Водяное охлаждение светодиодов

Охлаждение и регулирование температурных режимов светодиодов

Заказать этот номер

2010№3

В статье поднимаются вопросы охлаждения и регулирования температурных режимов светодиодов. Расматриваются предлагаемые на рынке конструкции и способы охлаждения светодиода, а также неисправности, связанные с воздействием высоких температур.

Общеизвестно, что срок службы светодиода зависит от используемого полупроводникового материала, а также отношения тока светодиода к количеству выделяемого тепла. Световая отдача постепенно снижается, и после того как она достигнет 50% от начального значения, ожидаемый срок службы светодиода по определению истекает. Достижимый срок службы светодиодов может составлять от нескольких десятков тысяч до 100 000 часов, но только в отсутствие воздействия высоких температур, которые радикально его сокращают.

Мощность излучения, или световой поток светодиода, сильно зависит от температуры p-n-перехода кристалла. Это значит, что КПД существенно уменьшается с ростом температуры. Хотя светодиод и называют «холодным излучателем», в свет преобразуется не вся его электрическая энергия.

Как и в других полупроводниковых устройствах, большая ее часть (70–80%) превращается в тепло. Именно поэтому, в отличие от тепловых излучателей (например, ламп накаливания), светодиоды нуждаются в обязательном регулировании температурных режимов (охлаждении).

Эффективность светодиода определяется как отношение светового потока к общему количеству подаваемой на светодиод электрической мощности и выражается в люменах на ватт (лм/Вт).

При всех великолепных характеристиках высокоэффективных белых светодиодов их длительная и бесперебойная работа, а значит, воплощение в жизнь новых технологий освещения возможны только при соблюдении граничных условий, накладываемых на температурные режимы.

От высокоэффективных светодиодов, применяемых для освещения, требуется максимально возможный световой поток; ввиду технических принципов работы полупроводниковых компонентов, новых конструктивных решений, размещения нескольких кристаллов в одном корпусе и других факторов возникает необходимость в оптимальном регулировании температурных режимов.

Тепловые соотношения

Характеристики излучения полупроводниковых светодиодов меняются со временем, и интенсивность излучаемого света постепенно уменьшается. Это явление известно под названием «старение» и связано с концентрацией и объемом примесей в полупроводниковом кристалле.

Слишком интенсивный световой поток, обусловленный повышенной потребляемой электрической мощностью, также увеличивает температуру светодиода, а большие перепады температур существенно сокращают срок его службы.

Подвержены старению и синтетические материалы, из которых изготавливаются корпуса и линзы светодиодов (эпоксидная смола, силикон и т. п.), что может приводить к их помутнению.

Неисправности, связанные с воздействием высоких температур

Температура кристалла, определяющая параметры светового потока, цвет излучения и напряжение прямого смещения светодиода, зависит от температуры окружающей среды и нагрева протекающим электрическим током.

Световой поток Ф как функция температуры рассчитывается по следующей формуле:

Фv(Tj) = Фv(T2)e-kΔTj, (1) Фv(T1) = Фv(T2)e-kΔTj,

где T1 — световой поток при Tj 1; T2 — световой поток при Tj 2; k — температурный коэффициент; ΔT — разность температур Tj (T2–T1).

Пример старения в результате повышения температуры приведен на рис. 1. Кривая показывает, что при росте температуры с 25 до 75 °C световой поток уменьшается почти вдвое.

Рис. 1. Зависимость светового потока от окружающей температуры для красного светодиода при неизменном токе (по документам, предоставленным компанией Lumileds)

Известные формулы теплотехники и экспериментальные наблюдения за регулированием температурных режимов позволили глубже понять механизм потерь мощности излучения, обусловленных разностью температур:

Rthja = (Tj–Ta)/P = ΔTj–Ta)–Ta)/P = ΔTja/P, (2)

где Tj = ΔTj+T; Rthja — потери, обусловленные разностью температур между переходом и окружающей средой; Tj — температура p-n-перехода; Ta — температура окружающей среды; P — полная мощность светодиода (If×Vf).

На практике фактическое значение температуры p-n-перехода рассчитывается следующим образом:

Tj = Rthja×P+Ta

Регулирование температурных режимов

Теплоинженерные расчеты для оптимального охлаждения чрезвычайно сложны, поскольку необходимо учесть конструкцию светодиода и общее тепловое сопротивление как сумму тепловых сопротивлений отдельных материалов и переходов. Как уже было сказано, лишь около 20–35% номинальной мощности светодиода преобразуется в свет — остальная мощность теряется в виде выделяемого тепла, которое должно рассеиваться в окружающую среду с компонентов системы во время работы светодиода.

