определяет степень его нагретости. Так как 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)
Совокупность значений температуры для всех точек пространства в данный
момент времени называется температурным полем. Уравнение (1) является
математическим выражением такого поля. При этом, если температура меняется
во времени, поле называется неустановившимся (нестационарным), а если не
меняется – установившимся (стационарным). Температура может быть функцией
одной, двух и трех координат. Соответственно этому и температурное поле
называется одно-, двух- и трехмерным. Наиболее простой вид имеет уравнение
одномерного стационарного температурного поля:
t=t(x)
(2)
При любом температурном поле в теле всегда имеются точки с одинаковой
температурой. Геометрическое место таких точек образует изотермическую
поверхность. Так как 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. Следовательно, изменение температуры в теле наблюдается лишь в
направлениях,
пересекающих
изотермические
поверхности
(например,
направление x, Рисунок 19). При этом 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 и обозначается одним из
следующих символов:
lim∆n→0∆t∆n=∂t∂n=grad t=
t
(3)
Рисунок 19.
Температурный градиент является вектором, направленным по нормали к
изотермической поверхности в сторону возрастания температуры, °С/м.
Теплота самопроизвольно переносится только в сторону убывания
температуры.
Количество
теплоты,
переносимое
через
какую-либо
изотермическую поверхность в единицу времени, называется тепловым
потоком Q. Тепловой поток, отнесенный к единице площади изотермической
поверхности, называется плотностью теплового потока q. Плотность теплового
потока
есть
вектор,
направление
которого
совпадает
с
направлением
распространения теплоты в данной точке и противоположно направлению
вектора температурного градиента (Рисунок 20).
Рисунок 20.
Изучая процесс теплопроводности в твердых телах, Фурье экспериментально
установил, 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 записать:
q=-λgrad t
(4)
Уравнение (4) является математическим выражением основного закона
теплопроводности – закона Фурье. Этот закон лежит в основе всех теоретических
и экспериментальных исследований процессов теплопроводности.
Коэффициент пропорциональности λ в уравнении (4) называется
коэффициентом теплопроводности. Он является физическим свойством
вещества и характеризует его способность проводить теплоту:
λ=-qgrad t=QFτ∆t/l
(5)
Для различных веществ коэффициент теплопроводности λ различен и в общем
случае зависит от структуры, плотности, влажности, давления и температуры. Все
вместе
взятое
затрудняет
выбор
правильного
значения
коэффициента
теплопроводности. Поэтому при ответственных расчетах значение коэффициента
теплопроводности
следует
определять
путем
специального
изучения
применяемого материала. В технических же расчетах значения коэффициента
теплопроводности обычно берутся по справочным таблицам. При этом надо
следить лишь за тем, чтобы физические характеристики материала (структура,
плотность, влажность, температура, давление) были соответственны. Так как при
распространении теплоты температура в различных частях тела различна, то в
первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от
температуры. Для большого числа материалов эта зависимость оказывается почти
линейной, то есть можно принять:
λ=λ01+bt-t0
(6)
где λ0 – коэффициент теплопроводности при температуре t0; b – постоянная,
определяется опытным путем.
В системе СИ единицей измерения коэффициента теплопроводности
является Вт/(м·K).
Конвекция (от лат. Convectiō – «перенесение») – вид теплообмена, при
котором внутренняя энергия передается струями и потоками. Здесь процесс
переноса теплоты неразрывно связан с переносом самой среды. Поэтому
конвекция возможна лишь в жидкостях и газах, частицы которых могут легко
перемещаться.
По природе возникновения различают два вида движения – свободное и
вынужденное. Свободным называется движение, происходящее вследствие
разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости в гравитационном
поле. Возникновение и интенсивность свободного движения определяются
тепловыми условиями процесса и зависят от рода жидкости, разности температур,
напряженности гравитационного поля и объема пространства, в котором
протекает процесс. Свободное движение называется также естественной
конвекцией. Вынужденным называется движение, возникающее под действием
посторонних возбудителей, например насоса, вентилятора. В общем случае
наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное.
Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур
в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.
Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом
теплоотдачи α, который определяется по 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).
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)
В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль
поверхности теплообмена, и поэтому различают средний по поверхности
коэффициент теплоотдачи и местный (локальный) коэффициент теплоотдачи,
соответствующий единичному элементу поверхности.
Тепловое излучение – электромагнитное излучение, возникающее за счёт
внутренней энергии тела. Имеет сплошной спектр, расположение и интенсивность
максимума которого зависят от температуры тела. Природа тепловых и световых
излучений одна и та же. Разница между ними лишь в длине волны; световые лучи
имеют длину волны 0,4–0,8, а тепловые 0,8–800 мкм. Законы же распространения,
отражения и преломления, установленные для световых лучей, справедливы и для
тепловых. Поэтому, чтобы лучше себе представить какие-либо сложные явления
теплового излучения, всегда закономерно проводить аналогию 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. При попадании на другие тела эта энергия
частью поглощается, частью отражается и частью проходит сквозь тело. Та часть
лучистой энергии, которая поглощается телом, снова превращается в тепловую. Та
часть энергии, которая отражается, попадает на другие (окружающие) тела и ими
поглощается. То же самое происходит и с той частью энергии, которая проходит
сквозь тело. Таким образом, после ряда поглощений энергия излучения
полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое
тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает лучистую
энергию.
