Переход световой энергии светодиодов в тепловую энергию

Тепловой менеджмент LED светильников

Переход световой энергии светодиодов в тепловую энергию
(2 votes, average: 5,00 5)
Загрузка… в журнале Lumen&ExpertUnion №1 2014

Известно, что сейчас существует два препятствия для внедрения светодиодов в общее освещение — цена и то, как организовать тепловой менеджмент для мощных источников света. Если цена — вопрос времени (светодиоды стремительно дешевеют), то вопрос отвода тепла не решается так просто.

Из-за того, что многие производители светодиодных светильников пренебрегают тепловым менеджментом выпускаемой  ими продукции,  заявляемые ими характеристики являются, мягко говоря, не достоверными. Такие светильники выходят из строя, не прослужив гарантированного производителем срока эксплуатации, в них обычно указывается срок службы светодиодов (который указывают производители светодиодов).

Сейчас прослеживается тенденция к увеличению электрической мощности светодиодных светильников, а, следовательно, растет и выделяемая тепловая мощность светодиодов и драйверов тока. При этом ужесточаются требования к самому светильнику (геометрия, габариты, масса и т.д.), поэтому создание светодиодного светильника по дизайнерским решениям невозможно, так как требуются комплексные инженерные расчеты и оптимизация параметров, в т.ч. и грамотный тепловой менеджмент.

Регулярно приходится наблюдать продавцов, предлагающих покупателям прикоснуться к радиатору: «Если радиатор не горячий, значит теплоотвод хороший». Это утверждение в корне не верно — температура светодиода на радиаторе зависит не только от температуры радиатора, но и теплового сопротивления между светодиодом и радиатором.

Даже великолепный радиатор не спасет светодиод, если не будет хорошего теплового контакта между алюминиевой печатной платой и корпусом-радиатором. Условно надежный контакт между платой со светодиодами и радиатором может обеспечить теплопроводящая паста, которой заполняются воздушные промежутки между платой и радиатором.

При этом количество теплопроводящей пасты должно быть минимально.

Тепловой менеджмент: последовательность расчета

В основе любой тепловой модели лежит понятие теплового сопротивления. Передача тепла осуществляется от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур тел к мощности, рассеянной нагретым телом.

Такая модель очень удобна тем, что тепловыми сопротивлениями можно оперировать точно так же, как электрическими.
Основными исходными данными при решении задач теплового менеджмента являются температура светодиода, а если точнее — p-n-перехода (активной области) светодиодного кристалла и температура окружающей среды. Известно, что температура перехода, а также сила тока влияют на срок службы светодиода. Такие зависимости для своих светодиодов указывают производители светодиодов.

Если известно значение тока, при котором будет эксплуатироваться светодиод (например, 700 мА), а также желаемый ресурс (например, 50 тыс. часов), то из графика становится понятно, что в таком случае температура перехода должна поддерживаться не выше 110 °C. От этой «точки» мы и начнем расчет тепловых параметров конструкции.

Предположим, что в нашем случае тепловое сопротивление светодиода составляет 5 К/Вт (среднее значение для светодиодов в керамическом корпусе 3535). Для расчета разности температур p-n-переход — точка пайки потребуется значение тепловой мощности, выделяемой светодиодом. Как правило, ее принимают равной полной потребляемой мощности.

При токе 700 мА и прямом напряжении 3,4 В (значение, которое мы найдем в спецификации светодиода максимальное) мощность составит 2,38 Вт, а разность температур — 25 К. Стоит отметить, что, в случае светодиода, в основе конструкции которого лежит алюмооксидная керамика, тепловое сопротивление заметно увеличивается с ростом температуры.

Тепловое сопротивление обычно указывается для номинальной температуры 25 °C, а при 100 °C оно увеличится примерно на 20% и составит, например, 6 вместо 5 К/Вт (у светодиодов на керамической основе наиболее существенный вклад в тепловое сопротивление вносит именно керамика). Поэтому в нашем случае разность температур следует оценивать значением 30 °С, а не 25 °C. Следующий шаг — расчет теплового сопротивления платы.

В данном расчете рассматривается конструкция с использованием платы с металлической основой (MCPCB). В качестве основы в таких платах обычно используются алюминиевые сплавы. Металлизация выполняется стандартной медной фольгой, а для изготовления диэлектрического слоя между основанием и фольгой используется материал с улучшенными теплопроводящими свойствами.

