Теплоотвод для светодиодов

Что такое теплоотвод в светодиодном светильнике?

Теплоотвод для светодиодов

В статье рассматривается вопрос применения различных систем охлаждения (теплоотвода) в светодиодных светильниках, их классификация, устройство и принципы расчета/подбора.

Обобщающей тенденцией для большинства отраслей национальной экономики является стремление к энергосбережению. Причем, это не просто желание бизнеса сократить расходы на потребляемое электричество, в частности, на освещение, а фактически, государственная политика.

Неудивительно, что на смену морально устаревшим по своим характеристикам лампам накаливания, массово стали приходить светодиодные приборы. Для обеспечения одного и того же по интенсивности светового потока они потребляют в 5-10 раз меньше мощности, а по долговечности имеют и вовсе 30-50-кратный перевес.

Правда, все эти условия будут соблюдены только, если обеспечить светодиодам эффективный теплоотвод. В этой статье речь, как раз, пойдет об устройстве, классификации и методах расчета подобных систем.

Откуда берется тепло?

Одним из основополагающих физических законов без сомнения есть закон сохранения энергии, согласно которому она «не возникает из неоткуда и не девается в никуда». В отношении лампы накаливания, это утверждение выглядит следующим образом:

  • Входной энергетический поток – это потребляемая прибором электрическая мощность;
  • Выходной энергетический поток – это совокупность светового и теплового (инфракрасного) излучения, которое генерируется при прохождении тока, через нить накала.

Если попробовать интерпретировать эту информацию с точки зрения эффективности, рассчитав КПД, то получим следующие составляющие:

  • Потребляемая из сети мощность равна суммарной, сообщенной системе энергии;
  • Световое излучение – это полезно использованная часть энергии;
  • Тепловое излучение – это балласт.

Наличие теплового электромагнитного излучения выходит из закона Планка, согласно которому, любое тело с температурой выше абсолютного ноля генерирует такие волны. Для того чтобы они стали видимыми (свет), нужно изменить их длину, а это исходя уже из закона смещения Вина возможно при повышении температуры выше 570 °С. В лампе это достигается за счет большого сопротивления материала нити накала, что при прохождении электрического тока повышает ее температуру практически до 2800 К.

Если перевести эти данные в процентное соотношение, то получится, что КПД такой лампы всего 5%. Именно эта небольшая доля общего электромагнитного излучения генерируется в видимом спектре. Назвать этот показатель оптимальным нельзя еще и потому, что наиболее естественной для человеческого глаза является цветовая температура около 5770 К. Но, в силу объективных причин она не достижима в рамках технологии ламп накаливания (нет такого металла, который бы выдерживал ее).

В светодиодах же диапазон реально используемой цветовой температуры составляет от 2700 до 6500 К. Существующая технология также предусматривает использование электрического тока в качестве источника энергии, но генерация эффективной и балластной частей электромагнитного излучения происходит иначе.

Если пропустить ток через многослойный полупроводниковый кристалл, то произойдет рекомбинация свободных электронов и дырок. Элементарные частицы меняют свой энергетический потенциал, побочным результатом чего является выделение тепла.

Если при этом обеспечить характеристики активной зоны близкими к квантовой энергии видимого спектра, то помимо теплового излучения будут генерироваться потоки фотонов, то есть свет.

Соотношение эффективной (свет) и балластной (тепло) частей определяет КПД светодиодов, который достигает 35-50%, то есть в 7-10 раз выше аналогичного показателя у ламп накаливания.

Но, нужно отметить, что подобные результаты достижимы на протяжении всего срока эксплуатации (порядка 30-50 тысяч часов) только в том случае, если не превышаются температурные режимы работы и обеспечивается достаточный теплоотвод для диодов. В случае полупроводников предельным считается значение в 70-80 °С.

Если температура поднимается выше этой отметки, а тем более поддерживается таковой в течение рабочего цикла, то для самого светодиода это будет иметь следующие последствия:

  • Увеличивается концентрация дефектных областей в активной зоне и, как следствие, электронно-дырочной рекомбинации без генерации фотонов. Кроме того, часть сформировавшихся частиц света может быть поглощена компонентами чипа;
  • Ухудшаются оптические и спектральные характеристики люминофора, в особенности, тогда, когда он нанесен непосредственно на поверхность полупроводника;
  • Пластиковый либо эпоксидный корпус под действием температуры стареет, что, в конечном счете, приводит к снижению яркости излучаемого света.