В результате этих явлений, связанных с двойным взаимным превращением
энергии (тепловая-лучистая-тепловая), и осуществляется процесс лучистого
теплообмена. Количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты определяется
разностью между количествами излучаемой и поглощаемой телом лучистой
энергии. Такая разность отлична от нуля, если температура тел, участвующих во
взаимном обмене лучистой энергией, различна.
При одинаковой температуре этих тел вся система находится в так называемом
подвижном тепловом или термодинамическом равновесии. В этом случае все тела
системы также излучают и поглощают, только для каждого из них приход
лучистой энергии равен ее расходу.
Суммарное излучение, проходящее через произвольную поверхность F в
единицу времени, называется потоком излучения Q, Вт. Лучистый поток,
испускаемый с единицы поверхности по всем направлениям полусферического
пространства, называется плотностью потока излучения Е, Вт/м2:
E=dQdF
(9)
Поток излучения и плотность потока излучения содержат лучи различных длин
волн, поэтому эти характеристики излучения также называются интегральными.
Излучение, соответствующее узкому интервалу изменения длин волн от λ до
λ+dλ, называется монохроматическим.
Пусть из всего количества энергии Q0, падающей на тело, часть QA
поглощается, часть QR отражается и часть QD проходит сквозь тело (Рисунок 21),
так что:
QA+QR+QD=Q0
Деля обе части этого равенства на Q0, получаем:
QA/Q0+QR/Q0+QD/Q0=1
(10)
или
A+R+D=1
Первый член соотношения характеризует собой поглощательную способность А,
второй – отражательную способность R и третий – пропускательную способность
тела D. Все эти величины имеют нулевую размерность и изменяются лишь в
пределах от 0 до 1.
Рисунок 21.
Если А = 1, то R = 0 и D = 0; это означает, что вся падающая лучистая энергия
полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными.
Если R = 1, то А = 0 и D = 0; это означает, что вся падающая лучистая энергия
полностью отражается. При этом если отражение правильное 6, тела называются
зеркальными; если же отражение диффузное – абсолютно белыми.
Если D = 1, то А = 0 и R = 0; это означает, что вся падающая лучистая энергия
полностью проходит сквозь тело. Такие тела называются прозрачными или
диатермичными.
Абсолютно черных, белых и прозрачных тел в природе нет; в применении к
реальным телам эти понятия условны. Значения А, R и D зависят от природы тела,
его температуры и спектра падающего излучения. Например, воздух для тепловых
лучей прозрачен, но при наличии в нем водяных паров или углекислоты он
становится полупрозрачным. Вместе с этим имеются тела, которые прозрачны
лишь для определенных длин волн. Так, например, кварц для тепловых лучей (λ>4
мкм) непрозрачен, а для световых и ультрафиолетовых прозрачен. Каменная соль,
наоборот, прозрачна для тепловых и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей.
Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для ультрафиолетовых
оно почти непрозрачно.
То же относится и к понятиям поглощения и отражения. Белая по цвету
поверхность хорошо отражает лишь световые лучи. В жизни это свойство широко
используется: белые летние костюмы, белая окраска вагонов-ледников, цистерн и
других сооружений, где инсоляция нежелательна. Невидимые же тепловые лучи
белые ткань и краска поглощают так же хорошо, как и темные. Для поглощения и
отражения тепловых лучей большее значение имеет не цвет, а состояние
поверхности. Независимо от цвета отражательная способность гладких и
полированных поверхностей во много раз выше, чем шероховатых.
6Правильным называется такое отражение, которое следует законам геометрической оптики.
2.3. Важность эффективного отвода тепла в светодиодной светотехнике
В отличие от традиционных ламп накаливания и газоразрядных ламп,
современные светодиоды чувствительны к высоким температурам по следующим
причинам:
– во-первых, при перегреве светодиода уменьшается его эффективность, падает
световой поток, изменяется цветовая температура, а срок службы может
сокращаться в разы;
– во-вторых, при температуре 80 °С интенсивность свечения падает примерно
на 15 % в сравнении с интенсивностью при комнатной температуре. Как результат,
светильник с 20-ю светодиодами при температуре 80 °С может иметь световой
поток, эквивалентный потоку от 17-ти светодиодов при комнатной температуре.
При температуре перехода равной 150 °С интенсивность света светодиодов может
упасть на 40 %;
– в-третьих, у светодиодов присутствует отрицательный температурный
коэффициент прямого напряжения, то есть при повышении температуры
происходит уменьшение прямого напряжения светодиодов. Обычно этот
коэффициент составляет от -3 до -6 мВ/K, поэтому прямое напряжение типичного
светодиода может составлять 3,3 В при +25 °C и не более 3 В при +75 °C. Если
источник питания не позволяет снижать ток на светодиодах, то это может
привести к ещё большему перегреву и выходу светодиодов из строя. Кроме того,
многие источники питания для светодиодных светильников рассчитаны на
температуру эксплуатации до +70 °С.
Таким образом, для эффективной работы многих светодиодных устройств
важно обеспечить температуру не более 80 °С как в области p-n перехода
светодиодов, так и в области источника питания. Несоблюдение рекомендуемого
температурного режима может привести к потере количества и качества света,
увеличению стоимости света от светодиодного устройства, а также сокращению
жизни прибора.