Толщина этого материала обычно составляет от 50 до 200 мкм, теплопроводность — от 1 до 3 Вт/мхК. Тепло от светодиода проходит через интерфейс (припой) к медной металлизации. Из-за того, что она обычно имеет небольшую толщину (35 мкм), тепло по металлизации вдоль платы растекается слабо и проходит ниже через диэлектрический слой к алюминиевой основе. По диэлектрику тепло не растекается из-за низкой теплопроводности.

Растекание тепла от места установки светодиода, благодаря высокой теплопроводности (около 150 Вт/м?хК), обеспечивает алюминий. Исходя их этих предпосылок, будем считать, что площадь, через которую будет проходить тепло от светодиода до алюминиевой основы, практически равна площади контакта его основания с платой. Пусть в нашем примере площадь контакта будет составлять 10 мм2.

Тогда тепловое сопротивление платы:

Тепловой менеджмент: формула расчета

Разность температур между точкой пайки и алюминиевой основой при таком тепловом сопротивлении составит около 12 К. Итак, мы уже знаем, что для обеспечения температуры кристалла не выше 110 °C, температура алюминиевой основы платы не должна превышать 110–30–12=68 °C. Допустим, что тепло от платы будет отводиться через теплоотвод светильника (радиатор) на воздух.

Для этого нам потребуется подобрать такой теплоотвод, который обеспечит температуру на плате не выше 68 °C при допустимой температуре окружающей среды. Как правило, температура радиатора практически равна температуре установленной на нем металлической платы и может отличаться по поверхности примерно на 2–5 °C, поэтому примем температуру радиатора равной 65 °С.

С уличным освещением все не так однозначно. С одной стороны, на улице почти всегда есть легкий ветер. Даже небольшие дуновения могут снизить температуру корпуса, например, с 80 до 70 °C. При этом среднегодовая температура в зоне умеренного климата составляет 10–15 °C [см. ГОСТ 15150-69].

С другой стороны, надо учитывать, что светильник могут установить и в помещении (ангаре), эксплуатироваться он может в районах с теплым климатом (например, на юге России), а ускоренная деградация при повышенных температурах практически не будет компенсироваться снижением скорости деградации при эксплуатации в холодные периоды времени.

К другим факторам, ухудшающим охлаждение, относятся следующие: постепенное загрязнение светильника, экранирование теплоотвода, ухудшающее естественную конвекцию, использование прибора не по назначению (например, в горячих цехах).

Таким образом, для наружных применений светильников можно рекомендовать опираться в расчетах на температуру окружающей среды 20 °C. Итак, приняв, что температура воздуха составляет 20 °C, получим разность температур между воздухом и радиатором в 45 °С. Перед оценкой необходимых размеров радиатора рассмотрим механизмы отвода тепла. Их два: конвекция и излучение.

Читайте также  Неисправности драйвера светодиодов

Конвекцию рассматриваем только естественную, то есть воздух изначально неподвижен и приводится в движение только от нагрева светильником. Конвекция сильно зависит от конфигурации радиатора, его положения и разности температур между ним и воздухом. Например, плоский радиатор, развернутый рабочей поверхностью вниз, охлаждается примерно в 2 раза хуже радиатора, у которого рабочая поверхность находится сверху.

Излучение зависит, прежде всего, от степени черноты радиатора и, как и в случае конвекции, разности температур. Чистая полированная поверхность алюминия имеет степень черноты около 0,2, а черненая или лакированная — около 0,85. Для того, чтобы оценить теплоотводящие способности радиатора, мы провели расчет для случая простейшего плоского теплоотвода. Радиатор с поверхностью 1 кв.

дм позволяет в нашем примере при температуре воздуха 20 °С отводить порядка 5 Вт, обеспечивая температуру перехода светодиодного кристалла не выше 110 °С (эта температура была рассчитана выше). Разумеется, при разработке светильника размер радиатора следует минимизировать. Это требование продиктовано, прежде всего, целями снижения себестоимости и облегчения конструкции.

Рассеивание мощности, составляющей около 1 Вт, при заданной температуре перехода, согласно полученным результатам, должен обеспечивать алюминиевый радиатор площадью порядка 0,25 кв. дм (4 кв. дюйма). Эту цифру можно использовать в качестве отправной точки на предварительном этапе проектирования светодиодного светильника.

