ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ

Альшаник Юрий Владимирович

инженер-конструктор Научно-исследовательского унитарного предприятия «ИНСТИТУТ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ ГОРИЗОНТ»,

Республика Беларусь, г. Минск

E -mail: alshanik.yury@gmail.com

THE THERMAL CONDITIONS OF OPERATION OF HIGH-POWER LEDs

Yury Alshanik

design engineer of R&D CENTER HORIZONT,

Belarus, Minsk

АННОТАЦИЯ

В статье изучаются температурные режимы работы мощных светодиодов для использования в различных типах светоизлучающих устройств. Показано, что использование термоэлектрических батарей для охлаждения мощных светодиодов не очень эффективно. Наиболее существенный вклад в охлаждение светодиодов достигается при увеличении размеров радиатора. Результаты этого исследования необходимы для последующего математического моделирования и построения систем управления режимами работы светоизлучающих систем.

ABSTRACT

In this paper we study the temperature modes of power LEDs for use in various types of light-emitting devices. It is shown that the use of thermoelectric coolingbatteries for high-power LEDs are not very effective. The most significant contribution to LED cooling is achieved by increasing the size of the radiator. The results of this study is needed for the subsequent mathematical modeling and control systems operating modes of light-emitting.

Ключевые слова: мощные светодиоды; радиатор; охлаждение.

Keywords: high-power LEDs; heat sink; cooling.

Всё большую актуальность приобретает задача, связанная с минимизацией энергопотребления. Только на освещение во всем мире расходуется порядка 30–35 % всей вырабатываемой электроэнергии, при этом в мегаполисах – в 1,5–2 раза больше. Известно, что современные «белые» светодиоды – источники света нового поколения – во много раз превосходят лампы накаливания и люминесцентные источники с точки зрения экономии электроэнергии. Развивается рынок мощных светодиодов, ориентированных на освещение.

Надежность и выходные характеристики светодиодов тесно связаны с температурой рабочей области p-n- или гетеро-перехода, что делает тепловой расчёт и выбор системы охлаждения весьма ответственным этапом проектирования светодиодных систем. В отличие от традиционных источников света, светодиоды не излучают тепло, а переводят его в направлении от p-n-перехода к расположенному на корпусе светодиода теплоотводу (обычно электрический вывод светодиода или специальная металлическая пластина) [1].

Эксплуатация при высокой температуре перехода резко сокращает срок службы светодиода, ведет к деградации его излучательной способности. В связи с этим, при проектировании осветительной системы на базе мощных светодиодов необходимо предусмотреть эффективную систему теплоотвода, позволяющую поддерживать температуру перехода в заданных пределах (60, 70ºС на теплоотводящем основании и ~100ºС на кристалле светодиода).

В том числе, система кристалл – корпус светодиода – теплоотвод может быть дополнена «тепловым насосом» – элементом Пельте, устанавливаемым между корпусом светодиода и теплоотводом [2].

Измерения динамики изменения распределения температуры были проведены для нескольких конструкций светоизлучающих устройств. Одновременно оценивалась их светоотдача.

Измерения температуры осуществлялись двумя способами:

Контактным способом с помощью термопары типа «К» (хромель-копель) с погрешностью измерения  прибором М838. Все температуры, измеренные контактным способом, имеют индекс «к» ().

Бесконтактным способом пирометром АКИП-9304 с погрешностью измерения . Все температуры, измеренные бесконтактным способом, имеют индекс «В» ().

Тепловое состояние устройства оценивалось также по изображению, полученному с помощью тепловизора TESTO 880-3. Все температуры, определенные таким образом, имеют индекс «T» ().

Динамика изменения светоотдачи светодиода оценивалась по освещенности, измеренной на заданном расстоянии от светодиода d, прибором C.E.M. DT-1308 с относительной погрешностью измерений ±5 %.

Во всех случаях при креплении светодиодов на металлическом основании радиатора для уменьшения теплового сопротивления корпус светодиода-теплоотвод использовалась паста КПТ-8.

