Chłodzenie LED średniej i dużej mocy: jak to się robi i dlaczego jest to ważne?

Chłodzenie LED średniej i dużej mocy: jak to się robi i dlaczego jest to ważne?
Pobierz PDF Download icon

Systemy oświetlenia LED-owymi źródłami światła coraz podbijają rynek, co tworzy konstruktorom urządzeń elektronicznych nowe obszary aplikacyjne i - w konsekwencji - wiele wyzwań konstrukcyjnych i edukacyjnych, co jest skutkiem powszechnie ignorowanych wymogów stawianych elementom otoczenia LED. Dokładne ich zrozumienie nie jest prostym zadaniem, bo na tym rynku ciągle panuje "Dziki Zachód", co prawda pozbawiony kowbojów w kapeluszach i butach z ostrogami, ale z ówczesnymi regułami...

Porównanie podstawowych cech i parametrów różnych źródeł światła (na podstawie danych opublikowanych przez amerykański Departament Energetyki) pokazano na rysunku 1. Jak widać, szacowany łączny roczny koszt eksploatacji LED-owego źródła światła jest znacznie niższy niż rozwiązań konkurencyjnych, co wynika z założonej podczas szacunkowych obliczeń ogromnej trwałości LED - sięgającej jak widać 50000 h pracy. Jak osiągnąć tak dobry wynik?

W powszechnym mniemaniu LED-y są energooszczędnymi, wysokosprawnymi, trwałymi, niezawodnymi, odpornymi na udary mechaniczne, do tego szybko taniejącymi źródłami światła dobrej jakości. Tak w rzeczywistości jest w większości przypadków, ale uzyskanie w realnej eksploatacji tak dobrych wyników jest możliwe pod kilkoma warunkami, z których jeden - zapewnienie dobrych warunków do odprowadzania ciepła z obudowy LED - omówimy w artykule.

Rysunek 1. Porównanie cech i parametrów różnych źródeł światła (dane amerykańskiego Departament Energetyki)

Rysunek 2. Przykład "optymistycznej" deklaracji producenta: z danych opublikowanych w nocie katalogowej nie wynika co trzeba zrobić, żeby LED rzeczywiście poświecił 100000 h

Wielu konstruktorów planujących aplikowanie LED średniej i dużej mocy w swoich opracowaniach z wiarą bazuje na propagowanych przez producentów komunikatach sygnalizujących, że LED-y są elementami "energooszczędnymi", "wysokosprawnymi" i "niezwykle trwałymi" (tu się zazwyczaj pojawia liczba 50000 czy nawet 100000 godzin ciągłej pracy). Te popularne przekazy są w znacznym stopniu prawdziwe, ale nie oznaczają, że wszystkie LED osiągają tak dobre wyniki, do tego w każdych warunkach.

Niestety w praktyce tak dobrze nie jest. Jednym z czynników najbardziej szkodliwych dla trwałości LED i utrzymania przez nie wartości strumienia świetlnego jest temperatura struktury półprzewodnikowej emitującej światło. Struktury LED grzeją się zdecydowanie mniej niż ma to miejsce w przypadku źródeł żarowych czy nawet CFL, ale ilość wytwarzanego ciepła jest na tyle duża, że konstruktorzy, którzy problem bagatelizują szybko przekonują się, że źle chłodzone LED są elementami o niskiej trwałości, małej niezawodności, do tego emitującymi światło o szybko malejącym strumieniu.

Producenci LED zazwyczaj manipulują oficjalnie podawanymi danymi katalogowymi w taki sposób, żeby wykazać wyższość oferowanych wyrobów nad opracowaniami konkurencji (rysunek 2), w związku z czym dotarcie do konkretnych informacji - typu "jak wysoka może być temperatura struktury, nie wpływająca destrukcyjnie na żywotność lub trwałość LED?" - wymaga uważnego studiowania wykresów i danych podawanych w tabelach not katalogowych.

Rysunek 3. Przykład nierealnych założeń termicznych, które utrudniają oszacowanie prawdziwej trwałości LED

Rysunek 4. "Błąd" w nocie katalogowej jednego z producentów LED, zwiększający popełnienie błędu podczas dobierania LED do aplikacji

Co wynika z zazwyczaj podawanych danych? W notach katalogowych mniej znanych producentów uwaga użytkownika jest zazwyczaj zwracana na duży strumień świetlny i długotrwałość funkcjonowania, przy czym producenci bardzo chętnie zakładają optymistyczne warunki pracy LED, jak na przykład temperatura obudowy wynosząca +25°C (rysunek 3) czy też przyjęcie +25°C jako temperatury referencyjnej, ale nie wiadomo do czego ta wartość się odnosi (rysunek 4).

