Проблемы явных и скрытых энергетических потерь в светодиодных осветительных приборах. Часть 2

Управление теплом

Самый заметный параметр, связанный с тепловым анализом — т.н. фактор cold/hot (см. рис. 1). Этот параметр был введён в обиход компанией Philips Lumileds несколько лет назад и активно используется разработчиками как один из основных качественных показателей. По сути, он представляет собой зависимость светового потока от температуры p-n-перехода. Пользуясь этим графиком, можно оценить, какой световой поток будет у разрабатываемого изделия в рабочей точке температур. Однако не следует думать, что таким образом можно определить реальную световую отдачу светодиода. Этот параметр даёт ответ только в отношении светового потока, за световую отдачу отвечает и показатель потребляемой мощности. Он же, в свою очередь, зависит от падения напряжения на кристалле, которое тоже связано с температурой.

Известно, что с ростом температуры сопротивление полупроводника уменьшается. Из этого следует, что в режиме постоянного тока падение напряжения на светодиоде уменьшается. Казалось бы, светоотдача должна вырасти, т.к. потребляемая светодиодом мощность уменьшилась. Однако из графика cold/hot-фактора видно, что светоотдача с ростом температуры перехода падает. К сожалению, здесь также даёт знать о себе физика полупроводника. Давайте рассмотрим процесс работы светодиода более подробно.

На рисунке 2 схематично показано строение атома. Вокруг ядра вращается несколько электронов на различных орбитах. Величина орбит определена энергетическим уровнем соответствующего электрона, иными словами, его энергией. Каждому из этих уровней соответствует определённая энергетическая зона. Различают три основные энергетические зоны — валентную, запрещённую и зону проводимости. Как известно, для генерации фотонов примесные электроны выталкиваются приложенным потенциалом в зону проводимости и при переходе назад, в запрещённую зону, сбрасывают избыточную энергию в виде фотона. Очевидно, что значение этой энергии прямо пропорционально внутреннему квантовому выходу светодиода. В генерации излучения участвуют преимущественно электроны n-типа, именно поэтому внутренний квантовый выход настолько чувствителен к температуре. Ведь с её повышением n-электроны получают дополнительную энергию, которая способна сравнительно длительное время удерживать их в зоне проводимости. Таким образом, некоторое время они обладают всеми свойствами свободного электрона и, следовательно, количество электронов, сбрасывающих энергию при обратном переходе в запрещённую зону, сокращается. Неминуемо сокращается и внутренний квантовый выход кристалла, который, в свою очередь, уменьшает световую отдачу светодиода.

Совершенно очевидно, что падение напряжения и уменьшение внутреннего квантового выхода светодиода происходят непропорционально. Это приводит к значительному уменьшению световой отдачи, независимо от падения потребляемой мощности. Поэтому необходимо, в первую очередь, оценить температурный режим светодиода, из чего затем можно получить представление об эффективности всего светильника и его световом потоке. Полагаться же на значение светового потока, которое указывает производитель светодиодов в описании, недопустимо, поскольку производитель не может знать, в какой именно конструкции и, следовательно, в каком температурном режиме будет использоваться его изделие. Параметр светового потока светодиода всегда указывается для температуры кристалла 25°С в импульсном режиме. Вполне понятно, что такие условия на практике не используются. Практика проектирования показывает, что оптимальным температурным режимом кристалла можно считать режим, лежащий в пределах 75… 90°С. Отклонения в меньшую сторону чреваты перерасходом материалов или светодиодов, что экономически невыгодно. Отклонения же в большую сторону грозят значительным снижением надёжности изделия. Для этих температур за усреднённое значение падения светового потока можно взять величину 10—12%. Разумеется, такие величины не могут остаться неучтёнными в расчётах. Вот почему разработку светодиодного осветительного прибора следует начинать именно с теплового анализа. Для этого в настоящее время существуют два метода расчетов — конечных элементов и тепловых сопротивлений. Они различны по своему принципу, и задачи, которые решаются с помощью каждого из них, также различны.

