Монтаж мощных светодиодов

Содержание

Охлаждение и регулирование температурных режимов светодиодов

Монтаж мощных 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.

На рынке представлено множество вариантов конструкций, ориентированных на различные способы применения. Это светодиоды с проволочными выводами, используемые в качестве индикаторов, SMT-светодиоды в корпусах PLCC, шести- и восьмигранные светодиоды с различными характеристиками, а также представляющие особый интерес светодиоды в исполнении COB (Chip on Board — «кристалл на плате»), которые припаиваются непосредственно на печатную плату.

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.

Алюминиевое основание позволяет отводить тепло от светодиодов в окружающую среду через тепловые каналы или вкладыши (с покрытием сплошным слоем меди) — напрямую или через смонтированный на плате дополнительный радиатор.

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.

Читайте также  Простой стабилизатор тока для светодиодов

Гребенчатые радиаторы следует монтировать так, чтобы они не создавали препятствий естественным конвективным потокам. При активном охлаждении необходимо обеспечить максимально беспрепятственный впуск и выпуск воздуха. Поставщики радиаторов для светодиодов указывают тепловое сопротивление изделий на графиках в документации к ним.

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

Эффективность охлаждения можно повысить, реализовав принудительную вентиляцию. Вентилятор на радиаторе, в зависимости от способа применения, может улучшить теплоотвод примерно на 40%. Для этой цели используются специально разработанные радиаторы. Для выбора подходящего охлаждающего элемента в схеме с принудительной вентиляцией приводятся графики зависимости теплового сопротивления от скорости воздушного потока (рис. 5).

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.

Но при любых способах крепления необходимо принять меры к тому, чтобы никакие соседние или дополнительные электронные компоненты, выделяющие тепло (резисторы, транзисторы и т. п.), не препятствовали отводу тепла от светодиода и не вызывали приток тепла в систему. Разные способы применения требуют разных методов регулирования температурных режимов (рис. 6).

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

Сверхяркие светодиоды: особенности монтажа, питания, конструкции

Монтаж мощных светодиодов

Осветительными приборами, где в качестве источников света используются сверхяркие светодиоды, уже никого не удивишь. Спрос на такие устройства неизменно растет, это напрямую связано с низким энергопотреблением этих приборов. Учитывая, что на освещение тратится около 25-35% потребляемой электроэнергии, экономия будет весьма ощутимой.

Различные виды сверхярких светодиодных источников освещения

Но учитывая относительно высокую стоимость сверхярких светодиодов, в силу их конструктивных особенностей, говорить о полном переходе на этот тип освещения еще не своевременно. По мнению специалистов, этот процесс займет от 5 до 10 лет, именно столько понадобится на отладку и внедрение новых технологий.

Кратко об эффективности

Эффективностью осветительного прибора принято считать соотношение вырабатываемого светового потока (измеряется в люменах) к потребляемой электроэнергии (ватт). Качественная лампа с нитью накала имеет эффективность около 16 люменов на ватт, флуоресцентная (энергосберегающая) — в четыре раза больше (64 лм/Вт), для длинных дневных ламп этот показатель в районе 80 лм/Вт.

Читайте также  Светодиоды для осветительных ламп

КПД сверхярких светодиодов, выпускающихся массово на текущий момент, примерно такой же, как у ламп дневного света. Обратите внимание, что мы говорим именно про массовую продукцию. Что касается теоретического предела для сверхярких светодиодных источников, то он определен порогом в 320 лм/Вт.

Как обещают многие производители, в ближайшие несколько лет КПД можно будет повысить до уровня 213 лм/Вт.

Влияние особенностей конструкции на стоимость

Для изготовления сверхярких светодиодных источников света может применяться один из двух способов:

  • чтобы получить свет, близкий по спектру к белому, используются три кристалла установленных в одном корпусе. Один красный, второй синий и третий зеленый;
  • применяется кристалл, излучающий в голубом или ультрафиолетовом спектре, он подсвечивает линзу покрытую люминофором, в результате излучение преобразуется в свет, близкий по спектру к природному.