Существующие системы теплоотвода

Сам по себе полупроводниковый кристалл не обладает ни высокой теплопроводностью, ни развитой поверхностью теплообмена. Поэтому для утилизации избыточного тепла при проектировании светильников инженерам приходится вводить в конструкцию специальные узлы – радиаторы. Классифицировать их можно по таким критериям, как материал, геометрическая/конструктивная форма и принцип действия.

Материал

На сегодняшний день наиболее ходовым сырьем для изготовления светодиодных радиаторов является алюминий. Его коэффициент теплопроводности оценивается в 230-240 Вт/(м·К), что практически в 4-5 раз выше, чем у стали. Материал отличается относительно невысокой стоимостью и легкостью механической обработки (штамповка, мехобработка на токарно-фрезерных станках, литье).

Читайте также  Светодиод слои кристалла

Наименее распространенной ввиду высокой цены на рынке и сложности обработки является медь. Но, главным ее козырем является высокая теплопроводность – около 380-400 Вт/(м·К). Кроме того, эти цифры означают, что при одной и той требуемой интенсивности охлаждения, размеры самого радиатора (площадь поверхности теплоотдачи) могут быть в 1,5-2 раза меньше, чем при использовании алюминия. То есть сам светильник может стать компактнее.

Близка по своим теплофизических качествам к алюминию керамика – около 180-230 Вт/(м·К). Кроме того, она является диэлектриком, что в свете использования в электроприборах является чуть ли не главным достоинством. С механической точки зрения керамика – довольно хрупкий и сложный в части обработки материал.

Ну и последним сырьем, из которого часто делают теплоотвод для светодиодов, являются различные термопластические полимеры, например, АБС. Его теплопроводность не впечатляет – максимум 40 Вт/(м·К), но при этом, материал является диэлектриком, к тому же, очень дешевым.

Теплоотвод из пластика может приобретать самую различную геометрию, поскольку его изготавливают методом литья в пресс-форму под давлением. Сфера применения его ограничивается мощностью прибора в 10 Вт, поскольку при больших ее значениях радиатор из пластика не может обеспечить достаточный отбор тепла при сохранении компактных размеров и дизайна.

То есть, фактически его используют в конструкции светодиодных цокольных лампочек.

Форма

С точки зрения геометрии и теплофизики, достаточная для эффективного охлаждения площадь поверхности достигается применением различных конструктивных элементов:

  • Пластины. Элементы из тонкого листового металла, которые с определенным шагом фиксируются на стержневых направляющих, соединенных непосредственно с контактной поверхностью радиатора;
  • Иголки. Цилиндрические элементы различной высоты и диаметра, которые одним концом фиксируются на контактной площадке;
  • Ребра. Пластинчатые прямоугольные (или близкие к ним по сечению, например, трапецеидальные) элементы, которые по аналогии с иголками одним торцом располагаются на контактной поверхности. Могут выполняться отдельно от основного тела радиатора или заодно с ним, например, путем фрезерования алюминиевой заготовки или литья в форму.

Могут также встречаться комбинированные варианты, как в плане геометрии, так и используемых материалов. Например, контактная площадка изготавливается из меди, а элементы рассеивания – из алюминия.

Принцип работы

В зависимости от того, как происходит процесс охлаждения платы светильника, все радиаторы можно разделить на два класса:

  • Пассивные. В таких радиаторах отбор тепла происходит путем конвективной теплоотдачи и излучения с поверхности рассеивания. Циркуляция воздушных масс происходит естественным образом за счет предпринятых конструктивных решений, позволяющих создать необходимую в таком случае разность давлений;
  • Активные. В радиаторах такого типа циркуляция охлаждающего печатную плату воздуха через радиатор происходит принудительно, с помощью вентилятора. В небольших по мощности моделях часто используют знакомый всем кулер – такой же, как в системном блоке ПК.

Как сделать теплоотвод?

На основании всей выше изложенной информации можно сделать один логический вывод: для обеспечения нормальной работы светодиодного светильника нужен радиатор с оптимальной площадью рассеивающей поверхности. Для ее определения используют один из двух методов:

  1. Проектный. Его результатом является определение геометрических размеров и площади поверхности радиатора для заданного температурного режима. Такой расчет выполняется в том случае, если планируется разработка совершенно новой конструкции;
  2. Поверочный. Алгоритм действий противоположный предыдущему, то есть, по известной геометрии теплоотвода определяется количество тепла, которое он способен при этом утилизировать. Очевидно, что такая методика подходит для тех случаев, когда для охлаждения светодиодной платы планируется использовать какой-нибудь стандартный (серийный) радиатор.

И в первом, и во втором случае все сводится к определению рассеиваемой тепловой энергии, которая зависит от параметров питающей сети (ток и падение напряжения), и теплового сопротивления. Исходя из его значения подбирается стандартный радиатор или проектируется новый.