Во многих случаях применения плоского радиатора оказывается недостаточно, поэтому перед изготовлением макета может понадобиться проведение более точного расчета.

Для этого можно воспользоваться простыми эмпирическими и теплофизическими методами расчета радиатора, а также специальными программами, сначала, например, CosmosWorks for SolidWorks или QLED, которые позволяют детально проанализировать тепловое решение. Потом, для более детального расчета, — ANSYS.

И, чтобы быть окончательно уверенным в правильности решения, дописать и произвести расчет в Matlab. Однако, все тепловые расчеты требуют обязательной проверки. Разработчик должен убедиться, что радиатор обеспечивает необходимое охлаждение. В идеальном случае, для этого следует измерить температуру p-n-перехода светодиодов.

Но такое измерение требует специального оборудования, которое есть не в каждой лаборатории. Для получения надежных данных изготовители светодиодов дают собственные рекомендации по измерению температуры.
На основании предварительных расчетов были разработаны два конструктивных решения, реализующие линейку светодиодных светильников с мощностью от 45 до 300 (рис. 2 и 3).

Светильники обладают массивными радиаторами, через которые при помощи пластикового обвеса (боковин) происходит «прокачивание» воздушных масс. При этом боковины играют роль конфузора и диффузора газодинамической системы, таким образом, система обеспечивает функцию «насоса», перекачивающего воздух (нагретый воздух расширяется и поднимается вверх, тем самым создавая разницу давлений, что обеспечивает движение воздуха через радиатор-охладитель).

Для разработанных конструкций были проведены теплофизическое моделирование в среде SolidWorks Flo Simulation. Результаты моделирования приведены на рис. 4 и 5.

В технической документации на источник питания (драйвер) указано, что он будет нормально функционировать при температуре окружающей среды до 70 °С.

Из рисунков видно, что температура воздуха вокруг источника питания не превышает 60 °С, также температура корпуса источника питания не должна превышать 89 °С в контрольной точке. Рисунки показывают, что температура корпуса источника питания не превышает 60 ?°С.

Таким образом, можно с уверенностью сказать, что при данной конструкции светильника и источник питания, и светодиоды будут нормально функционировать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье изложена последовательность теплового менеджмента уличного светодиодного светильника  — принципиальные подходы к обеспечению корректного теплового режима работы светодиодного светильника.

Поскольку именно пренебрежение основами теплового менеджмента не позволяет сделать светодиодный уличный светильник качественным и надёжным. А заявляемые в паспортных данных характеристики светильников — некорректными. Однако, расчеты не могут заменить испытания в специализированных лабораториях.

Поэтому для выпуска надёжной продукции необходимо проводить весь комплекс расчетов и испытаний.

CreeТепловой менеджмент

« Том Диксон и его мир отражений ТОП-8 совместно с X5 Retail Group. Осветительные установки для торгового зала федеральной торговой сети «Пятёрочка» X5 Retail Group »

Источник: http://www.lumen2b.ru/%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9-%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D0%B4%D0%B6%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82/

КПД, срок службы и эффективность светодиодов — как измерить и повысить

Переход световой энергии светодиодов в тепловую энергию

Насколько на самом деле эффективны светодиоды и как продлить их срок службы?

Каким образом измерить в домашних условиях их КПД и повысить эффективность, а также увеличить долговечность светодиодных светильников?
Чтобы ответить на все эти вопросы, достаточно провести несколько наглядных экспериментов, причем без использования каких-то сложных лабораторных приборов.
Светодиод – это один из самых эффективных и простых в использовании источников света. Однако при этом, большую часть потребляемой энергии он все равно расходует впустую, преобразуя ее не в свет, а в тепло.

Сравнивать светодиоды с обычной лампочкой конечно же не нужно, тут они убежали далеко вперед. Но как вы думаете, насколько высок у них реальный КПД?

Как измерить КПД светодиода

Давайте это проверим в живую, не по надписям на упаковках и данным таблиц в интернете, а колориметрическим методом в домашних условиях.

Если опустить светодиод в воду и замерить разницу температур до его включения и спустя некоторое время после, то можно выяснить, сколько энергии от него перейдет именно в тепло.

Зная общее количество затраченной энергии и энергии ушедшей в тепло, можно реально узнать сколько пользы от данного источника света перешло именно в свет.

