Требования к тепловому режиму, практические возможности его оптимизации в конструкциях световых приборов.

Путем соответствующего выбора полупроводникового материала и присадки можно целенаправленно воздействовать на характеристики светового излучения светодиодного кристалла, прежде всего на спектральную область излучения и эффективность преобразования подводимой энергии в свет:

• GaAlAs – арсенид галлия алюминия; на его базе – красные и инфракрасные светодиоды.
• GaAsP – фосфид арсенида галлия; AlInGaP – фосфид алюминий-индий-галлий; красные, оранжевые и желтые светодиоды.
• GaP – фосфид галлия; зеленые светодиоды.
• SiC – карбид кремния; первый, коммерчески доступный голубой светодиод с низкой световой эффективностью.
• InGaN – нитрид индия-галлия; GaN – нитрид галлия; УФ-, голубые и зеленые светодиоды.

1. Преобразование излучения голубого светодиода желтым люминофором (рис.1а).
2. Преобразование излучения УФ – светодиода тремя люминофорами (аналогично люминесцентным лампам с так называемым трехполосным спектром) (рис.1б).
3. Аддитивное смешение излучений красного, зеленого и голубого светодиодов (RGB-принцип, аналогичный технологии цветного TV).

Цветовой оттенок излучения белых светодиодов может быть охарактеризован значением коррелированной цветовой температуры.

Большинство типов современных белых светодиодов выпускается на базе голубых в комбинации с конверсионными люминофорами, которые позволяют получить белое излучение с широким диапазоном цветовой температуры – от 3000 К (тепло-белый свет) до 6000 К (холодный дневной свет).

Работа светодиодов в схемах питания.

Кристалл светодиода начинает излучать, когда в нем протекает ток в прямом направлении. Светодиоды имеют экспоненциально возрастающую вольт-амперную характеристику. Обычно они питаются постоянным стабилизированным током или постоянным напряжением с предвключенным ограничивающим сопротивлением. Это предотвращает нежелательные изменения номинального тока, которые влияют на стабильность светового потока, а в худшем случае могут даже привести к повреждению светодиода.
При небольших мощностях используются аналоговые линейные регуляторы, для питания мощных диодов – сетевые блоки со стабилизированным током или напряжением на выходе. Обычно светодиоды включаются последовательно, параллельно или в последовательно-параллельные цепочки (см. рис. 2).

Плавное снижение яркости («диммирование») светодиодов осуществляется регуляторами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) или уменьшением прямого тока. Посредством стохастической ШИМ можно добиться минимизации спектра помех (проблема электромагнитной совместимости). Но в данном случае при ШИМ может наблюдаться мешающая пульсация излучения светодиода.

Величина прямого тока варьируется в зависимости от модели: например, 2 мА – у миниатюризированных светодиодов плоскостного монтажа (SMD-LED), 20 мА – у светодиодов диаметром 5 мм с двумя внешними токовводами, 1А – у мощных светодиодов для целей освещения.
Прямое напряжение UF обычно лежит а пределах от 1,3 В (ИК-диоды) до 4 В (светодиоды на базе нитрида индия-галлия – белые, голубые, зеленые, УФ).

Между тем, уже созданы схемы питания, позволяющие подсоединять светодиоды непосредственно к сети переменного тока 230 В. Для этого две ветви светодиодов включаются антипараллельно и подсоединяются к стандартной сети через омическое сопротивление. В 2008 г. проф. П. Маркс получил патент на схему регулирования яркости светодиодов, питаемых стабилизированным переменным током (см. рис. 3).

Южнокорейская фирма Seoul Semiconductors интегрировала схему рис. 3 с двумя антипараллельными цепочками, (в каждой из которых большое количество светодиодов) непосредственно в одном чипе (“Acriche-LED”). Прямой ток светодиодов (20 мА) ограничивается омическим сопротивлением, подключенным последовательно к антипараллельной схеме. Прямое напряжение на каждом из светодиодов составляет 3,5 В.

Энергетический КПД

Энергетическая эффективность светодиодов (КПД) – отношение мощности излучения (в Ваттах) к электрической потребляемой мощности (в светотехнической терминологии это энергетическая отдача излучения — ηe).
В тепловых излучателях, к которым относятся классические лампы накаливания, для генерации видимого излучения (света) необходим нагрев спирали до определенной температуры. Причем основная доля подводимой энергии преобразуется в тепловую (инфракрасное излучение), а в видимое излучение трансформируется только ηe = 3% (у обычных) и ηe = 7% – у галогенных ламп накаливания.
Светодиоды для применения в прикладной светотехнике преобразуют подводимую электроэнергию в видимое излучение в очень узкой спектральной области, причем в кристалле возникают тепловые потери. Это тепло должно отводиться от светодиода специальными конструктивными методами с тем, чтобы обеспечить необходимые световые, цветовые параметры и максимальный срок службы.