Обеспечение эффективного теплоотвода в светодиодной (LED) светотехнике –
одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед разработчиками и
производителями данной продукции.
2.4. Реализация теплоотвода в светодиодной светотехнике
Наиболее распространённым способом отведения избыточного количества
тепла от мощных светодиодов и микросхем является его передача на печатную
плату (в том числе и платы с металлическим основанием - MC PCB, AL PCB, IM
PCB), подложку или другие конструктивные элементы электронного устройства.
Также применяется установка радиатора на перегревающийся компонент (или
перегревающегося компонента на радиатор), что увеличивает площадь лучистого
и конвекционного обмена. Затем тепло передается в окружающую среду
преимущественно при помощи конвекции. Это относительно 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 (Рисунок 22).
Как результат – контакт между плоскостями происходит точечно, что существенно
увеличивает тепловое сопротивление перехода.
Рисунок 22. Схематичное изображение контакта двух поверхностей.
Важно помнить, что воздух имеет коэффициент теплопроводности около 0,02
Вт/(м·K), что крайне мало, и примерно в 40 раз меньше, чем у типичных
теплопроводящих паст. Таким образом, в связи с наличием воздуха между
контактирующими поверхностями возникает высокое сопротивление тепловому
потоку, и эффективность отвода тепла существенно падает. 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 23).
Рисунок 23. Уровни теплопередачи в светодиодном устройстве.
Уровень 1: передача тепла от светодиода на печатную плату или основание.
Этот уровень характеризуется очень малой площадью теплового потока и
относительно большим количеством передаваемого тепла. Таким образом, 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. Альтернативой пайке может служить применение теплопроводящих
клеев или паст с высокой теплопроводностью (до 7 Вт/(м·K) для материалов Dow
Corning).
Уровень 2: 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.
Для
обеспечения
теплопередачи на втором уровне 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.
Когда светодиоды устанавливаются непосредственно на радиатор, первый и
второй
уровни
теплопередачи
совпадают.
В
этом
случае
в
качестве
теплопроводящего материала можно использовать теплопроводящие пасты или
клеи с высокой теплопроводностью.
2.5. Эффективные методы теплоотвода в светодиодных (LED) лампах
Для отвода тепла в светодиодной светотехники применяются
теплопроводящие пасты. Важно учитывать, что для использования в
современных
светодиодных
устройствах
теплопроводящие
пасты
должны иметь широкий диапазон рабочих температур. Для уличного
светильника такой диапазон может 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 (Рисунок 24).
Рисунок 24. 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.
Параметры
Dow Corning.
SE 4420
Dow Corning.
SE 4486
Dow Corning.
3-6752
Вязкость7, сП
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.
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.
Часто для решение проблемы 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 большинстве случаев
замкнутое пространство под защитным стеклом светильника остается заполнено
воздухом, поэтому при определенных условиях под стеклом светильника может
образовываться конденсат (Рисунок 25). 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 25.
Многие производители для защиты устройства всё чаще используют
теплопроводящие заливочные компаунды (Рисунок 26). 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.
Рисунок 26.
Хорошим решением для заливки светодиодного устройства могут быть
силиконовые компаунды Sylgard 160 и Sylgard 170. Материалы характеризуются
теплопроводностью до 0,6 Вт/(м·K) и возможностью полимеризации при любой
глубине заливки. Время полимеризации компаундов составляет несколько минут
при повышенной температуре (4 минуты при 100 °С). Также возможна
полимеризация и при комнатной температуре, но время отверждения будет
дольше. Основные различия озвученных материалов в том, что Sylgard 170 более
текучий (2000 сП против 6000 сП у Sylgard 160). Это определяет выбор компаунда
для решения конкретной задачи.
Кроме того, 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 27). 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.
Рисунок 27.
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 28).
Таблица 2. Линейка теплопроводящих подложек Dow Corning.
Продукт
Dow Corning
Отличительные особенности
Теплопроводность,
Вт/(м·K)
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.
Рисунок 28. Применение теплопроводящих подложек.
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 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.
2.6. Типы радиаторов светодиодных ламп
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 сопротивление8 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)
8Термическое сопротивление – тепловое сопротивление, способность тела (его поверхности или какого-либо слоя)
препятствовать распространению теплового движения молекул.
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 (Рисунок 29) 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.
Рисунок 29.
Для примера рассчитаем
тепловое
сопротивление
радиатора,
обеспечивающего охлаждение транзистора IRFP250N (Рисунок 29). 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:
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 (Рисунок 30); имеет гладкую тонкую поверхность из
алюминия, для дополнительного отвода тепла в корпусе могут присутствовать
вентиляционные отверстия; алюминиевые радиаторы обычно покрываются
лаком или краской;
Рисунок 30.
– алюминиевый радиатор с ребрами для светодиодных ламп (Рисунок 31);
алюминиевый радиатор с ребрами обладает достаточно высоким
теплоотводом, ребра, размещённые по всей площади радиатора
значительно улучшают теплоотвод;
Рисунок 31.
