Тепловой менеджмент светодиодных уличных светильников
(2 votes, average: 5,00 out of 5)
Загрузка...
Известно, что сейчас существует два препятствия для внедрения светодиодов в общее освещение — цена и то, как организовать тепловой менеджмент для мощных источников света. Если цена — вопрос времени (светодиоды стремительно дешевеют), то вопрос отвода тепла не решается так просто.
Из-за того, что многие производители светодиодных светильников пренебрегают тепловым менеджментом выпускаемой ими продукции, заявляемые ими характеристики являются, мягко говоря, не достоверными. Такие светильники выходят из строя, не прослужив гарантированного производителем срока эксплуатации, в них обычно указывается срок службы светодиодов (который указывают производители светодиодов).
Сейчас прослеживается тенденция к увеличению электрической мощности светодиодных светильников, а, следовательно, растет и выделяемая тепловая мощность светодиодов и драйверов тока. При этом ужесточаются требования к самому светильнику (геометрия, габариты, масса и т.д.), поэтому создание светодиодного светильника по дизайнерским решениям невозможно, так как требуются комплексные инженерные расчеты и оптимизация параметров, в т.ч. и грамотный тепловой менеджмент.
Регулярно приходится наблюдать продавцов, предлагающих покупателям прикоснуться к радиатору: «Если радиатор не горячий, значит теплоотвод хороший». Это утверждение в корне не верно — температура светодиода на радиаторе зависит не только от температуры радиатора, но и теплового сопротивления между светодиодом и радиатором. Даже великолепный радиатор не спасет светодиод, если не будет хорошего теплового контакта между алюминиевой печатной платой и корпусом-радиатором. Условно надежный контакт между платой со светодиодами и радиатором может обеспечить теплопроводящая паста, которой заполняются воздушные промежутки между платой и радиатором. При этом количество теплопроводящей пасты должно быть минимально.
Тепловой менеджмент: последовательность расчета
В основе любой тепловой модели лежит понятие теплового сопротивления. Передача тепла осуществляется от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур тел к мощности, рассеянной нагретым телом.
Такая модель очень удобна тем, что тепловыми сопротивлениями можно оперировать точно так же, как электрическими.
Основными исходными данными при решении задач теплового менеджмента являются температура светодиода, а если точнее — p-n-перехода (активной области) светодиодного кристалла и температура окружающей среды. Известно, что температура перехода, а также сила тока влияют на срок службы светодиода. Такие зависимости для своих светодиодов указывают производители светодиодов.
Если известно значение тока, при котором будет эксплуатироваться светодиод (например, 700 мА), а также желаемый ресурс (например, 50 тыс. часов), то из графика становится понятно, что в таком случае температура перехода должна поддерживаться не выше 110 °C. От этой «точки» мы и начнем расчет тепловых параметров конструкции.
Предположим, что в нашем случае тепловое сопротивление светодиода составляет 5 К/Вт (среднее значение для светодиодов в керамическом корпусе 3535). Для расчета разности температур p-n-переход — точка пайки потребуется значение тепловой мощности, выделяемой светодиодом. Как правило, ее принимают равной полной потребляемой мощности. При токе 700 мА и прямом напряжении 3,4 В (значение, которое мы найдем в спецификации светодиода максимальное) мощность составит 2,38 Вт, а разность температур — 25 К. Стоит отметить, что, в случае светодиода, в основе конструкции которого лежит алюмооксидная керамика, тепловое сопротивление заметно увеличивается с ростом температуры. Тепловое сопротивление обычно указывается для номинальной температуры 25 °C, а при 100 °C оно увеличится примерно на 20% и составит, например, 6 вместо 5 К/Вт (у светодиодов на керамической основе наиболее существенный вклад в тепловое сопротивление вносит именно керамика). Поэтому в нашем случае разность температур следует оценивать значением 30 °С, а не 25 °C. Следующий шаг — расчет теплового сопротивления платы. В данном расчете рассматривается конструкция с использованием платы с металлической основой (MCPCB). В качестве основы в таких платах обычно используются алюминиевые сплавы. Металлизация выполняется стандартной медной фольгой, а для изготовления диэлектрического слоя между основанием и фольгой используется материал с улучшенными теплопроводящими свойствами. Толщина этого материала обычно составляет от 50 до 200 мкм, теплопроводность — от 1 до 3 Вт/мхК. Тепло от светодиода проходит через интерфейс (припой) к медной металлизации. Из-за того, что она обычно имеет небольшую толщину (35 мкм), тепло по металлизации вдоль платы растекается слабо и проходит ниже через диэлектрический слой к алюминиевой основе. По диэлектрику тепло не растекается из-за низкой теплопроводности. Растекание тепла от места установки светодиода, благодаря высокой теплопроводности (около 150 Вт/м?хК), обеспечивает алюминий. Исходя их этих предпосылок, будем считать, что площадь, через которую будет проходить тепло от светодиода до алюминиевой основы, практически равна площади контакта его основания с платой. Пусть в нашем примере площадь контакта будет составлять 10 мм2.
Тогда тепловое сопротивление платы:
Тепловой менеджмент: формула расчета
Разность температур между точкой пайки и алюминиевой основой при таком тепловом сопротивлении составит около 12 К. Итак, мы уже знаем, что для обеспечения температуры кристалла не выше 110 °C, температура алюминиевой основы платы не должна превышать 110–30–12=68 °C. Допустим, что тепло от платы будет отводиться через теплоотвод светильника (радиатор) на воздух. Для этого нам потребуется подобрать такой теплоотвод, который обеспечит температуру на плате не выше 68 °C при допустимой температуре окружающей среды. Как правило, температура радиатора практически равна температуре установленной на нем металлической платы и может отличаться по поверхности примерно на 2–5 °C, поэтому примем температуру радиатора равной 65 °С.