Podobnych przykładów można mnożyć bez końca, przy czym warto zwrócić uwagę na to, że marketing manipulacyjny jest narzędziem stosowanym głównie przez firmy o małej renomie, renomowani producenci LED nie pozwalają sobie na tego typu wybiegi. Przykładem definicji parametrów pozornie podobnej do przedstawionej na rys. 4, ale bliższej rzeczywistości, jest wykres pokazany na rysunku 5.

Rysunek 5. Inny przykład manipulacji danymi katalogowymi (założona nierealnie niska temperatura złącza LED)

Rysunek 6. Po tym można poznać wysoką jakość oferowanych LED: wartości parametrów są definiowane dla realnej temperatury pracy złącza LED (LUXEON Z firmy Philips Lumileds)

Niektórzy producenci - jest to jednak niezwykle rzadkie zjawisko - podają parametry dla realnych warunków pracy LED (np. przy założeniu temperatury struktury wynoszącej +85°C - rysunek 6 (Philips Lumileds) a nawet +100°C (Osram) - rysunek 7), co jest dowodem nie tylko wysokiej kultury technicznej ale i zaawansowania technologicznego producenta.

Producenci dbający o przekazanie kompletnych merytorycznie danych technicznych należą na rynku - niestety - do mniejszości, co wynika zarówno z bardzo wysokich wymogów technologicznych stawianych nowoczesnym LED dużej i średniej mocy, jak i heroicznej walki o minimalizację cen podzespołów.

Standaryzacja parametrów LED zależnych od temperatury (czyli niemal wszystkich)

Minimalizację bałaganu i możliwości manipulowania publikowanymi parametrami LED średniej i dużej mocy podjęło kilka organizacji, ale obecnie najpopularniejszym standardem oceny trwałości LED jest przyjęty przez Illuminating Engineering Society of North America zestaw reguł oznaczony symbolem LM-80. Został on dokładnie zdefiniowany i - co ważne z punktu widzenia rzeczywistych aplikacji - bazuje na pomiarach w realnych warunkach.

LM-80 określa trwałość wartości strumienia świetlnego emitowanego przez LED w zadanych warunkach, niezależnie od przyczyny jego degradacji. Ponieważ jego wartość jest zależna od temperatury struktury (choć nie tylko - rysunek 8), zestaw testów LM-80 jest dobrym wskaźnikiem oceny także termicznych warunków pracy struktury.

Rysunek 7. Kolejny przykład poważnego podejścia do odbiorców: producent nie boi się weryfikacji swoich LED w realnej temperaturze pracy (DURIS S8 firmy Osram)

Rysunek 8. Uproszczone zależności pomiędzy parametrami LED, mającymi wpływ na emitowany strumień świetlny (temperatura złącza - pośrednio lub bezpośrednio - ma znaczenie zawsze)

Zgodnie z wymogami LM-80 6-krotnie, co 1000 h ciągłej pracy, wykonywany jest pomiar wartości strumienia świetlnego co pozwala uzyskać zestandaryzowane wyniki, jakich przykład pokazano na rysunku 9. Widoczna na rysunku czerwona linia jest ekstrapolacją uzyskanych wyników pomiarów zgromadzonych w ciągu 6000 h testów, która pozwala statystycznie oszacować kolejny parametr powiązany z chłodzeniem LED - L70.

Wartością tego parametru jest szacowana liczba godzin świecenia LED do chwili osiągnięcia strumienia świetlnego o wartości 70% początkowej. Metoda ekstrapolacji także została zestandaryzowana, nosi oznaczenie TM-21 i bazuje na równaniu Arrheniusa, które wiąże ze sobą częstość drgań cieplnych z energią aktywacji cząsteczek testowanego materiału oraz temperaturą, w której obserwujemy próbkę.

Rysunek 9. Przykładowe wyniki pomiarów zgodne ze standardem LM-80

Rysunek 10. Fragment raportu z pomiarów diod mocy firmy Edison, w którym wyraźnie zaznaczono temperatury pracy testowanych egzemplarzy

Pomiary wartości strumienia świetlnego są wykonywane dla trzech temperatur obudów: 55°C, 85°C oraz dowolnej wyższej, wybranej przez producenta. Na rysunku 10 pokazano fragment raportu z pomiarów diod mocy firmy Edison, w którym wyraźnie zaznaczono temperatury pracy testowanych egzemplarzy, przy czym podano zarówno temperatury punktów kontrolnych LED (zazwyczaj jedno, wyróżnione wyprowadzenie), jak i otoczenia.