Есть три возможных способа охлаждения светодиода: через корпус, через печатную плату (токонесущие дорожки, плакированная печатная плата) и с помощью радиаторов, приклеиваемых или припаиваемых на плату или монтируемых отдельно. При охлаждении светодиода через корпус отводимое тепло проходит два участка: между p-n-переходом и выводами светодиода, а далее между выводами и окружающей средой. В этом случае отвод тепла минимален, и поэтому данный метод ненадежен, в особенности при охлаждении высокоэффективных светодиодов.

Другой метод охлаждения предполагает монтаж радиатора на той же печатной плате, на которой установлены светодиоды (если это предусмотрено). Сложность конструкторской задачи, стоящей перед разработчиком в этом случае, может различаться. При малом тепловыделении в очень ограниченном числе случаев достаточно печатной платы из материала FR-4 с дополнительным слоем теплопроводящей пасты.

При более интенсивном тепловыделении используются печатные платы особой конструкции, поскольку FR-4 является не очень хорошим проводником. Широко применяются для охлаждения светодиодов плакированные печатные платы.

Помимо жестких печатных плат, данный метод равно применим и к гибким печатным платам, изготовленным из PET, PEN, PI, поскольку к ним также можно приклеить алюминиевую теплораспределительную пластину и радиатор.

В случае высокоэффективных светодиодов использование радиатора является обязательным (рис. 2). Существуют различные базовые подходы к конструированию радиаторов для свободной конвекции.

Рис. 2. Пример стандартных радиаторов из широкого ассортимента Выбор подходящего радиатора

После того как установлены тепловые критерии (с обязательным учетом характеристик и рекомендаций производителей светодиодов), рассчитано тепловое сопротивление, рассмотрены возможные способы монтажа и оценен размер доступного пространства, можно выбирать радиатор. Особое внимание следует уделить его пространственной ориентации.

Рис. 3. График зависимости теплового сопротивления радиатора от его размеров

Пользуясь предоставленными производителем графиками, по расчетному значению теплового сопротивления пользователь может определить параметры радиатора для конкретного применения (рис. 3).

В связи со стабильно растущим спросом был разработан ряд специальных конфигураций: помимо множества стандартных радиаторов, которые можно использовать для охлаждения светодиодов, в настоящее время предлагаются специально модифицированные версии радиаторов для светодиодов и отдельных светодиодных систем (рис. 4).

Иногда для увеличения площади теплорассеивающей поверхности на дно радиатора наносится слой меди — в этом случае светодиод можно будет непосредственно припаять к радиатору.

Рис. 4. Пример использования модифицированного стандартного радиатора в качестве специального

Рис. 5. График зависимости теплового сопротивления от скорости воздушного потока

Однако активное охлаждение сопряжено с шумом. Электродвигатели вентиляторов и сам воздушный поток создают звуковые волны, которые нежелательны во многих случаях — например, при освещении жилых помещений, концертных залов, учебных аудиторий и т. п.

С другой стороны, сегодня существует ряд методов вентиляции, предусматривающих использование низкооборотных электродвигателей и лопастей крыльчатки специальной формы, дающих очень малый уровень шума.

Мягкая подвеска вентилятора на радиаторе при помощи специального кронштейна с использованием резиновых опор со встроенным крепежом вместо винтов ослабляет механическую связь, способствующую распространению звуковых волн, и уменьшает шум, возникающий вследствие разбалансировки подшипника вентилятора.

Высококачественные вентиляторные электродвигатели, уже прошедшие апробацию, имеют существенно меньшую частоту отказов, а их среднее время наработки на отказ составляет около 200 000 ч, что превышает расчетный срок службы светодиода. Некоторые электродвигатели предусматривают возможность управления с помощью широтно-импульсной модуляции и поэтому особенно хорошо подходят для применения в вентиляторах.

К другим преимуществам принудительной вентиляции, помимо низких температур, относятся меньшее загрязнение воздуха пылью, а также более однородное распределение тепла при частом включении и выключении.

Среди других методов охлаждения светодиодов с большим тепловыделением можно упомянуть термоэлектрическое (на базе элементов Пельтье) и жидкостное охлаждение (через микроканалы и т. п.). Однако эти методы находят лишь ограниченное применение по причине их дороговизны.

Монтаж светодиодов

Особое внимание необходимо уделить сопряжению светодиода и радиатора. Если контакт между ними будет неудовлетворительным, то за счет ухудшения теплопередачи температура светодиода заметно повысится. При этом могут снизиться эффективность и световой поток, а при достаточно высоких температурах наступит необратимое повреждение светодиода.

Наилучший контакт между светодиодом и радиатором достигается только при максимальной ровности контактирующих поверхностей и отсутствии воздушных пузырей, препятствующих теплопередаче. Рекомендуется использовать теплопроводящую пасту, особенно при механическом креплении светодиодов винтами. Приклеивание светодиодов с помощью двусторонней клейкой ленты или двухкомпонентного теплопроводящего эпоксидного клея позволяет сгладить неоднородности поверхностей. Используемые в этом

случае клеящие вещества должны содержать как можно меньше летучих органических соединений, так как последние при испарении с последующей конденсацией на поверхности светодиода могут снизить прозрачность пластмассовой крышки/линзы. Очень хорошего теплового контакта светодиода с радиатором для ряда моделей светодиодов можно достичь, монтируя светодиод на радиаторе путем пайки оплавлением или инфракрасной пайки.

Рис. 6. Пример различных вариантов регулирования температурных режимов

Применение светодиодов для освещения

Во многих случаях светодиоды предпочтительны ввиду их малых размеров, высокой стабильности, эффективности и длительного срока службы. Отсутствие инфракрасных и ультрафиолетовых составляющих в излучении светодиодов благоприятствует их применению в медицине и других областях, где требуется освещать светочувствительные объекты (музеи, галереи).

Относительная устойчивость светодиодов к тряске, ударам и вибрации является существенным фактором, способствующим их применению на транспорте — от велосипедного и автомобильного до железнодорожного, водного и воздушного.

Длительный срок службы светодиодов является преимуществом при их применении в редко используемом оборудовании (индикаторах), труднодоступных областях (например, во взрывоопасных зонах) и оборудовании с большим объемом технического обслуживания (светофорах, другом светосигнальном оборудовании).

К этому добавляются экологические и ценовые преимущества, так как светодиоды не содержат вредных для окружающей среды веществ и очень экономичны.

Наконец, что не менее важно, светодиоды позволяют реализовать множество новых конструкторских решений в сфере освещения, которые были невозможны при использовании традиционных источников света.

Следует ожидать, что в будущем светодиод утвердится на рынке как универсальный источник света для всех типов освещения. Во многих случаях условия монтажа светодиодов требуют использования радиаторов. Надлежащие методы регулирования температурных режимов будут способствовать быстрой разработке и обеспечивать длительную безотказную работу светодиодов.

Примечание. Оригинал статьи опубликован на сайте www.led-professional.com.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Источник: https://led-e.ru/articles/led-cooling/2010_3_13.php

Водяное охлаждение мощных светодиодов

Светодиоды считаются одним из наиболее эффективных источников света, их световой поток доходит до фантастических значений, порядка 100 Лм/Вт. Люминесцентные лампы выдают в два раза меньше, а именно 50-70 Лм/Вт. Однако для долгой работы светодиода нужно выдерживать их тепловые режимы. Для этого применяются фирменные или самодельные радиаторы для светодиодов.

Зачем диодам нужно охлаждение?

Несмотря на высокие показатели светоотдачи светодиоды излучают света примерно на треть потребляемой мощности, а остальное выделяется в тепло. Если диод перегревается структура его кристалла нарушается, начинает деградировать, световой поток снижается, а степень нагрева лавинообразно увеличивается.

Причины перегрева светодиодов:

• Слишком большой ток;
• плохая стабилизация питающего напряжения;
• плохое охлаждение.

Первые две причины решаются применением качественного источника питания для светодиодов. Такие источники часто называют драйвер для светодиода. Их особенность заключается не в стабилизации напряжения, а именно в стабилизации выходного тока.

Дело в том, что при перегреве сопротивление светодиода снижается и ток, протекающий через него, возрастает. Если в качестве блока питания использовать стабилизатор напряжения – процесс получится лавинообразным: больше нагрев – больше ток, а больший ток – это больший нагрев и так по кругу.

Стабилизируя ток, вы отчасти стабилизируете и температуру кристалла. Третья причина – это плохое охлаждение для светодиодов. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Решаем проблему охлаждения

Маломощные светодиоды, например: 3528, 5050 и им подобные отдают тепло за счёт своих контактов, да и мощность у таких экземпляров гораздо меньше. Когда мощность прибора возрастает, появляется вопрос отвода лишнего тепла. Для этого применяют системы пассивного или активного охлаждения.

Пассивное охлаждение – это обычный радиатор, выполненный из меди или алюминия. О преимуществах материалов для охлаждения ходят споры. Достоинством такого типа охлаждение является – отсутствие шума и практически полное отсутствие необходимости его обслуживания.

Установка LED с пассивным охлаждением в точечный светильник

Активная система охлаждения – это способ охлаждения с применением внешней силы для улучшения отвода тепла.

В качестве простейшей системы можно рассмотреть связку радиатор + кулер. Преимуществом является то, что такая система может быть значительно компактнее чем пассивная, до 10 раз.

Недостатком — шум от кулера и необходимость его смазки.

Как подобрать радиатор?

Расчет радиатора для светодиода процесс не совсем простой, тем более для начинающего. Для его выполнения нужно знать тепловое сопротивление кристалла, а также перехода кристалл-подложка, подложка-радиатор, радиатор-воздух. Чтобы упростить решение многие пользуются соотношением 20-30 см2/Вт.

Это значит, что на каждый ватт LED света нужно использовать радиатор площадью порядка 30 см2.

Естественно, такое решение не является уникальным. Если ваша осветительная конструкция будет использоваться в подвальном прохладном помещении можно взять меньшую площадь, но при этом убедитесь, что температура светодиода в пределах нормы.

Предыдущие поколения LED комфортно чувствовали себя при температуре кристалла 50-70 градусов, новые светодиоды могут переноситьтемпературу до 100 градусов. Проще всего определить – прикоснуться рукой, если рука едва терпит – всё в порядке, а если кристалл может вас обжечь – принимайте решение для улучшения условий его работы.

Считаем площадь

Допустим мы имеем светильник мощностью 3Вт. Площадь радиатора для светодиода 3Вт, согласно описанному выше правилу будет равна 70-100см2. С первого взгляда может показаться большой.

Но рассмотрим расчет площади радиатора для светодиода. Для плоского пластинчатого радиатора площадь считается:

a * b * 2 = S

Где a, b – длины сторон пластины, S – полная площадь радиатора.

Для ребристого радиатора полная площадь равна – площади основания и площадям каждого из рёбер.

Охлаждение своими руками

Простейшим примером радиатора будет «солнышко», вырезанное из жести или листа алюминия. Такой радиатор может охладить 1-3Вт светодиодов. Скрутив два таких листа между собой через термопасту, можно увеличить площадь теплоотдачи.

Это банальный радиатор из подручных средств, он получается довольно тонким и использовать его для более серьёзных светильников нельзя.

Сделать своими руками радиатор для светодиода на 10W таким образом будет невозможно. Поэтому можно применить для таких мощных источников света радиатор от центрального процессора компьютера.

Площадь радиатора для 10Вт светодиода будет довольно большой – порядка 300см2. Хорошим решением будет использование готовых алюминиевых изделий. В строительном или хозяйственном магазине вы можете приобрести алюминиевый профиль и использовать его для охлаждения мощных светодиодов.

Сделав сборку нужной площади из таких профилей, вы можете получить неплохое охлождение, не забудьте все стыки промазать хотя бы тонким слоем термопасты. Стоит сказать, что есть специальный профиль для охлаждения, который выпускается промышленно самых разнообразных видов.

Если у вас нет возможности сделать радиатор охлаждения светодиодов своими руками вы можете поискать подходящие экземпляры в старой электронной аппаратуре, даже в компьютере.

На материнской плате расположены несколько. Они нужны для охлаждения чипсетов и силовых ключей цепей питания. Отличный пример такого решения изображен на фото ниже. Их площадь обычно от 20 до 60см2.

Что позволяет охлаждать светодиод мощностью 1-3 Вт.

Еще один интересный вариант изготовления радиатора из листов алюминия. Такой метод позволит набрать практически любую необходимую площадь охлаждения. Смотрим видео:

Как закрепить светодиод

Существует два основных способа крепления, рассмотрим оба из них.

Первый способ – это механический. Он заключается в том, чтобы прикрутить светодиод саморезами или другим крепежом к радиатору, для этого нужна специальная подложка типа «звезда» (см. star). К ней припаивается диод, предварительно смазанный термопастой.

На «пузе» у светодиода есть специальный контактный пятачок диаметром как сигарета типа slim. После чего к этой подложке припаиваются питающие провода, и она прикручивается к радиатору. Некоторые светодиоды поступают в продажу уже закреплённые на переходной пластине, как на фото.

Второй способ – это клеевой. Он пригоден как и для монтажа через пластину, так и без неё. Но метал к металлу крепить не всегда получается, чем приклеить светодиод к радиатору? Для этого нужно приобрести специальный термопроводящий клей. Он может встречаться как в хозяйственной, так и в магазине радиодеталей.

Выглядит результат такого крепления следующим образом.

Выводы

Как вы могли убедится радиатор для светодиода можно найти как в магазине, так и порывшись в своих старых приборах, или просто в залежах всяких мелочей. Не обязательно использовать специальное охлаждение.

Площадь радиатора зависит от ряда условий, таких как влажность, температура окружающего воздуха и материал радиатора, но при бытовом решении ими пренебрегают.

Всегда уделяйте особое внимание проверке тепловых режимов ваших устройств. Таким образом вы обеспечите их надёжность и долговечность. Можно определять температуру рукой, но лучше приобретите мультиметр с возможностью её измерения.

Источник: https://classymaster.ru/vodyanoe-oxlazhdenie-moshhnyx-svetodiodov.html