Были предприняты меры по защите светодиодов от воздействия статического электричества при монтаже и дальнейших исследованиях. Перед монтажом на теплоотвод токовые выводы светодиода шунтировались резисторами номиналом 30 кОм 0,125 Вт. Шунтирование выводов светодиодов проводилось при заземленном нагревательном элементе паяльника, экспериментатор, проводящий шунтирование также был заземлен токопроводящим браслетом.

Конструкция № 1 использовалась для исследования влияния термоэлектрической батареи на изменение температуры (рисунок 1). Около светодиода (L) через термоэлектрическую батарею (TB) подстыкован дополнительный теплоотвод R2 (алюминиевый радиатор 50,5*45,3 см с 5 ребрами высотой 59,1 см). Токи были стабилизированы и составляли через светодиод I_L=2.1A, через термобатарею I_TB=2.1A, и измерялись падения напряжения на светодиоде U_L и на термобатарее U_TB. Результаты в таблице 1.

Рисунок 1. Конструкция № 1

Таблица 1.

Результаты измерения для конструкции № 1

Были проведены подобные измерения при отключенной термобатарее (U_TB – напряжение холостого хода термобатареи, используемой как термогенератор). Из графика, представленного на рисунке 2, видно, что использование термобатареи для данной конструкции не является эффективным методом охлаждения светодиода.

Рисунок 2. График зависимость температуры tk1 от времени: 1 – конструкция без R 2, 2 – конструкция № 1 с включённой ТБ, 3 – конструкция № 1 с отключённой ТБ

В дальнейшем измерения проводились на радиаторе, состоящем из материала АД31 ГОСТ4784-97 длиной 300 мм, профиль радиатора представлен на рисунке 3. Исследовались температурные режимы трех конструктивных вариантов, отличающиеся потребляемой мощностью: 100 Вт, 90 Вт, 190 Вт. Для этого использовались светодиоды L1-L6 – SLV06P15-F1000-D5 мощностью по 15 Вт и светодиод L7 – SLV08P100-F11000-D5 мощностью 100 Вт.

Рисунок 3 . Профиль радиатора

Расположение светодиодов для варианта 190 Вт приведено на рисунке 4.

Рисунок 4 . Расположение светодиодов

Первые два варианта отличаются отсутствием либо L1–L6 (для потребляемой мощности 100 Вт), либо L7 (для 90 Вт). Измерения динамики изменения температуры проводились раздельно для всех трех вариантов включения светодиодов. Температура корпуса L7 – t_k1, температура между L7 и L1–L6 – t_k2, температура корпуса L6 – t_B1, температура непосредственно под корпусом L7 – t_k3. Расстояние до датчика освещённости d=0.5 м.

Таблица 2.

Результаты измерений для конструкции с потребляемой мощностью P=90 Вт (включаются только светодиоды L1-L6)

Таблица 3.

Результаты измерений для конструкции с потребляемой мощностью P=100 Вт (включается только светодиод L7)

Для конструкции с потребляемой мощностью P=190 Вт (включается вся линейка светодиодов L1 – L7) на рисунке 5 представлен график зависимости температуры t_k2 от времени работы светодиодов.

Рисунок 5. График зависимости температуры t_k2 от времени работы светодиодов

Таким образом, из исследования тепловых условий режимов работы мощных светодиодов следует, что использование термобатарей для охлаждения светодиодов является неэффективным методом. Более существенные результаты достигаются при увеличении размеров и качества используемого радиатора. Как видно из рисунка 5 при использовании радиатора из материала АД31 длиной 300 мм, даже при увеличении мощности светодиодов до 190 Вт, температура радиатора была в районе 60°С. Данная температура почти на 20°С ниже, чем при использовании радиатора из алюминия размером 152*130 мм для 50 Вт светодиода (рисунок 2).

 Список литературы:

1. Ноэль Лотар. Охлаждение и регулирование температурных режимов светодиодов. // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 3. C. 13–15.
2. Аракелов Г.А., Ершова Л.Б., Громов Г.Г. О некоторых особенностях оптимизации режимов электропитания термоэлектрических охладителей в составе фотоприёмников. // Прикладная физика. 2007. № 3. С. 73–77.