Wspomaganie odprowadzenie ciepła ze struktur LED - eksperymenty

Fotografia 11. Testom poddaliśmy trzy paski LED z 12 diodami Seoul Semiconductor STW9Q14C każdy. Zielona płytka jest wykonana z laminatu FR4, widoczne białe płytki mają rdzeń aluminiowy

Po długawym wstępie, którego znaczenia nie należy jednak lekceważyć, zajmiemy się prezentacją najpopularniejszych sposobów wspomagania chłodzenia LED.

Zaczniemy od przykładu analizowanego w redakcyjnym laboratorium: przygotowaliśmy trzy testowe paski laminatu, na każdym zamontowano 12 LED w obudowach 5630, produkowane przez firmę Seoul Semiconductor (STW9Q14C, charakteryzujące się emisją światła o dużej wierności reprodukcji kolorów i prądzie przewodzenia 100 mA) - fotografia 11.

Rysunek 12. Render 3D projektu jednej sekcji testowanych PCB - footprinty LED mają niewielkie radiatory pokryte stopem lutowniczym, dołączone termicznie do radiatorów LED (ulokowanych w dolnej częściach obudów)

Jeden z przygotowanych pasków wykonano na laminacie FR4, pozostałe dwa na laminacie z rdzeniem aluminiowym (AlPCB). Pola montażowe PCB wszystkich LED zaprojektowano w taki sposób, że pocynowane pola miedzi spełniają rolę niewielkich, płaskich radiatorów (rysunek 12), które mają za zadanie ułatwić odprowadzanie ciepła z obudowy LED.

Diody zostały połączone w cztery równoległe sekcje, każda składająca się z trzech szeregowo połączonych LED z rezystorami ograniczającymi prąd do wartości 80 mA (ważne: diody podczas testów pracują na zaledwie 80% swoich możliwości!).

Bezstykowe pomiary temperatury obudowy LED (w bezpośredniej okolicy struktury) wykazały, że obudowy diod montowanych na laminacie FR4 (z lewej strony rysunku 13) osiągają temperaturę blisko +100°C! Temperatura obudów LED pracujących w takich samych warunkach, ale montowanych na laminacie z rdzeniem aluminiowym nie przekracza +66°C (rysunek 14).

Rysunek 13. Wynik bezstykowego pomiaru temperatury LED STW9Q14C zasilanej prądem 80 mA, zamontowanej na PCB wykonanej z laminatu FR4 (ok. +93°C)

Rysunek 14. Wynik bezstykowego pomiaru temperatury LED STW9Q14C zasilanej prądem 80 mA, zamontowanej na PCB wykonanej z rdzeniem aluminiowym (ok. +66°C)

Wynik zdecydowanie lepszy, ale trudny do poprawienia bez dodatkowych zabiegów, bowiem niewielka szerokość paska laminatu, duża gęstość upakowania LED (co 1 cm) oraz grzejące się rezystory ograniczające natężenie prądu płynącego przez LED (rozmieszczone co 3 cm), powodują łącznie trudne warunki termiczne.

Wstępne wyniki z pomiarów pokazują, że stosowanie jako podłoża do montażu LED laminatów epoksydowych nie jest dobrym rozwiązaniem, oczywiście przy założeniu, że zależy nam na wysokiej trwałości budowanego systemu oświetleniowego.

Rysunek 15. Wynik bezstykowego pomiaru temperatury LED STW9Q14C zasilanej prądem 80 mA, zamontowanej na PCB wykonanej z rdzeniem aluminiowym (ok. +40°C). Pasek LED został przyklejony do profilu aluminiowego za pomocą dwustronnej taśmy samoprzylepnej (AGT-153 z oferty AG Termopasty)

Fotografia 16. Przekrój ilustrujący sposób wklejenia paska z LED w profil aluminiowy

Dlatego dalszym testom poddamy wyłącznie paski LED montowanych na AlPCB. Będą one polegały na zastosowaniu dodatkowego radiatora, mocowanego - za pomocą specjalnych, dwustronnych taśm klejących, przewodzących ciepło - do spodniej (aluminiowej) części płytki z zamontowanymi LED.

Rysunek 17. Wynik bezstykowego pomiaru temperatury LED STW9Q14C zasilanej prądem 80 mA, zamontowanej na PCB wykonanej z rdzeniem aluminiowym (ok. +35°C). Pasek LED został przyklejony do profilu aluminiowego za pomocą dwustronnej taśmy samoprzylepnej (8940 firmy 3M)

Na rysunku 15 przedstawiamy zdjęcie wykonane za pomocą kamery termowizyjnej, na którym widać, że temperatura złącza LED wynosi ok. +40°C. Jest to zdjęcie paska wykonanego AlPCB wklejonego za pomocą dwustronnej, termoprzewodzącej taśmy klejącej w walcowany profil aluminiowy (polskiej produkcji, z oferty firmy Kluś, typu LIPOD, ref. B5554).

