Температурный режим белых светодиодов


См. также:                                                             
Теплоотводящие материалы на основе карбона
Модуль активного охлаждения SynJet

Большинство светодиодов, в привычном понимании, как кажется не выделяют ощутимого тепла в отличии от многих других источников света, но это не так. На самом деле, правильный температурный режим, возможно, самая важная сторона конструкции светодиодной системы. Особенно это актуально для светодиодов освещения, когда в светильнике сосредоточено большое количество достаточно мощных излучателей. В этой статье рассматривается роль тепла в эффективности светодиодов.

Все источники света преобразуют электрическую энергию в энергию излучения и тепла в различных пропорциях. Лампы накаливания излучают в основном инфракрасное (ИК) излучение с небольшим количеством видимого света. Флуоресцентные и металлогалогенные источники конвертируют бóльшую долю энергии в видимый свет, но также излучают в инфракрасной (ИК), ультрафиолетовой (УФ), и тепловой областях спектра. Светодиоды производят мало, или вообще не излучают ИК или УФ энергию, но конвертируют только 20% -30% мощности в видимый свет. Остальная мощность преобразуется в тепло, которое должно быть отведено из светодиодного корпуса с помощью основной печатной платы и радиатора, корпуса, или элементов рамы светильника. Приведенная ниже таблица показывает примерные пропорции, в которой энергия потребляемой мощности преобразуется в тепло и энергию излучения, включая видимый свет, для различных полихромных (белых) источников света.

Оценка коэффициента преобразования мощности, для "белых" источников света
  Лампы накаливания†
(60 Вт)
Флуоресцентные†
(обычные линейные)
Металлогалогенные‡ Светодиодные*

Видимый свет 8% 21% 27% 20-30%
Инфракрасный 73% 37% 17% ~ 0%
Ультрафиолетовый 0% 0% 19% 0%
Всего лучистой энергии 81% 58% 63% 20-30%
Тепло (теплопроводность + конвекция) 19% 42% 37% 70-80%
Итого 100% 100% 100% 100%

† Из Справочника
‡ OSRAM SYLVANIA
* Зависит от эффективности светодиодов. Этот диапазон указан для лучших в настоящее время достижений технологии в цветовых температурах от теплой (150 lm/W) до холодной (100 lm/W). Перспективный план Министерства энергетики США (март 2009) предусматривает увеличение эффективности более чем на 50% к 2025 году.

Почему вопрос теплового режима так важен?

Избыточное тепло непосредственно влияет как на текущую эффективность, так  и на изменение эффективности с течением времени наработки. Кратковременные (обратимые) эффекты - это смещение цвета и снижение светоотдачи, в то время как долговременный эффект – это ускоренное снижение светового выхода и тем самым сокращение срока полезного использования светодиода.

Зависимость светового выхода от температуры

Световой выход различных цветных монохромных светодиодов по-разному зависит от изменения температуры. Так, наиболее чувствительны к температуре янтарные и красные светодиоды, и наименее чувствительны - синие (см. график). Эти индивидуальные температурные зависимости могут привести к заметным сдвигам цвета в системах на основе RGB, если рабочая температура отличается от рекомендуемой. Производители светодиодов тестируют и сортируют (бинуют) свою продукцию по яркости и цвету на основании фотометрических измерений в определенных условиях - при подаче 25 миллисекундного мощного импульса при фиксированной температуре в 25°C. За время действия импульса, температура чипа практически не меняется. В рабочем режиме, при постоянном токе при комнатной температуре и применении технических мер к снижению температуры, температура светодиодного чипа, как правило, 60°C или выше. Поэтому белые светодиоды будут обеспечивать, по крайней мере, на 10% меньше света, чем указано производителем, а сокращение светового потока для изделий с недостаточным теплоотводом может быть значительно выше.

Время непрерывной работы при повышенной температуре значительно ускоряет процесс снижения яркости (деградацию), что приводит в итоге к сокращению срока полезного использования. График ниже показывает световой поток в течение долгого времени (экспериментальные данные до 10000 часов и экстраполяция за ее пределами) для двух одинаковых светодиодов при одинаковом токе, но с разницей температуры чипа в 11°C. Расчетный срок службы (определяется на уровне снижения светового потока на 70%) уменьшился с ориентировочно 37000 часов, до 16 000 часов (57% изменения) при повышении температуры на 11°C.

Тем не менее, производители продолжает улучшать долговечность светодиодов при более высоких рабочих температурах. Например, производители мощных белых светодиодов обычно оценивают срок службы около 50000 часов при 70%-ном снижении светового потока, при температурах чипа не выше 100°C.

Срок службы светодиода

Что определяет температуру светодиодного чипа?

Три причины влияют на температуру чипа светодиода в первую очередь: управляющий ток, эффективность теплоотвода и температура окружающей среды. В целом, чем выше управляющий ток, тем больше тепловыделение. Тепло должно быть отведено от чипа, чтобы сохранить ожидаемый световой поток, цвет и срок службы. Количество тепла, которое может быть удалено из системы, зависит от температуры окружающей среды и конструкции теплоотвода.

Структура светодиодного светильника

Типичная светодиодная система высокой мощности состоит из излучателя, печатной платы на металлической основе (MCPCB), а также внешнего радиатора. Излучатель содержит светодиодный чип, оптику с герметизирующим компаундом, теплопроводную подложку (используется для отвода тепла от чипа), и припаян к MCPCB. MCPCB - это особая разновидность печатной платы с тонким диэлектрическим слоем на металлической подложке (обычно из  алюминия). MCPCB механически закрепляется на внешнем радиаторе, который может представлять собой устройство, интегрированное в дизайн светильника. В некоторых случаях, роль радиатора выполняет несущий корпус светильника. Размер радиатора зависит от количества тепла, которое должно быть рассеяно и теплофизических свойств материала.

Тепловой дизайн и осознание условий эксплуатации являются критическими соображениями при разработке и применении светодиодных светильников для освещения. Надежность изделия, а следовательно и его коммерческая ценность будут зависеть в первую очередь от дизайна радиатора для отвода тепла и способности свести к минимуму температуру излучателя. Удержание температуры чипа в нижней области, рекомендуемой спецификацией производителя, необходимо для того, чтобы максимально использовать потенциал производительности светодиодов.

Радиатор светодиодного светильника 150 Вт


По состоянию на 2011 год, анализ бюллетеней Департамента Энергетики США.
Подборка и перевод - Ланской А.О., ноябрь 2011

Назад к каталогу статей >>>