С уличным освещением все не так однозначно. С одной стороны, на улице почти всегда есть легкий ветер. Даже небольшие дуновения могут снизить температуру корпуса, например, с 80 до 70 °C. При этом среднегодовая температура в зоне умеренного климата составляет 10–15 °C [см. ГОСТ 15150-69]. С другой стороны, надо учитывать, что светильник могут установить и в помещении (ангаре), эксплуатироваться он может в районах с теплым климатом (например, на юге России), а ускоренная деградация при повышенных температурах практически не будет компенсироваться снижением скорости деградации при эксплуатации в холодные периоды времени. К другим факторам, ухудшающим охлаждение, относятся следующие: постепенное загрязнение светильника, экранирование теплоотвода, ухудшающее естественную конвекцию, использование прибора не по назначению (например, в горячих цехах).
Таким образом, для наружных применений светильников можно рекомендовать опираться в расчетах на температуру окружающей среды 20 °C. Итак, приняв, что температура воздуха составляет 20 °C, получим разность температур между воздухом и радиатором в 45 °С. Перед оценкой необходимых размеров радиатора рассмотрим механизмы отвода тепла. Их два: конвекция и излучение. Конвекцию рассматриваем только естественную, то есть воздух изначально неподвижен и приводится в движение только от нагрева светильником. Конвекция сильно зависит от конфигурации радиатора, его положения и разности температур между ним и воздухом. Например, плоский радиатор, развернутый рабочей поверхностью вниз, охлаждается примерно в 2 раза хуже радиатора, у которого рабочая поверхность находится сверху. Излучение зависит, прежде всего, от степени черноты радиатора и, как и в случае конвекции, разности температур. Чистая полированная поверхность алюминия имеет степень черноты около 0,2, а черненая или лакированная — около 0,85. Для того, чтобы оценить теплоотводящие способности радиатора, мы провели расчет для случая простейшего плоского теплоотвода. Радиатор с поверхностью 1 кв. дм позволяет в нашем примере при температуре воздуха 20 °С отводить порядка 5 Вт, обеспечивая температуру перехода светодиодного кристалла не выше 110 °С (эта температура была рассчитана выше). Разумеется, при разработке светильника размер радиатора следует минимизировать. Это требование продиктовано, прежде всего, целями снижения себестоимости и облегчения конструкции. Рассеивание мощности, составляющей около 1 Вт, при заданной температуре перехода, согласно полученным результатам, должен обеспечивать алюминиевый радиатор площадью порядка 0,25 кв. дм (4 кв. дюйма). Эту цифру можно использовать в качестве отправной точки на предварительном этапе проектирования светодиодного светильника.
Во многих случаях применения плоского радиатора оказывается недостаточно, поэтому перед изготовлением макета может понадобиться проведение более точного расчета. Для этого можно воспользоваться простыми эмпирическими и теплофизическими методами расчета радиатора, а также специальными программами, сначала, например, CosmosWorks for SolidWorks или QLED, которые позволяют детально проанализировать тепловое решение. Потом, для более детального расчета, — ANSYS. И, чтобы быть окончательно уверенным в правильности решения, дописать и произвести расчет в Matlab. Однако, все тепловые расчеты требуют обязательной проверки. Разработчик должен убедиться, что радиатор обеспечивает необходимое охлаждение. В идеальном случае, для этого следует измерить температуру p-n-перехода светодиодов. Но такое измерение требует специального оборудования, которое есть не в каждой лаборатории. Для получения надежных данных изготовители светодиодов дают собственные рекомендации по измерению температуры.
На основании предварительных расчетов были разработаны два конструктивных решения, реализующие линейку светодиодных светильников с мощностью от 45 до 300 (рис. 2 и 3).
Светильники обладают массивными радиаторами, через которые при помощи пластикового обвеса (боковин) происходит «прокачивание» воздушных масс. При этом боковины играют роль конфузора и диффузора газодинамической системы, таким образом, система обеспечивает функцию «насоса», перекачивающего воздух (нагретый воздух расширяется и поднимается вверх, тем самым создавая разницу давлений, что обеспечивает движение воздуха через радиатор-охладитель).
Для разработанных конструкций были проведены теплофизическое моделирование в среде SolidWorks Flo Simulation. Результаты моделирования приведены на рис. 4 и 5.
В технической документации на источник питания (драйвер) указано, что он будет нормально функционировать при температуре окружающей среды до 70 °С. Из рисунков видно, что температура воздуха вокруг источника питания не превышает 60 °С, также температура корпуса источника питания не должна превышать 89 °С в контрольной точке. Рисунки показывают, что температура корпуса источника питания не превышает 60 ?°С. Таким образом, можно с уверенностью сказать, что при данной конструкции светильника и источник питания, и светодиоды будут нормально функционировать.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В статье изложена последовательность теплового менеджмента уличного светодиодного светильника — принципиальные подходы к обеспечению корректного теплового режима работы светодиодного светильника. Поскольку именно пренебрежение основами теплового менеджмента не позволяет сделать светодиодный уличный светильник качественным и надёжным. А заявляемые в паспортных данных характеристики светильников — некорректными. Однако, расчеты не могут заменить испытания в специализированных лабораториях. Поэтому для выпуска надёжной продукции необходимо проводить весь комплекс расчетов и испытаний.
Похожие Записи
« Том Диксон и его мир отражений ТОП-8 совместно с X5 Retail Group. Осветительные установки для торгового зала федеральной торговой сети «Пятёрочка» X5 Retail Group »