Profile tego typu są często stosowane jako elementy konstrukcyjne lamp w różnego rodzaju rozwiązaniach architektonicznych. W prezentowanym przykładzie użyto taśmy klejącej AGT-153 (AG Termopasty) z klejem umieszczonym po obydwu jej stronach (fotografia 16). Deklarowana przez producenta przewodność cieplna tej taśmy wynosi 1,5 W/mK, która to wartość jest zbliżona do przewodności cieplnej żelbetonu (1,6-1,8 W/mK).

Pomimo tego udało się uzyskać znaczne obniżenie temperatury LED (z +65,6°C do ok. +40°C). Alternatywnym, ale droższym, rozwiązaniem bazującym na ofercie firmy AG Termopasty jest użycie taśm lepiej przewodzących ciepło, jak na przykład AGT-159 (6 W/mK).

Fotografia 18. Płytka drukowana z rdzeniem aluminiowym - widok z boku (zamontowane LED w obudowach 5630)

Wynik kolejnego eksperymentu jest jeszcze bardziej - jak widać na rysunku 17 - zachęcający. W tym przypadku pasek z LED zamontowanymi na AlPCB wklejono w profil LIPOD za pomocą dwustronnie pokrytej klejem taśmy termoprzewodzącej 8940 firmy 3M, która ma co prawda nie najlepszą przewodność cieplną (0,4 W/mK), ale jest mechanicznie bardzo odporna, dzięki czemu jej grubość wynosi zaledwie 0,19 mm. Przy tak małej grubości ciepło jest odprowadzane do profilu aluminiowego nie tylko przez taśmę klejącą, ale także przez podgrzane powietrze opływające LED, co zwiększa wypadkową skuteczność odprowadzenia ciepła.

Podstawowe zasady dobrego projektowania

Eksperymenty przeprowadzone w naszym laboratorium potwierdziły, że podczas projektowania płytek dla LED mocy konieczne jest umożliwienie odprowadzenia ciepła ze struktur LED, z czego chętnie - ponieważ to kosztuje - rezygnują producenci tanich rozwiązań.

Doskonale to widać m.in. w cenach i budowie dostępnych na rynku fabrycznych retrofitów żarówek halogenowych lub świetlówek: tanie niemal zawsze są wykonywane na malowanym na biało laminacie epoksydowym, co na pewno odbije się na długości ich prawidłowego funkcjonowania.

Podstawą dobrze przygotowanych projektów z LED mocy jest użycie obwodów drukowanych z podłożem aluminiowym. Płytki wykonane w tej technologii są pokryte miedzią tylko z jednej strony, na której rozmieszczone są ścieżki i zamontowane elementy (fotografia 18).

Tworzy to poważne ograniczenia konstrukcyjne, bo nie każdy projekt da się sensownie wykonać na 1-stronnej PCB, do tego bardzo trudne (czytaj: kosztowne) jest przeprowadzanie przez metalowy rdzeń płytki połączeń elektrycznych - zazwyczaj konieczne jest używanie izolowanych przewodów elektrycznych.

Fotografia 19. Wygląd modułu z LED mocy, zamontowaną na płytce "star" z rdzeniem aluminowym

Fotografia 20. Sposób montażu modułu "star" na radiatorze - przekładka zwiększa powierzchnię styku termicznego pomiędzy AlPCB i powierzchnia radiatora

Niemniej jednak, tylko tak wykonane płytki umożliwiają stworzenie skutecznych mechanizmów odprowadzania ciepła ze struktur LED. Wielu producentów LED ma w swoich ofertach gotowe mini-moduły z jedną lub wieloma LED zamontowanymi na płytkach AlPCB (fotografia 19), które są wyposażone w otwory umożliwiające montaż mechaniczny takiego modułu.

Fotografia 21. Bezpośrednio na radiatorach mogą być montowane LED wykonane w technologii COB

Kolejnym krokiem, zazwyczaj niezbędnym ze względu na gęstość upakowania mocy na jednostkę powierzchni płytki, jest montaż LED na radiatorze. Można w tym celu wykorzystać moduły LED montowane na AlPCB (jak na pokazano na fotografii 20), na radiatorze można także montować bezpośrednio coraz bardziej popularne emitery LED wykonane w technologii COB (Chips-on-Board), które w jednej obudowie zawierają wiele struktur LED i są przystosowane do bezpośredniego montażu na radiatorze (fotografia 21).