Метод тепловых сопротивлений (см. рис. 3) изначально использовался для определения температур мощных диодов и активных электронных компонентов. Для этого он обладал достаточной для оценки точностью, и необходимость в более сложных расчётах возникала нечасто, разве что для определения температур мощных MOSFET-массивов. Однако для расчётов светодиодных модулей в большинстве случаев этот метод малоэффективен. Причиной тому — его абсолютная неприспособленность для анализа работы больших массивов источников тепловой мощности. Этот метод не оперирует тепловыми величинами, а пользуется только эквивалентным тепловым импедансом. В массиве эти импедансы, как правило, уравнены в параллельном включении, и тепловые взаимосвязи в работе такой системы попросту теряются. Иными словами, этот расчет — то же самое, что измерение средней температуры по больнице. Его точность падает прямо пропорционально увеличению массива источников тепла. Впрочем, он вполне пригоден для вычисления режимов небольших модулей, содержащих 5—6 мощных светодиодов. Ко всему прочему, само тепловое сопротивление не является константой. Оно зависит от температуры сред, в которых возникает, а потому можно с уверенностью считать его скользящей величиной, определить которую объективно неподготовленному специалисту крайне тяжело. Полагаться же на методики и данные, описанные производителями светодиодов, следует осторожно, т.к. вся эта информация приводится также исключительно для несложных оценочных расчётов. Авторам удалось обсудить эту тему со специалистами технической поддержки трёх крупнейших производителей мощных светодиодов и нас заверили в том, что во всех без исключения случаях для анализа они пользуются только расчётами методом конечных элементов. И это весьма обоснованно.

Метод конечных элементов, кстати, имеющий русские корни, появился в 1940-х гг. Однако широкое распространение он приобрел только к концу 1960-х гг. Толчком стала незаменимость этого метода для прочностных расчётов в строительстве и только появившиеся тогда ЭВМ, способные решать комплексные задачи. Этот метод расчётов можно считать единственно объективным, т.к. он оперирует только абсолютными физическими величинами и законами тепломассообмена. Его суть заключается в дифференциации объёма детали на конечные элементы — тетраэдры и призмы (см. рис. 4) и придания их узлам физических свойств материала этой детали. Результаты расчётов можно интерпретировать в некоторую эпюру, которая с той или иной степенью объективности покажет распределённые по объёму детали нагрузки. В частности, анализ эпюр распределения тепла в объёме теплоотвода позволяет разрабатывать максимально эффективные конструкции во избежание перерасхода дорогостоящих алюминиевых сплавов. А возможность оценивать работу лучистого теплообмена, эффективность которого крайне велика, и вовсе исключает овердизайн изделия. Разумеется, произвести все эти расчёты специалистам, не имеющим специальной подготовки и опыта, практически невозможно. Ведь дело не только в умении правильно понимать физическую суть данного метода и в способности увязать её с математическим анализом, но и в понимании технологии экструзионного и литейного производства, свойств сплавов и других материалов конструкции, а также экономической составляющей производства.

В настоящее время опытный разработчик может воспользоваться профессиональными программными продуктами, которые позволяют в кратчайшие сроки правильно рассчитать самые сложные конструкции теплоотводящих систем.

Обратимся к особенностям расчётов. Первое, на что следует обратить внимание, — это тепловое сопротивление самих светодиодов. Определить его объективно можно только при помощи специального оборудования, т.к. далеко не каждый производитель светодиодов указывает диапазон тепловых сопротивлений конкретного продукта. Как правило, производители ограничиваются указанием лишь некоторого усреднённого значения. Пренебречь этим обстоятельством было бы неправильно, т.к. разброс значений составляет единицы градусов, что в определённом кейсе может стать решающим фактором. К тому же, как уже отмечалось выше, тепловое сопротивление корпуса светодиода, как и любого другого материала, — величина непостоянная. С ростом температуры оно может изменяться весьма существенно.

К тенденции снижения номинального значения теплового сопротивления также следует присмотреться. Казалось бы, это полезная тенденция, т.к. благодаря ей становится легче отвести тепло от кристалла, а значит, получить лучшие параметры. Однако эта эйфория длится ровно до того момента, пока рассматривается собственно светодиод. Как только мы переходим к системе, уменьшение теплового сопротивления влечёт за собой ряд существенных последствий, на которые разработчик обязан обратить самое пристальное внимание. Как ни странно, но в ряде случаев (притом довольно распространенных) с уменьшением теплового сопротивления кристалл/точка пайки температура p-n перехода только возрастает. Это обусловлено тем, что на теплоотвод поступает большее количество тепла, и даже если считать значение конвективной теплоотдачи на границе теплоотвод/воздух постоянным, температура теплоотводящей системы возрастёт. В случае же когда теплоотвод уже достаточно теплонапряжён, уменьшение теплового сопротивления светодиода на 2—3 K может дать прирост температуры p-n перехода в 15—20°С. Увеличение сопротивления также грозит ростом температуры кристалла, поэтому при определении параметров теплоотводящей системы разработчику приходится балансировать между двумя крайностями. Опыт показывает, что оптимальным значением теплового сопротивления светодиода можно считать номинальное значение в
9—10 K/Вт. Очевидно также, что такая теплоотводящая система обладает меньшей инерционностью. Это обстоятельство делает её более чувствительной к изменениям температуры окружающей среды, что необходимо также учитывать в разработке.

Существует элемент светодиодного светильника, который, как ни прискорбно, вообще принято попросту исключать из тепловых расчётов, — это источник питания. Несмотря на то, что сам по себе драйвер является источником тепловой мощности, он слабо влияет на температуру теплоотводящей системы из-за большого внутреннего теплового сопротивления. В некоторых случаях принимать его в расчёт как источник тепловой мощности можно только в рекомендательном порядке. Иначе дело обстоит, когда речь идёт о его электрических, а значит, основных для ИП, параметрах. При этом стоит изменить вопрос с предложения «как влияет источник питания на теплоотвод» на «как влияет теплоотвод на источник питания».

Если просмотреть предлагаемую производителями техническую документацию на ИП, в большинстве случаев можно отыскать график зависимости отдаваемой мощности от температуры окружающей среды. Авторам удалось изучить лишь некоторую часть документации на самые популярные ИП, но данные расходились слабо. Падение отдаваемой мощности начинается с внешней температуры в 50°С и полностью отсекается на значении 60°С. По сути, эти значения температур вполне реальны для некоторых кейсов, т.к. тепло передаётся на корпус источника питания не только при непосредственном контакте в точках монтажа и конвекцией, но и излучением. Выше уже говорилось о фатальной недооценке лучистого теплообмена, и в этом случае как раз данный фактор выступает в роли решающего. Например, установленный в тесном отсеке драйвер, как показано на рисунке 6, неминуемо находится под воздействием всех трёх видов теплообмена. Учитывая, что он сам генерирует некоторое количество тепла, а иногда это достаточно большие мощности, возможна ситуация, когда его температура будет больше температуры теплоотвода. В этом случае важно правильно оценить нагрузку на драйвер в зависимости от его рабочей температуры. Некоторые современные источники питания также оснащены системой защиты от перегрева, контролирующей температуру выпрямительного моста и токового ключа в пределах 90°С. Это совершенно оправданный шаг, т.к. выход из строя данных элементов может привести к возгоранию. Отметим, что в конструкции, обладающей довольно большим тепловым сопротивлением, значение 90°С на источнике тепла вполне достижимо уже при температуре окружающей среды в 55—60°С. По этой причине следует самым внимательным образом оценивать работу системы теплоотвод/ИП, проектируя конструкцию светильника.

За рамками данной статьи остались и более тонкие вопросы, связанные с многократным термоциклированием системы в сравнительно широком диапазоне температур. Эти технические тонкости, незначительные на первый взгляд, играют решающую роль при оценке наработки светодиодных светильников на отказ. Опыт зарубежных коллег позволяет с уверенностью прогнозировать, что с наступлением эры массового применения светодиодных светильников для уличного освещения эта проблема встанет очень остро. Подлежит изучению процесс термоциклирования различных по исполнению плат MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board), долговечность и надёжность органических и силиконовых теплопроводящих паст и матов, поведение контактных площадок светодиодов в точках пайки и многое другое. Однако исследование поведения различных материалов при термоциклировании занимает достаточно большое количество времени, поэтому быстрых результатов ожидать не приходится.

В качестве профилактики при оценке работоспособности конструкции проектировщику следует уделять более пристальное внимание тем элементам, которые на первый взгляд выглядят незначительно, но вполне могут сыграть роковую роль при эксплуатации изделия. Напомним, что поначалу так было и с наукой об управлении теплом. Со временем она изменила свою роль из незначительного приложения до решающего фактора, определяющего важнейшие качественные показатели изделий в целом.

Рис. 1. График cold-hot factor, отображающий зависимость светового потока от температуры p-n перехода

Рис. 2. Схема строения атома полупроводника

Рис. 3. Метод тепловых сопротивлений

Рис. 4. Метод конечных элементов

Рис. 5. График зависимости отдаваемой ИП мощности от температуры окружающей среды

Рис. 6. Проект светильника с открытой защитной крышкой

Геннадий Терехов Технический директор ООО «Светотроника». Окончил Тульский Политехнический Институт, кафедра Технической кибернетики. Награжден медалями ВДНХ в 1985 и 1987 гг. за разработки встроенных микропроцессорных устройств и внедрение их в серийное производство. Участвовал в проектировании систем управления архитектурно-декоративным освещением для компаний «ГАЗПРОМ» и «Миракс Групп». С 2009 года занимает пост технического директора ООО «Светотроника».

Антон Булдыгин Окончил Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики, кафедра оптоэлектронные приборы и системы. Участвовал в работах по созданию систем ориентации спутников ВПК. Позже занимался разработкой систем автоматизации зданий в интеграционной компании. С 2009 года руководитель группы разработок ООО «Светотроника».