– керамический радиатор LED лампы (Рисунок 32); керамические радиаторы
достаточно эффективный способ охлаждения, также керамика в отличие от
алюминия – диэлектрик, не проводит ток, что позволяет размещать модули
светодиодов прямо на радиаторе;
Рисунок 32.
– композитный радиатор LED лампы (Рисунок 33); 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;
Рисунок 33.
– пластиковый радиатор LED лампы (Рисунок 34); 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.
Рисунок 34.
2.7. Построение 3-D модели распределения температуры в радиаторе
и расчет его теплового сопротивления посредством программы ELCUT
Для решения данной задачи был выбран радиатор, имеющий развитую
трехмерную поверхность, для эффективного отвода тепла. Геометрия радиатора
представлена на рисунке, все размеры указаны в миллиметрах (Рисунок 35). На
рисунке видно, что радиатор имеет углубление, это площадка размером 20x20
мм, здесь размещается микропроцессор.
Рисунок 35.
В результате решения данной задачи, мы рассчитаем тепловое сопротивление
данного радиатора, а так же получим картинку температурного поля внутри
радиатора.
Физические свойства, используемые для решения данного примера:
– теплопроводность металла λ = 270 Вт/(K·м);
– коэффициент конвекции α = 15 Вт/(K·м2);
– температура охлаждающего воздуха T0 = 20 °C;
– тепловой поток Q = 10 Вт.
Шаг 1. Открывает программу ELCUT и создаем новую задачу: Файл – Создать
задачу (Рисунок 36).
Рисунок 36.
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 37).
Рисунок 37.
Шаг 3. Открывается новое диалоговое окно, в котором мы указываем
следующие параметры (Рисунок 38):
– 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.
Рисунок 38.
Шаг 4. Затем импортируем геометрию радиатора, для этого нажимаем
кнопку
–
Импорт,
затем
выбираем
необходимый
файл,
и
нажимаем
кнопку – Открыть (Рисунок 39).
Рисунок 39.
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 40).
Рисунок 40.
Переходим в раздел свойства метки тела, где задаем теплопроводность равную
270 Вт/(K·м) и нажимаем кнопку – Ок (Рисунок 41).
Рисунок 41.
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 = 15 Вт/(K·м2) и температура охлаждающего
воздуха T0 = 20 °C (Рисунок 42).
Рисунок 42.
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. В ELCUT задается поверхностная плотность теплового
потока [Вт/м2]. Поэтому следует разделить полный тепловой поток Q [Вт] на
площадь контактной площадки (которая составляет 20мм x 20мм = 0.0004 м2),
таким образом получаем: q=100,0004 Вт/м2 (Рисунок 43).
Рисунок 43.
Шаг 8. Выделяем полностью нашу модель радиатора и в свойствах, в разделе
тело, поставим метку – Радиатор (Рисунок 44). 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 45). Далее выделяем только нижнюю
площадку и для нее в свойствах, в разделе грань, поставим метку – Тепловой
поток (Рисунок 46).
Рисунок 44.
Рисунок 45.
Шаг 9. Следующим шагом является разбиение модели на узловые элементы
(построение сетки). Для верхней части нашей модели в свойствах, в разделе
вершины, ставим шаг сетки – задан в ручную, и пишем значение равное 0,003 м
(Рисунок 47).
Рисунок 46.
Рисунок 47.
Шаг 10. Для нижней части нашей модели в свойствах, в разделе вершины,
ставим шаг сетки – задан в ручную, и пишем значение равное 0,004 м, чтобы
посмотреть сетку, нажимаем кнопку – Объемная сетка (Рисунок 48).
Рисунок 48.
Шаг 11. Итак, наша задача полностью готова к запуску на решение. Сохраняем
все файлы задачи и нажимаем кнопку – Решить (Рисунок 49).
Рисунок 49.
После окончания решения мы переходим в окно анализа результата (Рисунок
50). 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 55,993 °C и 53,643 °C.
Тепловое сопротивление есть отношение разницы температур к величине
теплового потока. Таким образом, тепловое сопротивление нашего радиатора
равно:
R=55,993-53,64310=0,235°С/Вт
Рисунок 50.
Глава 3. Новейшие технологии в светодиодной светотехнике
3.1. Полимерная подложка и тончайший слой из оксида тантала.
Производство светодиодов на кремниевых подложках
Недавно, журнал Nature Photonics опубликовал результаты последних
исследований ученых из Торонто, которым удалось изобрести дешевые и еще
более гибкие органические светодиоды (OLED). В новой технологии стандартная
подложка из тонкого гнущегося стекла заменена на полимерный материал, на
который нанесены мельчайшие органические LED светильники.
Ранее при производстве OLED – дисплеев в качестве подложки использовалось
только специальное стекло с примесями тяжелых металлов. Это позволяло
производить яркие и сверхконтрастные экраны, но отрицательно влияло на
стоимость конечного продукта. Ведь именно высокая цена до сих пор тормозит
начало массового появления данных моделей на рынке. В то же время,
стандартные OLED – дисплеи достаточно тяжелые и хрупкие, что также можно
отнести к их недостаткам.
Помимо полимерной подложки, в состав новых образцов входит тончайший
слой из оксида тантала, который обеспечивает экрану высокий коэффициент
преломления. Новая технология помогла ученым добиться высокого качества
гибких дисплеев, по характеристикам сравнимых, и даже превосходящих,
стандартные OLED – разработки.