Radiatory różnego typu, często projektowane specjalnie dla wybranych rodzin LED, oferuje na rynku wielu producentów (m.in. Mechatronix, Nuventix, Fischer Elektronik, Wakefield Solutions, Advanced Thermal Solutions), co ułatwia i przyspiesza prawidłowy dobór ich parametrów do wymogów LED.

Dodatkowym, dość rzadko stosowanym w praktyce, rozwiązaniem wspomagającym odprowadzanie ciepła z LED są wentylatory montowane na radiatorach, co pozwala zmniejszyć objętość tych ostatnich, ale wiąże się ze sporymi niedogodnościami wywołanymi konicznością zapewnienia otartego obiegu powietrza i hałasem wynikającym z pracy śmigła wentylatora. Z tego powodu jest to rozwiązanie stosowane głównie w aplikacjach profesjonalnych.

W skrajnych przypadkach - jeżeli standardowe radiatory konwekcyjne oraz wspomaganie ich pracy za pomocą wentylatorów nie zapewniają odpowiedniego odprowadzenia ciepła lub ich wymiary są zbyt duże w stosunku do objętości obudowy projektowanego urządzenia - można stosować miniaturowe radiatory z chłodzeniem wspomaganym za pomocą cieczy (fotografia 22) lub miedzianymi ciepłowodami (fotografia 23).

Fotografia 22. Miniaturowy radiator z rurką dla płynu wspomagającego odprowadzanie ciepła

Fotografia 23. Radiator dla LED firmy Cree wyposażony w miedziane ciepłowody

W każdym z tych przypadków systemy wspomagania odprowadzania ciepła wymagają dodatkowej infrastruktury, co wiąże się z większymi kosztami, ale są one przeznaczone głównie do wyrafinowanych zadań specjalnych i są rzadko stosowane w typowych aplikacjach oświetleniowych.

Podejmowane przez niektórych producentów próby chłodzenia LED za pomocą ogniw Peltiera nie zakończyły się spektakularnymi wdrożeniami, głównie z powodu bilansu energetycznego: moc wymagana do zasilania ogniwa Peltiera jest wyższa niż moc żarowego źródła światła zastępowanego przez LED…

Ostatnim elementem, jaki trzeba wziąć pod uwagę podczas projektowania systemów oświetleniowych LED, jest obudowa, której konstrukcja powinna uwzględniać kanały poboru i odprowadzania powietrza. Bez nich, nawet najbardziej wyrafinowany system chłodzenia zamknięty w obudowie, prędzej czy później straci efektywność, co odbije się negatywnie na trwałości oświetlacza. Alternatywnym rozwiązaniem jest stosowanie obudów z materiałów przewodzących ciepło, które będzie odprowadzane przez ścianki obudowy.

Podsumowanie

Współczesne LED renomowanych producentów są źródłami światła bliskimi doskonałości, ich najpoważniejszą - od strony konstrukcyjne - wadą jest wydzielanie (względnie) dużych ilości ciepła. Pomimo tego wypadkowa sprawność energetyczna LED-owych źródeł światła jest bardzo dobra, co otwiera im szerokie perspektywy na coraz bardziej "zielonym" rynku, zwracającym uwagę na aspekty ekologiczne.

Przedstawione w artykule wymogi LED związane z odprowadzaniem ciepła warto brać pod uwagę, ponieważ zarówno ich niezawodność jak i czas pracy zdecydowanie rosną wraz ze zmniejszaniem temperatury pracy. W podstawowych aplikacjach nakłady, jakie trzeba ponieść na osprzęt wspomagający odprowadzanie ciepła, nie są duże, aczkolwiek trzeba je brać pod uwagę na naszym rynku, na którym podstawowym kryterium jest cena zakupu.

Obserwowany obecnie zalew tandetnych (bardzo tanich) rozwiązań oświetleniowych będzie stopniowo wyhamowywał, głównie w aplikacjach, w których istotna jest jakość emitowanego światła, a nie tylko jego ilość. Wymaga to jednak edukowania użytkowników, którzy nie zawsze są pewni subiektywnych - nie zawsze pozytywnych - odczuć po zastąpieniu żarówek wkładami LED.

Zainteresowanie rozwiązaniami wyższej jakości na pewno będzie rosło, wraz z rosnącą liczbą szybko się psujących retrofitów, których jasność po kilku miesiącach eksploatacji będzie wyraźnie mniejsza niż przy pierwszym włączeniu.

Piotr Zbysiński, EP

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
marzec 2015
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Zobacz też
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik marzec 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio kwiecień 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje marzec 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna marzec 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów