Методика оценки теплового режима светодиодных светильников в процессе их конструирования

На этапе проектирования светодиодных светильников и расчёта теплового режима их работы конструктору необходимо определить, каковы внешние условия, в которых предполагается эксплуатировать разрабатываемую модель. Далее, основываясь на полученных данных, следует обозначить тепловой режим. С этой целью задаются основные параметры отвода тепла, вырабатываемого светодиодами. Подобная система включает в себя непосредственно светодиод, радиатор, печатную плату.

В исключительных случаях конструктор, обладающий большим опытом работы, может начать изготовление макета без проведения каких-либо предварительных расчетов. Однако чаще всего требуется вычисление тепловых сопротивлений с применением различных типовых подходов, формул, позволяющих произвести приближенный расчет радиатора. При этом используются специальные программы (QLED, CFdesign). Они позволяют подробно проанализировать любое тепловое решение для светодиодного светильника.

Очень важно, чтобы все проведенные расчеты были тщательно проверены. Разработчику необходимо убедиться в том, что надлежащий уровень охлаждения обеспечивается радиатором. В идеале для этого измеряется температура p-n-перехода светодиода. Для проведения подобных замеров требуется специальное оборудование, имеющееся далеко не во всех лабораториях.

При проверке результатов тепловых расчетов замеры температуры в обязательном порядке должны проводиться на реально существующей конструкции. Такие измерения дают возможность убедиться в том, что выбранное тепловое решение является оптимальным (что особенно важно в экономическом плане) и при этом обеспечивает необходимую степень охлаждения p-n-перехода.

Измерение температурных режимов светодиодов и характеристик проверяемой связки «светодиод-радиатор» может проводиться различными путями. К примеру, определяется зависимость падения напряжения, имеющегося на p-n-переходе, от его температуры, или производится замена диода прибором, эквивалентным по степени нагрева резистора, а затем - измерение термограммы тепловизором.
Понятно, что каждый из упомянутых методов имеет и преимущества, и недостатки.

Рассмотрим еще один действенный способ проведения измерений теплового режима светодиодных светильников.
Предлагаемая методика проста, она позволяет быстро проверять результаты проведённых расчетов, подбирая оптимальные виды конструкции радиатора. В то же время с её помощью производится более точная оценка теплопроводности материалов в любом допустимом режиме работы светодиода.

На термопаде светодиода (отводящей тепло контактной площадке) устанавливается температурный датчик. Такое решение дает возможность точно измерить температуру в точке монтажа светильника. Датчик – микросхема AD7814ARM от компании Analog Devices.

Цифровой интерфейс SPI исключает наличие возможных погрешностей в тракте измерительной системы. Полученные значения температуры передаются на модуль в цифровом виде. ZigBee (встраиваемый радиоканальный модуль) позволяет также осуществлять необходимые измерения с помощью беспроводного интерфейса.

Приёмник обеспечивает сбор полученных температурных данных, облегчает их обработку, представляя в наиболее удобном виде. Использование беспроводных сетевых технологий даёт возможность одновременно производить измерения на отдельных датчиках или их группах.
Практическое применение рассматриваемого метода иллюстрирует рисунок № 1

На рисунке № 1 на радиаторе зафиксирована печатная плата со светодиодами. Чтобы погрешность измерений оказалась минимальной, температурный датчик установлен рядом с кристаллом светодиода. Используя различные материалы самой печатной платы, находящегося между ней и радиатором термоинтерфейса, меняя конструкции радиаторов, можно выявить наилучшую комбинацию всех параметров и принять правильное решение.

На рисунке №2 представлена сравнительная характеристика печатных плат, изготовленных из различных материалов.

Рассматриваемая методика оценки теплового режима светодиодных светильников в процессе их конструирования позволяет качественно производить необходимые измерения, существенно сокращая время разработки.

Специалисты «АтомСвет» утверждают, что представленный подход позволяет создавать наиболее эффективные, так называемые «умные» осветительные системы, обладающие расширенным функционалом (включая диммирование). Также появляется возможность использовать дополнительные сервисные функции (обслуживание при загрязнении источника света или экранировании его теплоотвода, диспетчеризация светотехнических приложений с учетом местоположения светильников и прочее). Отдельную категорию составляют светильники, устанавливаемые на подвесных потолках. В этом случае необходимо учитывать ряд значимых обстоятельств (полное отсутствие вентиляции, вероятность установки конструкции в замкнутом пространстве). В подобных условиях температура воздуха со временем наверняка будет повышаться, ведь источником тепла является сам светильник. Таким образом, целесообразно использовать измерения, проводимые в конкретных условиях эксплуатации, как дополнение к лабораторным.