У светодиодов для целей освещения и сигнализации ИК- и УФ-составляющие в спектре излучения практически отсутствуют и такие светодиоды имеют значительно более высокую энергетическую эффективность, чем тепловые излучатели. 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 КПД.

Управление тепловым режимом

Напомним, что почти 3/4 электроэнергии, потребляемой светодиодом, преобразуется в тепло и только 1/4 – в свет. Поэтому при конструировании светодиодных светильников решающую роль в обеспечении их максимальной эффективности играет оптимизация теплового режима светодиодов, проще говоря, интенсивное охлаждение.

Как известно, передача тепла от нагретого тела осуществляется за счет трех физических процессов:

1. Излучение

Ф = W_λ =5,669·10^-8·(Вт/м²·К⁴)ε·А·(Т_s⁴ – Т_а⁵)
где: W_λ – поток теплового излучения, Вт
ε – коэффициент излучения
Т_s – температура поверхности нагретого тела, К
Т_а – температура поверхностей, ограничивающих помещение, К
А – площадь излучающей тепло поверхности, м²

2. Конвекция

Ф = α· А·(Т_s—Т_а)
где: Ф – тепловой поток, Вт
А – площадь поверхности нагретого тела, м²
α – коэффициент теплопередачи,
Т_s – температура граничной теплоотводящей среды, К
Т_а – температура поверхности нагретого тела, К
[для неполированных поверхностей α = 6…8 Вт /(м²К)].

3. Теплопроводность

Ф = λ_T·(А/l) (Т_s-Т_а) =(ΔT/R_th)
где: R_th= (l / λ_T·A) – тепловое сопротивление, K/Вт,
Ф – тепловая мощность, Вт
A – поперечноесечение
l-длина — λ_T – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)
для керамических элементов охлаждения λ_T=180 Вт/(м·К),
для алюминия – 237 Вт/(м·К),
для меди – 380 Вт/(м·К),
для алмаза – 2300 Вт/(м·К),
для углеродных волокон – 6000 Вт/(м·К)]

4. Тепловое сопротивление

Суммарное тепловое сопротивление рассчитывается как:

R_{th парал.общ.}=1/[(1/ R_th,1)+ (1/ R_{th, 2})+ (1/ R_th,3)+ (1/ R_th,n)]

R_{th последобщ.} = R_th,1 + R_{th, 2} + R_th,3 +….+ R_th,n

Резюме

При дизайне светодиодных светильников необходимо принять все возможные меры для облегчения теплового режима светодиодов за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

Излучение
Поверхность осветительного прибора, на которой монтируется светодиод или модуль с несколькими светодиодами не должна быть металлической, поскольку металлы обладают очень низким коэффициентом излучения. Поверхности светильников, контактирующие со светодиодами, должны, по возможности, иметь высокий спектральный коэффициент излучения ε.

Конвекция 
Желательно иметь достаточно большую площадь поверхности корпуса светильника для беспрепятственного контакт с потоками окружающего воздуха (специальные охлаждающие ребра, шероховатая структура и т.д.). Дополнительный отвод тепла могут обеспечить принудительные меры: минивентиляторы или вибрирующие мембраны.

Теплопроводность
Из-за очень небольшой площади поверхности и объема светодиодов необходимое охлаждение за счет излучения и конвенции не достигается.
Поэтому первоочередная задача при конструировании светодиодных светильников – обеспечить отвод тепла за счет теплопроводности специальных охлаждающих элементов или конструкции корпуса. Тогда уже эти элементы будут отводить тепло излучением и конвекцией.
Материалы теплоотводящих элементов по возможности должны иметь минимальное тепловое сопротивление.
Хорошие результаты были получены с теплоотводящими узлами типа “Heatpipes”, обладающими экстремально высокими теплопроводящими свойствами.
Один из лучших вариантов теплоотвода – керамические подложки с предварительно нанесенными токоведущими трассами, непосредственно к которым подпаиваются светодиоды. Охлаждающие конструкции на базе керамики отводят примерно в 2 раза больше тепла по сравнению с обычными вариантами металлических охлаждающих элементов.
Взаимосвязь электрических и тепловых параметров светодиода проиллюстрирована на рис. 4.
На рис. 5 показана типовая конструкция мощного светодиода с алюминиевым охлаждающим элементом и цепь тепловых сопротивлений, а на рис. 6-8 – различные методы охлаждения.