Емкость в которой будут производиться измерения, должна быть изолирована от колебаний температуры снаружи и внутри. Для этого подойдет обычная колба от термоса.

При определенной доработке, у вас получится вполне годный самодельный колориметр.

Чтобы изолировать и предотвратить утечки тока, все провода и выводы на светодиоде следует покрыть толстым слоем электроизоляционного лака.

Перед экспериментом заливаете во внутрь колбы 250мл дистиллированной воды.

Далее фиксируете начальную температуру жидкости.

Опускаете светодиод в воду, так чтобы она полностью его покрывала. При этом свет должен беспрепятственно выходить наружу.

Включаете питание и начинаете отсчет времени.

Через 10 минут выключаете напряжение и опять замеряете температуру воды.

При этом не забудьте хорошенько ее перемешать.

Теперь нужно повторить эксперимент, но на этот раз, плотно заклейте матрицу каким-нибудь непрозрачным материалом. Это необходимо, дабы энергия не могла покинуть систему в виде света.

Опыт с заклеенным экземпляром повторяется опять в той же последовательности:

  • 250мл дистиллированной воды
  • замер начальной температуры
  • замер конечной температуры

После всех измерений и экспериментов, можно переходить к расчетам.

Допустим, для данной модели среднее потребление источника света равняется 47,8Вт. Время работы – 10минут.

Если подставить эти данные в формулу, то получим, что за время в 600 секунд, на свечение светодиода было затрачено 28 320 Дж.

В случае с заклеенной моделью, вода нагрелась с 27 до 50 градусов. Теплоемкость воды 4200Дж, а масса – 0,25кг.

Еще 130 Дж на каждый градус, ушло на нагрев колбы, плюс нужно прибавить энергию на нагрев самого светодиода. Он весит 27 грамм и в основном состоит из меди. В итоге получается цифра в 27377 Дж.

Отношение выделившейся энергии и затраченной будет равняться 96,7%. То есть, не хватает более 3%. Это как раз таки и есть тепловые потери.

В случае с открытым светодиодом, вода нагрелась с 28 до 45 градусов. Все остальные переменные остались прежними. Расчет здесь будет выглядеть следующим образом:

Читайте также  Питание светодиода от переменного напряжения

Какой же итог можно сделать из всех этих опытов и вычислений?

Как видно из этого небольшого эксперимента, непосредственно в виде света, систему покинуло около 28% энергии. А если учесть 3% тепловых потерь, то и вовсе остается всего 25%.

Как видите, до идеальных источников света, как их представляют многие продавцы, светодиодам еще очень далеко.

Хуже того, на рынке зачастую встречаются модели, крайне низкого качества с еще меньшим КПД.

Давайте теперь сравним яркость разных моделей и посмотрим от чего она зависит и можем ли мы как то на это влиять. Чтобы провести достоверное сравнение, воспользуйтесь обычным куском трубы и люксометром.

Допустим, испытанный ранее качественный образец, обеспечивает освещенность 1100 люкс. И это при потребляемой мощности в 50 Вт.

А если взять более дешевую модель? Данные могут получиться в два раза ниже – менее 5500 Лк.

И это при одинаковой мощности! Получается, что заплатите вы за свет столько же как и в первом случае, а получите его на 50% меньше.

А можно ли получить в 3 раза больше света, затрачивая как можно меньше энергии?

Можно, но для этого понадобится светодиод работающий в немного другом режиме. Чтобы понять как это сделать, нужно провести еще немного измерений.

В первую очередь, вас должен интересовать момент зависимости яркости от потребляемой мощности. Постепенно повышайте мощность и следите за показаниями люксометра.

В итоге вы выйдите на такую вот нелинейную зависимость.

Если бы она была линейной, вы бы получили что-то вроде этого.

Получится еще интересней, если посчитать относительную эффективность светодиода, за 100% взяв значение мощности в 50Вт.

Видите, как прослеживается ухудшение его эффективности. Такое ухудшение с повышением мощности, присуще всем светодиодам. И причин этому несколько.

Почему ухудшается эффективность светодиодов

Одна из них, конечно же нагрев. С повышением температуры, снижается вероятность образования фотонов в p-n переходе.

К тому же уменьшается и энергия этих фотонов. Даже при хорошем охлаждении корпуса, температура p-n перехода может быть на десятки градусов выше, так как он отделен от металла подложкой из сапфира.