Несколько компаний по производству светодиодных ламп заявили о том, что
внедряют
в
свои
технологические
процессы
производства
светодиодов
кремниевые подложки, вместо сапфировых. Данный вид подложек дает малое
количество ростовых дефектов, что снижает стоимость светодиодов на 75
процентов как минимум.
До настоящего времени кремниевая проблема состояла в том, что при
осаждении нитридов галлия на подложку они могли трескаться во время
охлаждающего процесса. Это сильно волновало производителей, и только молодая
компания Bridgelux нашла технологию, при которой нитрид галлия расширяется
при скоростях больше, чем у кремния. Но это только половина решенной
проблемы.
Проблема разного теплового расширения между нитридом галлия и кремния
решена следующим образом: выращивается дополнительная пленка (алюминий
и нитрид галлия) вокруг нитрида галлия. На базе, которого и делается светодиод.
Это снижает колебания линейных размеров в период охлаждения.
3.2. Рациональное применение драйверов
Чем больший ток проходит через светодиод, тем больше электронов и дырок
поступают в зону рекомбинации в единицу времени, тем он светит ярче. Но ток
нельзя увеличивать до бесконечности. Из-за внутреннего сопротивления
полупроводника и p-n перехода диод перегреется и выйдет из строя. Поэтому ток
необходимо стабилизировать с помощью конвертора (или драйвера) для
светодиода.
Драйвер светодиода – это микросхема, специально разработанная для питания
и управления светодиодам. Чтобы преодолеть трудности в питании светодиодов,
необходимо использовать драйвера со встроенными стабилизаторами тока, то есть
со стабилизаторами тока светодиода и как следствие стабилизацией яркости и
цвета свечения.
Одно из самых распространенных заблуждений, это заблуждение о высокой
стоимости применения драйверов. Там где драйвера действительно сильно влияют
на стоимость конечного изделия – в светодиодных экранах – там они давно и с
успехом применяются. Можно сказать, что отечественное внедрение драйверов и
началось со светодиодных экранов, там они и составляют львиную долю
себестоимости и эта «львиная доля» составляет всего 10 – 12 %.
В других изделиях, начиная с бегущих строк и заканчивая приборами с семисегментными индикаторами, матрицами и индикаторными светодиодами, влияние
не столь велико, а иногда применение драйверов и более эффективно, особенно
когда используются микроконтроллеры для управления светодиодами. Да и низкая
стоимость драйверов не оказывает существенного влияния на себестоимость
таких изделий, а качественные показатели увеличиваются значительно.
Исходя из того, что каждая стандартная схема управления светодиодами имеет
логические микросхемы, транзисторы, резисторы, а иногда и микроконтроллеры –
их себестоимость надо вычесть из себестоимости изделия, учитывая изменение
себестоимости, уменьшаются затраты на драйвер, затем печатная плата
упрощается (повышается надежность), уменьшается размер печатной платы
(уменьшается стоимость). Светодиод же, в свою очередь, отдает все, на что
рассчитан. Ремонт, настройка, замена сгоревших светодиодов, возврат брака –
увеличивают стоимость изделий без драйверов значительно больше.
Регистры с мощными выходными каскадами, не имеющими стабилизации тока,
такие как TPIC6B595, во-первых давно должны быть заменены из-за их
морального устаревания, ну а потом, что за смысл использовать драйвер без
стабилизации тока, когда он фактически эквивалентен по работе значительно
более дешевым резисторам и по цене близок к драйверам постоянного тока.
Одним из приемов уменьшения количества драйверов, особенно для целей
освещения
–
является
последовательной
соответствия
последовательное
цепочки
технической
задается
соединение
исходя
документации.
из
Однако,
ваших
есть
светодиодов.
предпочтений
большой
Ток
и
минус
применения последовательных схем без драйверов, так как из-за большого
напряжения накапливается разброс падений напряжений в обе стороны
и соответственно без стабилизации тока, то есть без драйверов вообще не
обойтись.
Заключение
Благодаря высокому световому потоку и длительному сроку жизни (порядка
десятков тысяч, а то и сотен тысяч часов), светодиодные светильники являются
очень конкурентоспособным решением. Тем не менее, у многих поставщиков и
производителей светодиодных светильников возникают трудности при работе с
новыми мощными светодиодами (от 20 Вт). И особенно частой проблемой
является проектирование правильного и надежного отвода тепла. Неверно
выбранный
тепловой
режим
работы
светодиода
может
привести
к
нежелательным последствиям. В первую очередь, перегрев может привести к
выходу светодиода из строя. В отличие от ламп накаливания, которые могут
работать при температуре до 2500 °C, светодиоды значительно холоднее, и
многие удивляются, тому, что тепло может представлять собой такую большую
проблему.
Не
в
последнюю
очередь
из-за
использования
технологии
полупроводников они выдерживают максимально около 100 °C.
Надежность и долговечность работы светодиодных устройств напрямую
зависит от качества проектирования системы охлаждения, вот почему так важно
уделить особое внимание проектированию надежного теплоотвода. Для
охлаждения маломощных светодиодных систем будет вполне достаточно
обычного радиатора, для отвода тепла от мощных светильников в некоторых
случаях может потребоваться активное охлаждение. Также при разработке новых
осветительных устройств настоятельно рекомендуется проводить расчеты и
моделирование системы охлаждения.