Рис. 5. Конструктивная схема светодиода с охлаждающим элементом и цепь его тепловых сопротивлений.

Рис. 6. Фирма CeramTec применила для охлаждения светодиода керамический элемент CERAM COOL. Сравнение обычной конструкции (слева) с керамическим вариантом.

Рис. 7. Инновационная система охлаждения разработана фирмой Hauber& Graf. Охлаждающие пластины термически друг от друга изолированы. Отвод тепла от светодиодной платы на пластины осуществляют цилиндрические шипы.

Рис. 8. Монтаж мощного светодиода на охлаждающем элементе (фирма Opto-Corporation, Тайвань).

Рис. 9. Тепловые сопротивления светодиода на токопроводящей плате.

Пример расчета теплового сопротивления для белого светодиода

UF= 3,8 В
IF = 350 мА
PLED = 3,8 В ∙ 0,35 A = 1,33 Вт
Поскольку оптический КПД светодиода равен 25%, то только 0,33 Вт преобразуется в свет, а остальные 75% (Pv=1 Вт) – в тепло. (Зачастую в литературе при расчете теплового сопротивления RthJA допускают ошибку, принимая , что Pv = UF ∙ IF = 1,33 Вт – это неверно!)

Максимально допустимая температура активного слоя (p-n – перехода – Junction) TJ = 125°C (398 K).

Максимальная окружающая температура ТA = 50°С (323 К).

Максимальное тепловое сопротивление между запирающим слоем и окружением:

R_thJA= (T_J – T_A)/ P_v = (398 K – 323K)/1 Вт = 75 К/Вт

Согласно данным производителя, тепловое сопротивление светодиода

R_thJS = 15 К/Вт

Необходимое тепловое сопротивление дополнительных теплоотводящих элементов (охлаждающие ребра, теплопроводящие пасты, клеющие компаунды, плата):

R_thSA= R_thJA – R_thJS = 75-15 = 60 К/Вт

На рис. 9 пояснены тепловые сопротивления для диода на плате.
Взаимосвязь температуры активного слоя и теплового сопротивления между запирающим (активным) слоем и точкой припоя выводов кристалла определяет формула:

T_J= U_{F ∙} I_F ∙ η_e∙ R_thJS + Т_S

где Т_S – температура, измеренная в точке припоя выводов кристалла (в данном случае она равна 105°С)

Тогда, для рассматриваемого примера с белым светодиодом мощностью 1,33 Вт температура активного слоя определится как
TJ = 1,33 Вт ∙ 0,75 ∙ 15 К/Вт + 105°С = 120°С.

Деградация излучательных характеристик из-за температурной нагрузки на активный (запирающий) слой.
Зная реальную температуру в точке припоя и располагая данными, предоставленными изготовителем, можно определить тепловую нагрузку на активный слой (TJ) и ее влияние на деградацию излучения. Под деградацией понимается снижение светового потока в течение времени эксплуатации светодиодного чипа.

Влияние температуры запирающего слоя
Принципиальное требование: максимально допустимая температура запирающего слоя превышаться не должна, так как это может привести к необратимым дефектам светодиодов или к спонтанным выходам их из строя.
В связи со спецификой физических процессов, протекающих во время функционирования светодиодов, изменение температуры запирающего слоя TJ в диапазоне допустимых значений оказывает влияние на многие параметры светодиодов, в том числе на прямое напряжение, световой поток, координаты цветности и срок службы.

Повышение TJ приводит как к снижению прямого напряжения UF, так и к уменьшению светового потока Фv и срока службы. Поэтому конфигурация, размеры и площадь теплоотводящих элементов должны быть выбраны так, чтобы температура запирающего слоя оказалась существенно меньше по сравнению с указанной изготовителем максимально допустимой TJ. (Это очень важная рекомендация !)

Напряжение на p-n переходе U – это функция прямого тока I и температуры кристалла Т:
U = I · n [I / Is(T) + 1] · nkT/e,
где:
Is – ток насыщения (также зависит от Т), k – постоянная Больцмана, е – элементарный заряд, n – 1…2 – коэффициент эмиссии.

При постоянном стабилизированном прямом токе, если происходит рост TJ, то напряжение на запирающем слое снижается.

Из статьи профессора Петера Маркса «Технические особенности применения светодиодов» (Peter Marx. LED-Anwendungstechniк; журнал “Licht”, 2009, №3, с. 184-188)