А она не очень хорошо проводит тепло. Разницу температур можно посчитать, зная размеры кристалла и выделяемую на нем теплоту.

При выделяющейся теплоте в 1Вт, учитывая толщину и площадь подложки, температура перехода будет на 11,5 градусов выше.

В случае с дешевым светодиодом все намного хуже. Здесь результат – более 25 градусов.

Высокая температура перехода приводит к быстрой деградации кристалла, сокращая его срок службы. Отсюда и возникают моргания, мигания и т.п.

Интересно, производители не знают про эту разницу в температуре или намеренно создают обреченные устройства?

Нередко компоненты, казалось бы в нормальных, дорогих светильниках, работают в предельных режимах, на максимальных температурах без какого-либо запаса прочности.

Вторая причина ухудшения эффективности светодиода при увеличении мощности – это паразитное внутреннее сопротивление.

Пока ток небольшой, оно не заметно. Но из-за квадратичной зависимости, с увеличением тока все большая часть энергии превращается в бесполезное тепло.

Посмотрев на эту схему, сразу хочется избавиться от паразитного сопротивления. Ну или хотя бы уменьшить его, так как это делают с конденсаторами.

Как увеличить эффективность

То есть, подключить параллельно еще один светодиод, тем самым в два раза уменьшив потери на сопротивление. И этот метод, конечно работает.

Подключив в светильник параллельно два светодиода вместо одного, вы получите больше света с меньшими затратами энергии и соответственно меньше нагрева.

Безусловно, это продлевает и срок службы светодиода.

Можно не останавливаться и подключить 3,4 диода вместо одного, хуже не будет.

А если места для нескольких светодиодов недостаточно, то можно поставить светодиод изначально рассчитанный на большую мощность. Например 100 ваттный, в 50 ваттный светильник.

Именно таким образом можно поднять эффективность светильника в несколько раз, при тех же затратах энергии, что и на первоначальном источнике, но меньшей мощности, и работающего на пределе своих возможностей.

Более того, используя не больше трети мощности от максимальной, вы навсегда забудете, что такое замена сгоревших светодиодов.

При этом эффективность их работы и КПД заметно возрастут.

Поэтому при покупке светодиодов, всегда интересуйтесь размером кристаллов. Ведь от этого зависит их охлаждение и внутреннее сопротивление.

Здесь действует правило – чем больше, тем лучше.

Источник: https://svetosmotr.ru/kpd-srok-sluzhby-i-effektivnost-svetodiodov/

Температурный режим белых светодиодов

Переход световой энергии светодиодов в тепловую энергию

См. также:
Теплоотводящие материалы на основе карбона
Модуль активного охлаждения SynJet

Большинство светодиодов, в привычном понимании, как кажется не выделяют ощутимого тепла в отличии от многих других источников света, но это не так. На самом деле, правильный температурный режим, возможно, самая важная сторона конструкции светодиодной системы. Особенно это актуально для светодиодов освещения, когда в светильнике сосредоточено большое количество достаточно мощных излучателей. В этой статье рассматривается роль тепла в эффективности светодиодов.

Все источники света преобразуют электрическую энергию в энергию излучения и тепла в различных пропорциях. Лампы накаливания излучают в основном инфракрасное (ИК) излучение с небольшим количеством видимого света. Флуоресцентные и металлогалогенные источники конвертируют бóльшую долю энергии в видимый свет, но также излучают в инфракрасной (ИК), ультрафиолетовой (УФ), и тепловой областях спектра.

Светодиоды производят мало, или вообще не излучают ИК или УФ энергию, но конвертируют только 20% -30% мощности в видимый свет. Остальная мощность преобразуется в тепло, которое должно быть отведено из светодиодного корпуса с помощью основной печатной платы и радиатора, корпуса, или элементов рамы светильника.

Приведенная ниже таблица показывает примерные пропорции, в которой энергия потребляемой мощности преобразуется в тепло и энергию излучения, включая видимый свет, для различных полихромных (белых) источников света.

Оценка коэффициента преобразования мощности, для «белых» источников света

Лампы накаливания† (60 Вт) Флуоресцентные† (обычные линейные) Металлогалогенные‡ Светодиодные*
Видимый свет 8% 21% 27% 20-30%
Инфракрасный 73% 37% 17% ~ 0%
Ультрафиолетовый 0% 0% 19% 0%
Всего лучистой энергии 81% 58% 63% 20-30%
Тепло (теплопроводность + конвекция) 19% 42% 37% 70-80%
Итого 100% 100% 100% 100%

† Из Справочника‡ OSRAM SYLVANIA

* Зависит от эффективности светодиодов. Этот диапазон указан для лучших в настоящее время достижений технологии в цветовых температурах от теплой (150 lm/W) до холодной (100 lm/W). Перспективный план Министерства энергетики США (март 2009) предусматривает увеличение эффективности более чем на 50% к 2025 году.

Почему вопрос теплового режима так важен?

Избыточное тепло непосредственно влияет как на текущую эффективность, так и на изменение эффективности с течением времени наработки. Кратковременные (обратимые) эффекты — это смещение цвета и снижение светоотдачи, в то время как долговременный эффект – это ускоренное снижение светового выхода и тем самым сокращение срока полезного использования светодиода.

Читайте также  Выключатель со светодиодом мигает лампа

Световой выход различных цветных монохромных светодиодов по-разному зависит от изменения температуры. Так, наиболее чувствительны к температуре янтарные и красные светодиоды, и наименее чувствительны — синие (см. график).

Эти индивидуальные температурные зависимости могут привести к заметным сдвигам цвета в системах на основе RGB, если рабочая температура отличается от рекомендуемой.

Производители светодиодов тестируют и сортируют (бинуют) свою продукцию по яркости и цвету на основании фотометрических измерений в определенных условиях — при подаче 25 миллисекундного мощного импульса при фиксированной температуре в 25°C. За время действия импульса, температура чипа практически не меняется.

В рабочем режиме, при постоянном токе при комнатной температуре и применении технических мер к снижению температуры, температура светодиодного чипа, как правило, 60°C или выше. Поэтому белые светодиоды будут обеспечивать, по крайней мере, на 10% меньше света, чем указано производителем, а сокращение светового потока для изделий с недостаточным теплоотводом может быть значительно выше.

Время непрерывной работы при повышенной температуре значительно ускоряет процесс снижения яркости (деградацию), что приводит в итоге к сокращению срока полезного использования.

График ниже показывает световой поток в течение долгого времени (экспериментальные данные до 10000 часов и экстраполяция за ее пределами) для двух одинаковых светодиодов при одинаковом токе, но с разницей температуры чипа в 11°C.

Расчетный срок службы (определяется на уровне снижения светового потока на 70%) уменьшился с ориентировочно 37000 часов, до 16 000 часов (57% изменения) при повышении температуры на 11°C.

Тем не менее, производители продолжает улучшать долговечность светодиодов при более высоких рабочих температурах. Например, производители мощных белых светодиодов обычно оценивают срок службы около 50000 часов при 70%-ном снижении светового потока, при температурах чипа не выше 100°C.

Что определяет температуру светодиодного чипа?

Три причины влияют на температуру чипа светодиода в первую очередь: управляющий ток, эффективность теплоотвода и температура окружающей среды. В целом, чем выше управляющий ток, тем больше тепловыделение. Тепло должно быть отведено от чипа, чтобы сохранить ожидаемый световой поток, цвет и срок службы. Количество тепла, которое может быть удалено из системы, зависит от температуры окружающей среды и конструкции теплоотвода.

Типичная светодиодная система высокой мощности состоит из излучателя, печатной платы на металлической основе (MCPCB), а также внешнего радиатора. Излучатель содержит светодиодный чип, оптику с герметизирующим компаундом, теплопроводную подложку (используется для отвода тепла от чипа), и припаян к MCPCB.

MCPCB — это особая разновидность печатной платы с тонким диэлектрическим слоем на металлической подложке (обычно из алюминия). MCPCB механически закрепляется на внешнем радиаторе, который может представлять собой устройство, интегрированное в дизайн светильника. В некоторых случаях, роль радиатора выполняет несущий корпус светильника.

Размер радиатора зависит от количества тепла, которое должно быть рассеяно и теплофизических свойств материала.

Тепловой дизайн и осознание условий эксплуатации являются критическими соображениями при разработке и применении светодиодных светильников для освещения. Надежность изделия, а следовательно и его коммерческая ценность будут зависеть в первую очередь от дизайна радиатора для отвода тепла и способности свести к минимуму температуру излучателя. Удержание температуры чипа в нижней области, рекомендуемой спецификацией производителя, необходимо для того, чтобы максимально использовать потенциал производительности светодиодов.

По состоянию на 2011 год, анализ бюллетеней Департамента Энергетики США.
Подборка и перевод — Ланской А.О., ноябрь 2011

Назад к каталогу статей >>>

Источник: https://led-displays.ru/rejim_svetodioda.html

Управление тепловым режимом светодиодных ламп

Переход световой энергии светодиодов в тепловую энергию

Заказать этот номер

2011№4

Сотрудники Panasonic Corporation Lighting Company А. Мотойа, М. Каи, Й. Манабе и C. Шида провели исследование, чтобы выяснить, изменение каких параметров имеет наибольшее влияние на тепловой режим светодиодных ламп.

Экологическая ситуация на планете привела к тому, что люди во всем мире стали заменять обычные осветительные приборы на высокоэффективные источники света. Правительства Австралии и ЕС в 2010 г. запретили продажу традиционных ламп накаливания.

Качество обычных источников света (флуоресцентных и галогеновых ламп) за 30 прошлых лет заметно улучшилось. В то же время за последнее десятилетие возросло качество белых светодиодов.

Поскольку светодиоды потребляют мало электроэнергии и дольше служат, они вполне могут прийти на смену лампам накаливания и флуоресцентным лампам в светофорах и светосигнальных приборах и автомобильных фарах.

Отрасли, занимающиеся производством источников света, разрабатывают и выпускают все новые и новые белые светодиоды, благодаря чему их применение в системах освещения расширяется.

В двух словах светодиодная лампа делается следующим образом: кристалл светодиода монтируется на печатную плату и затем герметизируется эпоксидным компаундом с люминофором. В результате получается светодиодный модуль.

При подаче электрического напряжения примерно 40% потребляемой мощности преобразуется в белый свет, а 60% — в тепло. Избыточное тепло напрямую влияет как на кратковременную, так и на долгосрочную функциональность светодиода.

В первом случае это изменение световой отдачи, во втором — ускоренное снижение светового потока и, таким образом, сокращение срока эксплуатации.

На Tj (температура перехода) светодиода влияют потребляемый ток, система тепловых характеристик и температура среды. Чем выше ток, тем больше генерируется тепла. Чтобы поддерживать расчетную эффективность, светоотдачу и срок службы, тепло со светодиода надо отводить. Управление тепловым режимом — это принципиально важная задача.

В целях поиска подходящей структуры управления тепловым режимом для светодиодных ламп при помощи компьютерного CFD-моделирования и численных расчетов было проделано следующее: определено «узкое место» — проблемные элементы теплоотвода; проанализирован тепловой процесс; рассчитаны проектные характеристики проблемных элементов. Принцип проектирования выбирался исходя из желаемых конечных характеристик лампы.

Управление тепловым режимом модифицированных светодиодных ламп

Начальной точкой анализа и проектирования методом моделирования является установление функциональных связей теплового процесса и проектных характеристик. Существует три способа теплопередачи — проводимость, излучение и конвекция. Связь между ними и проектными характеристиками показана в таблице. При изменении проектных характеристик соответственно меняется и каждый способ.

Таблица. Подход к управлению тепловым режимом и тепловым процессом

Площадь поверхности Площадь сечения Теплопроводность Тепловое сопротивление Излучательная способность
Проводимость
Излучение
Конвекция

Под теплопроводностью мы подразумеваем передачу тепла из одного участка тела другому путем обмена кинетической энергией между его атомами. Тепловой поток внутри материала или между веществами пропорционален градиенту температуры и сечению проводящего канала. Конвекция — это перенос теплоты в жидкости или газе.

Количество тепловой энергии при конвекции пропорционально площади поверхности и градиенту температуры между поверхностью и текучей средой. Излучение — это испускание электромагнитных волн с поверхности тела. Энергия излучения пропорциональна площади поверхности и ее излучательной способности. Поэтому для улучшения отвода тепла очень важно анализировать температурные процессы.

Именно анализ позволит правильно выбрать проектные характеристики.

Концепция проекта типовой модифицированной светодиодной лампы

Перед тем как приступить к созданию концепции проекта, необходимо определить целевые технические характеристики лампы. В нашем случае это:

  • световой поток >560 лм;
  • потребляемая мощность 75 лм/Вт);
  • вес

Источник: https://led-e.ru/articles/led-manufacture/2011_4_43.php