В данной работе было изучено строение, характеристики, технологии
изготовления
светодиодов,
исследовались
основные
методы
охлаждения
светодиодной лампы, описан метод построения 3-D модели 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 светодиодной светотехнике – 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.
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.
2. Коган Л. М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. 1983. – 56 с.
3. Абрамов В. С. Светодиоды и лазеры, «Белые светодиоды»: журнал, 2002, № 2 –
25-28 с.
4. Петер Маркс. Технические особенности применения светодиодов: журнал
“Light”, 2009, №3 – 184-188 с.
5. Давиденко Ю. Н. 500 схем для радиолюбителей. Современная схемотехника в
освещении, 2008. – 50-55 с.
6. Юнович А. Э., Светит больше – греет меньше, Экология и жизнь, 2003, № 4, 6164 с.
7. Постановление Правительства РФ от 22 июля 2013 г. N 614 «О порядке
установления и применения социальной нормы потребления электрической
энергии и о внесении изменений в некоторые акты Правительства РФ по
вопросам
установления и
применения социальной
нормы
потребления
электрической энергии».
8. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи, 1977. – 344 с.
9. Гребер Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. М. Изд-во иностр.
лит., 1958. – 568 с.
10. Гухман А. А. Физические основы теплопередачи, 1934. – 315 с.
11. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М., «Энергия»,
1969. – 439 с.
12. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа», 1967. – 599 с.
13. Алфёров Ж.И., Физика и техника полупроводников, 1998.
14. ГОСТ 29137-91 Формовка выводов и установка изделий электронной техники
на печатные платы. Общие требования и нормы конструирования – М.: ИПК
Издательство стандартов, 2004.
15. ГОСТ Р 53429-2009 Платы печатные. Основные параметры конструкции – М.:
Стандартинформ, 2010.
16. http://www.ylati.ru/i/images/led/XR-E.pdf – онлайн библиотека технической
документации ОАО «Светодиод».
17. http://alltransistors.com/pdfview.php?doc=ixta8n50p_ixtp8n50p.pdf&dire=_ixys –
онлайн библиотека технической документации сайта alltransistors.com
Приложение 1.
История создания светодиодов
В 1907 году английский инженер Х. Д. Раунд, трудившийся во всемирно
известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора
вокруг точечного контакта возникает свечение. Всерьез же заинтересовался этим
физическим явлением и попытался найти ему практическое применение О. В.
Лосев.
Обнаружив в 1922 году во время своих ночных радиовахт свечение
кристаллического детектора, перешёл к оригинальным экспериментам. Стремясь
получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт
диодного детектора ток от батарейки. Лосев писал: «У кристаллов карборунда
(полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при
токе через контакт всего 0,4 мА».
В 1951 г. центр по разработке «полупроводниковых лампочек», действующих
на основе «эффекта Лосева», был создан в Америке, где его возглавил К. Леховец.
В исследовании проблем, связанных со светодиодами, принял самое деятельное
участие и «отец транзисторов» физик В. Шокли. Вскоре выяснилось, что
германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые
триоды (транзисторы), бесперспективны для светодиодов
из-за слишком
большой «работы выхода» и, соответственно, слабого испускания фотонов на p-n
переходе. Успех же сопутствовал монокристаллам из сложных композитных
полупроводников – соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (Р), индия
(In), алюминия (Al) и других элементов.
Однако реализованы на практике эти идеи были лишь в 60-70-е годы, после
обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа
AIIIBV – фосфида (GaP) и арсенида (GaAs) галлия и их твёрдых растворов. В
итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент
новой отрасли техники – оптоэлектроники.
Первые имеющие промышленное значение светодиоды с красным и жёлтозелёным свечением были созданы в 60-е годы на основе структур GaAsP/GaP
Ником Холоньяком (США). Внешний квантовый выход был не более 0,1 %. Длина
волны излучения этих приборов находилась в пределах 500-600 нм – области
наивысшей чувствительности человеческого глаза, – поэтому яркость их жёлтозелёного излучения была достаточной для целей индикации. Световая отдача
светодиодов при этом составляла приблизительно 1-2 лм/Вт.
Дальнейшее совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям
– увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения.
Велик вклад в эту работу российских учёных, в частности, Ж. И. Алферова с
сотрудниками, ещё в 70-е годы разработавших так называемые многопроходные
двойные
гетероструктуры,
позволившие
значительно
увеличить
внешний
квантовый выход. Использовались гетероструктуры на основе арсенидов галлияалюминия, при этом был достигнут внешний квантовый выход до 15 % для
красной части спектра (световая отдача до 10 Лм/Вт) и более 30 % – для
инфракрасной. Показателен факт присуждения Ж. И. Алферову Нобелевской
премии в 2000 году, когда стали очевидными важность и огромное значение его
работ для развития науки и техники.
Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов,
излучающих в синем диапазоне. Попытки реализовать синие и зелёные
светодиоды и лазеры были связаны с использованием кристаллов нитрида галлия
GaN и селенида цинка ZnSe.