Не смотря на то, что первый вариант более эффективен, его реализация обходится несколько дороже, что отрицательно отражается на распространенности. Помимо этого спектр света, излучаемый таким источником, отличается от природного.

У приборов, изготовленных по второй технологии, меньше эффективность. Стоит также учитывать, что люминофор содержит в себе сложный по составу композит на основе церия и иттрия, которые сами по себе стоят недешево. Собственно, этим и объясняется относительно высокая стоимость сверхярких светодиодов белого света. Конструкция такого устройства показана на рисунке.

Устройство сверхяркого светодиода

Обозначения:

  • А – печатный проводник;
  • В – основание с повышенной теплопроводимостью;
  • C – защитный корпус устройства;
  • D – паста-припой;
  • E – кристалл светодиода, излучающий ультрафиолетовый или голубой свет;
  • F –люминофорное покрытие;
  • G – клей (может быть заменен эвтектическим сплавом);
  • H – провод, соединяющий кристалл и вывод;
  • K – отражатель;
  • J – теплоотводящее основание;
  • L – вывод питания;
  • M – диэлектрическая прослойка.

Особенности монтажа

На работу сверхярких светодиодов оказывает влияние степень нагрева кристалла и самого p-n перехода. От первого напрямую зависит срок эксплуатации устройства, от второго – уровень светового потока. Поэтому для длительной службы сверхярких светодиодов необходимо организовать надежный теплоотвод, делается это при помощи радиатора.

Следует принять во внимание, что теплопроводящие основания этих полупроводников, как правило, проводят электричество. Поэтому когда устанавливается несколько элементов на один радиатор,  следует позаботиться о надежной электроизоляции оснований.

Хороший теплоотвод значительно увеличивает срок службы сверхярких светодиодов

Остальные правила монтажа практически такие же, как у обычных диодов, то есть необходимо соблюдение полярности, как при установке самой детали, так и подключении питания.

Особенности питания

Учитывая относительно высокую стоимость сверхярких светодиодов, очень важно использовать для их работы надежные и качественные источники питания, поскольку эти полупроводниковые элементы критичны к токовой перегрузке.

После нештатного режима прибор может остаться работоспособным, но мощность излучаемого светового потока существенно сократится. Помимо этого такой элемент с большой вероятностью станет причиной поломки и других, совместно подключенных светодиодов.

Прежде, чем говорить о драйверах для сверхярких светодиодов, коротко расскажем об особенностях их питания. В первую очередь необходимо принять во внимание следующие факторы:

  • мощность светового потока, излучаемая этими элементами, напрямую зависит от величины протекающего через них электротока;
  • для сверхярких светодиодов характерна нелинейная ВАХ (вольт-амперная характеристика);
  • температура оказывает сильное влияние на ВАХ этих полупроводниковых приборов.

Ниже показано изменение ВАХ при температуре полупроводникового элемента (сверхяркий smd-светодиод) 20 °С и 70 °С.

Изменение характеристик от влияния температуры

Как видно из графика, при подаче на полупроводник стабильного напряжения величиной 2 В, электроток, проходящий через него, меняется в зависимости от температуры. При нагреве кристалла 20°С он будет равен 14 мА, когда температура повысится до 70°С, этот параметр будет соответствовать 35 мА.

Результатом такой разницы будет изменение мощности светового потока при одном и том же питающем напряжении. Исходя из этого, необходимо стабилизировать не напряжение, а электроток, проходящий через полупроводник.

Такие блоки питания называются светодиодными драйверами, они представляют собой обычные стабилизаторы тока. Это устройство можно приобрести готовое или собрать самостоятельно, в следующем разделе мы приведем несколько типичных схем драйверов.

Самодельный светодиодный драйвер

Предоставим вашему вниманию несколько вариантов драйверов на основе специализированных микросхем компании Monolithic Power System, использование которых существенно упрощает конструкцию. Схемы приводятся в качестве примера, полное описание типового включения можно найти в даташит на микросхемы.

Вариант первый на базе понижающего преобразователя МР4688.

Пример включения МР4688

Данный драйвер может работать с напряжениями от 4,5 до 80 В, порог максимального выходного электротока 2 А, что позволяет запитать светильник на сверхярких светодиодах большой мощности. Уровень электротока, проходящего через светодиоды, регулируется сопротивлением R . Реализация ШИМ-диммирования с частотой 20 кГц позволяет плавно изменять протекающий через светодиод электроток.

Второй вариант драйвера на базе микросхемы МР2489. Ее компактный корпус (QFN8 или TSOT23-5) делает возможным размещение драйвера в цоколе MR16, используемый галогенными лампами, что позволяет заменить последние светодиодными. Типовая схема подключения МР2489 показана на рисунке.

Драйвер на базе МР2489

Приведенная выше схема позволяет включать два параллельных светодиода, у каждого из которых рабочий ток 350 мА.

Последний вариант драйвера на базе микросхемы МР3412, который может быть использован в переносных фонариках. Отличительная особенность такой схемы – возможность работы от пальчикового элемента питания АА.

Драйвер для фонарика на базе МР3412

Источник: https://www.asutpp.ru/sverxyarkie-svetodiody.html

Монтаж мощных светодиодов

Монтаж мощных светодиодов

17 Февраля 2011

Известно, что КПД мощных светодиодов на порядок выше, чем у ламп накаливания. В то же самое время, большая часть энергии, потребляемой светодиодами (около 75%), все-таки уходит в рассеиваемое тепло. С ростом светового потока от светодиодных источников растет тепловыделение.

По оценкам некоторых международных и отечественных экспертов, обеспечение эффективного теплоотвода в светодиодной (LED) светотехнике – одна из наиболее актуальных задач, стоящих сегодня перед разработчиками и производителями данной продукции.

Настоящая статья посвящена решению задач теплоотвода в современной светодиодной светотехнике при помощи эффективных теплопроводящих материалов.

Почему важен эффективны отвод тепла в светодиодной светотехнике

В отличие от традиционных ламп накаливания и газоразрядных ламп современные светодиоды чувствительны к высоким температурам:

  • 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 двадцатью светодиодами при температуре 80°С может иметь световой поток, эквивалентный потоку от семнадцати светодиодов при комнатной температуре. При температуре перехода в 150°С, интенсивность света светодиодов может упасть на 40%!
  • в-третьих, у светодиодов присутствует отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения, т.е. 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 3,3В при +25°C и не более 3В 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.
Читайте также  Стабилизатор тока для светодиодов своими руками

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 приводить к потере количества и качества света, увеличению стоимости света от светодиодного устройства, а также сокращению жизни прибора.

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 (рис. 1). Как результат – контакт между плоскостями происходит точечно, что существенно увеличивает тепловое сопротивление перехода.

Рис. 1 Схематичное изображение контакта двух поверхностей

Важно помнить, что воздух имеет коэффициент теплопроводности около 0,02 Вт/м*К, 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.

Уровни теплопередачи в типовом светодиодном устройстве

Рассмотрим несколько уровней передачи тепла в типичном LED светильнике (рис. 2).

Рис. 2 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*К, 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*К 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*К).

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.

Применение теплопроводящих паст

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°Си 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*К 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*К (Dow Corning TC-5600).

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).

Рис. 3 Применение теплопроводящих клеевТаблица 1 Сравнительные характеристики теплопроводящих клеев** Dow Corning

Применение теплопроводящих силиконовых компаундов

Часто светодиодная техника оказывается подвержена неблагоприятным воздействиям окружающей среды: влажность, соляной туман, кислотные осадки, загрязнение пылью и т.п. Это информационные LED экраны, светильники уличного освещения, светильники взрыво-безопасного исполнения, светофоры и т.п.

Рис. 4 Варианты защиты светодиодного светильника

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.

Очевидно, что современный светильник требует более современных решений для защиты устройства.

Многие производители для защиты устройства всё чаще используют теплопроводящие заливочные компаунды (рис. 5, 6). 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.

Хорошим решением для заливки светодиодного устройства могут быть силиконовые компаунды Sylgard 160 и Sylgard 170. Материалы характеризуются теплопроводностью до 0,6 Вт/м*К 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.

Источник: https://1000eletric.com/montazh-moschnyh-svetodiodov/