Источник: https://itw-systems.com/ru/blog/chto-takoe-teplootvod-v-svetodiodnom-svetilnike/

Технологии сборки. Эффективный теплоотвод с помощью керамических подложек

Теплоотвод для светодиодов

Заказать этот номер

2010№5

Успех применения светодиодов ограничен их небольшой допустимой температурной нагрузкой. Новые разработки чаще всего направлены на оптимизацию теплоотводов и редко — на оптимизацию слоев между теплоотводом и светодиодами. Новые концепции и другие материалы имеют значительный потенциал для оптимизации, упрощения и повышения надежности.

При использовании керамики в качестве теплоотвода, носителя электронных модулей и элемента дизайна необходима определенная смелость и открытость для новых решений. Метод моделирования, базирующийся на вычислительной гидродинамике (Computational Fluid Dynamics), дополняет оптимизацию теплоотвода и технический дизайн продукта.

Автор статьи объясняет новый метод, описывает концепцию и показывает, каким образом можно достичь улучшений и каких именно.

Что означает высокая температура?

Светодиоды известны как эффективные, небольшие источники света. При этом они действительно небольшие до тех пор, пока не учитывается их система теплоотвода. Лампы накаливания работают при температуре до 2500 °C. Светодиоды значительно холоднее, и многие удивляются тому, что тепло может представлять собой такую большую проблему.

Не в последнюю очередь из-за использования технологии полупроводников они выдерживают максимально около 100 °C. Согласно закону сохранения энергии тепло должно переходить на окружающие компоненты. Имеется лишь небольшой перепад температур между максимальной температурой в 100 °C и температурой окружающей среды 25 °C для того, чтобы отдать теплоэнергию.

В связи с этим необходима большая поверхность и оптимальная система распределения тепла.

Группы оптимизации

В группу 1 входят сами светодиоды. (Эта группа не будет затронута в последующем рассуждении.) Ее главными элементами являются кристалл и теплоотвод — медная подложка, которая связывает кристалл с нижней стороной светодиода. Термически этот метод прямого соединения кристалла светодиода с теплоотводом идеален. По причине массового производства такая концепция неосуществима с коммерческой точки зрения, в связи с чем светодиод рассматривается тут как стандартизированное, не поддающееся изменениям изделие из каталога.

Читайте также  Светодиод 1 Вт характеристики

К группе 2 относится теплоотвод, который отводит энергию от источника тепла к теплостоку (окружающие элементы/воздух). Чем лучше свойства используемого материала, тем меньше необходимость его ламинирования и тем эффективнее работает система охлаждения. Некоторые производители уже используют материалы, которые они целенаправленно выбирают и применяют, основываясь на их дизайне.

Группа 3 механически объединяет названные модули, электрически изолирует и служит отводу тепла. Это кажется противоречивым, так как большинство материалов с хорошей теплопроводностью имеют и хорошую электропроводность. И наоборот, практически любой электрически изолированный материал является тепловым барьером. В большинстве случаев светодиод припаивается на печатную плату, после чего на него приклеивается металлический теплоотвод. Таким образом, можно сохранить изначальную функцию печатной платы. Хотя существуют печатные платы с разной теплопроводностью, они являются препятствием для отвода тепла.

Три группы представляют собой систему распределения тепла и будут исследованы на предмет наличия потенциала для оптимизации (рис. 1). Возможной оптимизацией может быть исключение группы 3.

Рис. 1. Три группы системы распределения тепла

Сопоставимость систем — термическое суммарное сопротивление Rtt

Термическое сопротивление светодиодов (вплоть до теплораспределителя) и теплоотводов указывается производителем. К сожалению, часто при анализе не учитывается значительное влияние группы 3, то есть промежуточных слоев. Если сложить все термические сопротивления, начиная с распределителя светодиода и заканчивая окружающими компонентами, то образуется термическое суммарное сопротивление Rtt (рис. 2). Rtt позволяет получить правильное сравнение решений управления теплом с первой оценкой эффективности.

Рис. 2. Температура в LED — Rtt = (TтеплораспределителяTокружающих компонентов)/ теплоизлучение LED

Rtt передает термическое суммарное сопротивление от теплораспределителя светодиода окружающим компонентам. Конкретная величина облегчает сравнение систем охлаждения и их эффективности.