У светодиодов на основе SiC оказался слишком мал КПД и низок квантовый
выход излучения (то есть число излучённых квантов на одну рекомбинировавшую
пару). У светодиодов на основе твёрдых растворов селенида цинка ZnSe
квантовый выход был выше, но они перегревались из-за большого сопротивления
и служили недолго. Оставалась надежда на нитриды. Исследования свойств
нитридов элементов группы III (AlN, GaN, InN) и их сплавов, представляющих
собой широкозонные полупроводники с прямыми оптическими переходами,
позволили заключить, что они являются наиболее перспективными материалами
для изготовления свето- и лазерных диодов, излучающих во всей видимой и
ультрафиолетовой (240..620 нм) областях спектра.
Основной причиной, препятствовавшей получению высококачественных
пленок GaN, было отсутствие подходящих подложек, параметры решётки и
коэффициент теплового расширения которых соответствовали бы GaN. Долгое
время такие плёнки выращивали на сапфире (рассогласование решеток 13,5 %),
достоинствами которого являются лишь термическая стойкость и возможность
очистки перед началом роста. Другая проблема – получение кристаллов p-типа.
Первые работы в этом направлении были начаты ещё в 60-е годы XX века, однако
все попытки надёжно внедрить элементы группы II (Mg, Zn, Be) как примеси
замещения, которые бы действовали как акцепторы, завершились неудачей.
Ещё в 70-х годах группа Дж. Панкова из лаборатории компании IBM создала
фиолетовые и голубые диоды на основе эпитаксиальных пленок нитрида галлия
(GaN) на сапфировой подложке. Квантовый выход был достаточен для практики
(доли процента), но срок их службы был ограничен. В p-области p-n перехода
концентрация дырок была мала, и сопротивление диодов из-за высокой
концентрации дефектов оказалось слишком большим, они довольно быстро
перегревались и выходили из строя. При этом Панкову так и не удалось
осуществить легирование p-типа.
В начале 80-х годов Г.В. Сапарин и М.В. Чукичев в Московском
государственном университете им. М.В. Ломоносова обнаружили, что после
действия электронного пучка образец GaN, легированный Zn, становится ярким
люминофором. Но причину яркого свечения – активацию акцепторов Zn под
влиянием пучка электронов – тогда понять не удалось.
Эту причину раскрыл И. Акасаки из Нагойского университета. Из многих его
достижений выделим два основных, сделанных в 80-е годы XX века. Он
предложил включить между сапфиром и активным слоем буферный слой AlN, что
отчасти снимало проблему несоответствия решёток, и уже в 1986 году получил
пленки GaN высокого качества. А в 1989 году счастливый случай помог ему
вместе с его аспирантом H. Амано впервые изготовить образец p-типа. Изучая под
электронным микроскопом легированную Mg плёнку GaN, И. Акасаки и H. Амано
обнаружили свечение образца после бомбардировки электронами.
Завершив электронно-микроскопические исследования, они установили, что
образец приобрёл проводимость p-типа, и связали это с воздействием
электронного пучка на плёнку, способствовавшим замещению атомов Ga атомами
Mg. Авторы заявили патент на эффективное легирование GaN p-типа. К тому
времени большинство исследователей прекратили работать с GaN, и сообщение И.
Акасаки почти не привлекло внимания. Но эти работы не оставил без внимания
Шуджи Накамура из фирмы Nichia Chemical, который и совершил прорыв в
изготовлении голубых светодиодов.
Узнав о важном достижении И. Акасаки по получению материала p-типа, Ш.
Накамура быстро воспроизвел этот результат, но при этом заметил, что облучение
образца электронным потоком приводило к небольшому его нагреву, и
предположил, что наблюдавшийся эффект мог быть просто результатом влияния
температуры. Подвергнув образец отжигу в атмосфере азота, он обнаружил, что
его сопротивление понизилось, и таким образом выяснил, что эффект был не
следствием обработки пучком электронов, а результатом прогрева.
Свой первый синий светодиод Накамура изготовил 28 марта 1991 года. Он
оставил диод включённым, когда уходил домой, а после бессонной ночи, придя
рано утром в лабораторию, увидел, что диод ещё светит. И хотя излучение было
не очень ярким, это была победа. Два с половиной года спустя после
многочисленных улучшений Накамура изготовил диоды, излучавшие с силой
света 1000 мккд, а ещё через шесть месяцев компания объявила о выпуске 20 000
мккд диода, который излучал настолько ярко, что на него больно было смотреть.
29 ноября 1993 года компания Nichia Chemical Industries объявила, что
завершила разработку голубых светодиодов на основе GaN и планирует
приступить к их массовому производству. Первый коммерческий синий светодиод
был сделан Накамурой в начале 1994 года на основе гетероструктуры
InGaN/AlGaN с активным слоем InGaN, легированным Zn. Выходная мощность
составляла 3 мВт при прямом токе 20 мА с квантовым выходом 5,4 % на длине
волны излучения 450 нм. Вскоре после этого за счёт увеличения концентрации In
в активном слое был изготовлен зелёный светодиод, излучавший с силой света
2
кд. Он состоит из 3-нм активного слоя InGaN, заключённого между слоями pAlGaN и n-GaN, выращенными на сапфире. Такой тонкий слой InGaN сводит к
минимуму влияние рассогласования решёток: упругое напряжение в слое может
быть снято без образования дислокаций и качество кристалла остаётся высоким.