Керамика: два в одном

Оптимизация теплоотвода является общепринятой на рынке. Доступны сотни различных конструкций, в основном из алюминия. Но для заслуживающего внимания улучшения работы теплоотвода необходимо оптимизировать группу 3 или полностью ее исключить. Электрическая изоляция должна быть создана самим теплоотводом благодаря использованию других материалов. Решением является керамика. Керамика, например рубалит (Al2O3) или алюнит (AlN), объединяет в себе решающие характеристики: хорошую электрическую изоляцию и теплопроводность. Рубалит обладает меньшей, алюнит приблизительно такой же теплопроводностью, как и алюминий.

С другой стороны, рубалит дешевле алюнита. Их термический коэффициент расширения соотнесен с коэффициентом расширения полупроводников, они имеют фиксированную форму, устойчивы к коррозии и соответствуют директиве RoHS. Являясь полностью неактивным, это компонент системы, который последним выходит из строя.

Упрощенная структура (без клея, изоляционных слоев) в сочетании с прямым и длительным соединением между High-Power-LED и CeramCool создает оптимизированные условия эксплуатации для всей конструкции. Простыми словами: то, чего нет в наличии, не может устаревать, а материалы, которые одинаково расширяются, не отсоединяются друг от друга.

В результате чего возникает долговременная стабильность, надежное распределение тепла и необычайно высокая надежность. Был заявлен патент, и концепция получила название CeramCool.

Теоретические основы

Керамический теплоотвод CeramCool, по словам изготовителя, является эффективным сочетанием платы-носителя и керамического теплоотвода, который обеспечивает надежный отвод тепла с термически чувствительных компонентов и схем.

Он обеспечивает прямое и прочное соединение компонентов. К тому же керамика является электроизолирующим материалом, и на ней могут быть созданы контактные площадки в виде площадок металлизации. Также возможна печать с индивидуальным дизайном проводников, при необходимости и в 3D.

Для применений в силовой электронике и при большой величине тока возможно использование технологии DBC (Direct Copper Bonding) — прямой медной металлизации. Теплоотвод является в таком случае элементом-носителем модуля, и на нем могут быть монтированы светодиоды или другие компоненты, как и в случае с обычной печатной платой.

Система напрямую отводит тепло без каких-либо термических барьеров.

Приемочные испытания и контроль

Для проверки были проведены контрольные испытания образцов, которые базировались на многочисленных примерах моделирования. Для того чтобы спрогнозировать термическое поведение теплоотвода различных конструкций, был разработан метод моделирования, основанный на вычислительной гидродинамике (CFD). Теплоотвод был оптимизирован для 4-Вт отвода избыточного тепла и служил в качестве основы для сравнения.

Оптимизированная геометрия позволяет при использовании CeramCool эксплуатацию 4-Вт LED с максимальной температурой, не превышающей 60 °C. Результаты моделирования были подтверждены измерениями. Конструкция теплоотвода представляет собой квадрат (38×38×24 мм) и состоит из длинных тонких пластин, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Такая же структура из алюминия с 4-Вт LED на печатной плате дает значительно более высокие значения.

В зависимости от тепловой проводимости (от λ = 4 Вт/мК до λ = 1,5 Вт/мK) печатной платы температура увеличивается с 6 до 28 K (рис. 3, 4).

Рис. 3. Пример моделирования для разработки дизайна

Рис. 4. Оптимизированная геометрия CeramCool для 4-Вт теплоотвода

Разница в 6 К означает значительную разгрузку критических компонентов. Термическое суммарное сопротивление керамической структуры с рубалитом по крайней мере на 13% лучше, чем с алюминием. При использовании алюнита можно также достичь улучшения более чем на 31%. Если основываться на разнице температур в 28 К, результаты будут намного лучше.

Читайте также  Защита светодиодов в автомобиле

Для разработки дизайна был представлен еще один пример моделирования. Измерения на испытательных образцах были использованы для подтверждения результатов.

Гибкость концепции

Концепция и задачи оптимизации гибкие. Светодиод может работать при оптимальной температуре, что продлевает его срок службы, или же может эксплуатироваться более жестко, производить больше лм/Вт при более высокой температуре и выходить из строя раньше. Диапазон от 50 до 110 °C является нормой. Для более высокой световой мощности 4-Вт теплоотвод может также эксплуатироваться с 5- или 6-Вт светодиодами. Разделение на большее количество 1-Вт светодиодов улучшает распределение тепла, результатом чего являются 65 °C с 5-Вт светодиодами и 70 °C с 6-Вт светодиодами (рис. 5).

Рис. 5. Разделение на несколько светодиодов для лучшего теплораспределения

Компактный теплоотвод с плотным монтажом

Из-за прямого и прочного интерметаллического соединения с электрически изолированным CeramCool керамический теплоотвод принимает больше тепла и становится горячее. Он разгружает светодиоды и делает именно то, для чего он и предназначен: охлаждает критические компоненты. Уменьшенная температура кристалла делает возможной меньшую поверхность. Теплоотвод может быть уменьшен. Или на него крепятся индивидуально разработанные структуры проводников, и на теплоотводе плотно устанавливаются электронные компоненты.

Средство для активного охлаждения лишь в 1,5 мм от источника тепла

При высокой удельной мощности воздушное охлаждение не справляется со своими функциями, это означает, что необходимо жидкостное охлаждение. Возможно использование жидкостного охлаждения CeramCool, преимущества которого в том, что керамика инертна и устойчива к соли, кислоте и щелочи. Таким образом, электрокоррозия не происходит. Охлаждающие вещества, например деминерализированная вода, могут быть без проблем использованы.

Концепция жидкостного охлаждения функционирует по такому же принципу, как и охлаждение при естественной конвекции: как можно более короткие пути между источником тепла и теплоотводом. В данном аспекте керамика вне конкуренции: жидкостное охлаждение расположено лишь в 1,5 мм от точки нагрева (Hotspot). При применении других концепций невозможно достигнуть этого при таком же сроке службы.

При этом возможна печать трехмерных электрических печатных проводников непосредственно на керамику без образования термических барьеров (рис. 6).

Рис. 6. CeramCool жидкостное охлаждение: 290 Вт отводятся на 120 мм

Пример моделирования для специальных решений «под заказчика»

Так как применение CeramCool в большинстве случаев связано с особенностями изделий для разных заказчиков, важно проверить работу новой концепции до того, как будут созданы дорогие прототипы.

При помощи обширных исследований была создана симуляционная модель и проведено сравнение ее результатов с результатами различных физических испытаний. Соотношение надежно. Основываясь на полученных результатах, можно быстро и просто оценить новые концепции.

В чем заключается термическое преимущество распределения одного 5-Вт светодиода на 5 LED, каждый из которых имеет мощность 1 Вт? В чем состоит преимущество встроенного в конструкцию модуля распределителя тепла?

Модифицированные лампы (ретрофит) и изоляция

Проблема модифицированных ламп заключается прежде всего в изоляции. Любая модифицированная лампа должна соответствовать защитному классу II, так как заземление не может быть обеспечено. Это означает, что каждая открытая металлическая часть должна быть изолирована от электропитания при помощи двойной усиленной изоляции.

Часто модифицированные лампы не соответствуют этим предписаниям, таким как большие расстояния (например, зазор 6 мм) или двойная изоляция, которые негативно сказываются на эффективности теплоотвода. Для интегрированного драйвера питания GU10-LED очень мало места, что представляет собой определенную трудность.

При использовании керамического теплоотвода электрический ток не проходит через теплоотвод даже в том случае, если драйвер полностью выходит из строя. Продукт является безопасным.

Цоколь и отражатель светодиода GU10-Spot в большинстве случаев сделаны из разных материалов. В LED-GU10-Spot оба компонента могут быть сделаны из одного материала — высококачественной керамики. В данном случае подложка функционирует в качестве теплоотвода. Соединение с кристаллом является интерметаллическим, а управление распределением тепла значительно улучшено. В модели 4-Вт GU10 светодиода максимальная температура кристалла составляет 60 °C.

Контролированный отвод тепла повышает срок службы и улучшает световую мощность. В представленном здесь теплоотводе CeramCool сочетание материалов сокращается, демонстрируя все преимущества керамики: электроизоляцию, высокую механическую и химическую стабильность. Использованая везде керамика и красивое непрямое распределение света в керамическом отражателе придают ему бóльшую ценность.

Цоколь и отражатель сделаны из керамики, в связи с чем несложно было достичь изоляции защитного класса II (рис. 7, 8).

Рис. 7. CeramCool LED Spot GU10 с высоковольтным 4-Вт LED

Рис. 8. CeramCool LED Spot GU10

Концепция

Применения в силовой электронике, особенно вне помещений, также выигрывают благодаря характеристикам CeramCool. Линия круглых по форме продуктов находится в разработке и будет соответствовать требованиям различных мощностей светодиодов. Концепция соединяет эффективную по стоимости продукцию с большой гибкостью для пользователя (рис. 9, 10). Литой керамический теплоотвод соединяет управление распределением тепла, механическую структуру и печатную плату. Снова исчезает разница между лампой и светильником.

Рис. 9. Масштабируемая линия круглых по форме продуктов

Рис. 10. CeramCool для линейных применений

Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen. 2010. № 2. Германия).

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_5_30.php