В 1995 году при ещё меньшей толщине слоя InGaN и более высоком
содержании In удалось повысить силу света до 10 кд на длине волны 520 нм, а
квантовую эффективность до 6,3 %, причём измеренное время жизни светодиодов
составляло 50 000 ч, а по теоретическим оценкам – более 106 ч (~150 лет!).
Накамура запатентовал ключевые этапы технологии, и к концу 1997 года фирма
Nichia выпускала уже 10..20 млн. голубых и зелёных светодиодов в месяц. Дела
компании стремительно понеслись вверх, доходы выросли с 20 млрд. иен в 1993 г.
до 116 млрд. иен в 2002 и порядка до 180 млрд. иен в 2003.
На сегодняшний день внешний квантовый выход излучения светодиодов на
основе GaN и его твёрдых растворов (InGaN, AlGaN) достиг значений 29 %, 15 %,
12 %, соответственно для фиолетовых, голубых, зелёных светодиодов; их
светоотдача достигла значений 30..50 лм/Вт. Внутренний квантовый выход для
«хороших» кристаллов с мощным теплоотводом достигает почти 100 %, рекорд
внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55 %, а для
синих 35 %. Внешний квантовый выход излучения жёлтых и красных светодиодов
на основе твёрдых растворов AlInGaP достиг значений 25..55 %, а светоотдача
соответственно достигла 100 лм/Вт, т.е. сравнялась со светоотдачей лучших
современных люминесцентных ламп.
Приложение 2.
Характеристики светодиодов
1. Электрические и оптические характеристики светодиодов.
Светодиод – низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для
индикации, потребляет от 2 до 4 В постоянного напряжения при токе до 50 мА.
Светодиод,
который
используется
для
освещения,
потребляет
такое
же
напряжение, но ток выше – от нескольких сотен мА до 1 А в проекте. В
светодиодном
модуле
отдельные
светодиоды
могут
быть
включены
последовательно, и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно
12 или 24 В).
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор
может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно
составляет более 5 В для одного светодиода. Яркость светодиода характеризуется
световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности.
Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до
140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой
температурой, а также длиной волны излучения.
Для сравнения эффективности светодиодов между собой и с другими
источниками света используется светоотдача: величина светового потока на один
ватт электрической мощности. Также интересной маркетинговой характеристикой
оказывается цена одного люмена.
2. Чувствительность светодиода на повышение температуры.
Говоря о температуре светодиода, необходимо различать температуру на
поверхности кристалла и в области p-n-перехода. От первой зависит срок службы,
от второй — световой выход. В целом с повышением температуры p-n-перехода
яркость светодиода падает, потому что уменьшается внутренний квантовый выход
из-за влияния колебаний кристаллической решетки. Поэтому так важен хороший
теплоотвод.
Падение яркости с повышением температуры не одинаково у светодиодов
разных цветов. Оно больше у красных AlGalnP и желтых AeGaAs светодиодов, и
меньше у зеленых, синих и белых InGaN светодиодов.
3. Регулирование яркости светодиода.
Яркость светодиодов очень хорошо поддается регулированию, но не за счет
снижения напряжения питания – этого-то как раз делать нельзя, – а так
называемым методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), для чего
необходим специальный управляющий блок (реально он может быть совмещен с
блоком питания и конвертором, а также с контроллером управления цветом RGBматрицы). Метод ШИМ заключается в том, что на светодиод подается не
постоянный, а импульсно-модулированный ток, причем частота сигнала должна
составлять сотни или тысячи герц, а ширина импульсов и пауз между ними может
изменяться. Средняя яркость светодиода становится управляемой, в то же время
светодиод не гаснет. Небольшое изменение цветовой температуры светодиода при
диммировании несравнимо с аналогичным смещением для ламп накаливания.
Приложение 3.
Где сегодня целесообразно применять светодиоды
Появление сверх ярких белых диодов и постоянное снижение их рыночной
стоимости привлекли внимание многих производителей к данным источникам
света. Светодиоды стали использовать в качестве индикаторов режимов работы
электронных устройств, в подсветке жидкокристаллических экранов различных
приборов, в том числе – мобильных телефонов. Впоследствии применение
светодиодов основных цветов (красного, синего и зеленого) позволило получать
цвета вывесок фактически любых оттенков, а также конструировать из них
дисплеи с выводом полноцветной графики и анимации.
Применение светодиодов в устройствах отображения информации (дорожные
знаки, светофоры, информационные табло и т. д.) ведет к значительному
увеличению расстояния их восприятия человеческим глазом. Неслучайно во
многих крупных городах развитых стран уже нет обычных светофоров, а
светодиодные схемы используются в воздушных и надводных навигационных
системах. Различные сувениры, миниатюрные стенды и компактные табло,
украшенные светодиодной символикой компании, одноцветные дисплеи с
бегущей строкой, магистральные информационные табло, полноцветные дисплеи
для больших видео экранов, внутреннее и внешнее освещение в автомобилях,
грузовиках и автобусах,
дизайн помещений, дизайн мебели, архитектурная и
ландшафтная подсветка смотрятся на удивление выразительно и необычно.
Например, светодиодный фонарь «5aver» совместно с дыхательной маской спасут
людей от пожара.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа