LED teplotní management

Vysvětlení pojmů Tj, Tsp, T, Ta

Jedná se o veličiny, které charakterizují teplotní management LED diod a které jsou pro danou aplikaci na sobě přímo závislé.

teploty_LEDTj  (j = junction) : Teplota polovodičového přechodu v místě kontaktování vnitřního přívodu čipu v LED diodě. Je vedle proudu tekoucího LED diodou zásadní pro predikci životnosti LED (mezinárodní metodika testování : LM-80 – testovací metodika sledující pokles svítivosti v čase pro konstantní podmínky prostředí, TM-21 – metoda zpracování dat a predikce životnosti LED, L70 – predikovaná doba životnosti LED pro pokles svitu na 70% počáteční hodnoty). Teplota Tj je v praxi pro nás neměřitelná, ale lze ji při daném proudu protékajícím LED diodou v propustném směru If a ze změřené teploty Tsp a znalosti teplotního odporu Rj-sp, který uvádějí katalogové listy LED diod, podle vztahu Tj = Tsp + If x Rj-sp vypočítat.

Tsp  (sp = solder point) : LED diody používané ve světelné technice bývají na spodní straně pouzdra vybaveny chladící kontaktní ploskou pro lepší přestup tepla z LED čipu do plošného spoje. Polohu bodu pro měření Tsp uvádějí katalogové listy LED diod. Bohužel tento bod není uživatelsky přístupný a proto se měří jako náhradní hodnota teplota v bezprostředním okolí místa připájení LED diody k plošnému spoji. Tento bod už bývá ve většině případů přístupný a teplota zde je snadno měřitelná bezdotykovým teploměrem nebo kontaktním teploměrem (teplotní sonda multimetru). V praxi na plošných spojích FR4 pro běžné příkony do 1W/LED a na hliníkových plošných spojích a pro běžné příkony do 10W/LED je teplotní rozdíl mezi teplotou měřenou na pájecí plošce elektrického přívodu a Tsp řádově několik málo stupňů.

Tc_COB2Tc  (c = control, resp. case) : Protože u složitějších modulů, které obsahují více čipů, je složité teplotně posuzovat každý čip zvlášť, definuje výrobce jeden bod, který charakterizuje teplotní management modulu nebo zařízení jako celku a ke kterému jsou pak vztažena všechna teplotní doporučení. Tc najdete označenu např. na COB multičipových LED, LED světelné výzbroji = plošné spoje osazené LED diodami, různých a zejména vícediodových LED modulech, pouzdrech zdrojů nebo korpusech svítidlech. Výhodou je, že výrobce volí polohu tohoto bodu tak, aby Tc byla snadno měřitelná a celé zařízení je pak z hlediska teplotního managementu reprezentováno jediným údajem.

Ta (a = ambient, air) : Teplota okolního prostředí, ve většině případů vzduchu.

Přestože teorie k problematice predikcí životnosti LED diod je poměrně rozsáhlá a složitá, pro naši praxi stačí dodržet pravidlo, že pro dosažení obvyklé námi deklarované životnosti LED diod (L70 – pokles na 30% startovací hodnoty) stačí navrhnout LED osvětlovací sestavu tak, aby za daných provozních podmínek, zejména teplotě okolí a proudu protékajícím LED diodou, který odpovídá požadovanému toku svítidla, nebyla překročena teplota Tj, resp. z ní vypočítaná a měřitelná Tsp, resp. Tc uváděná pro daný proud a životnost výrobcem LED. Podobné pravidlo platí i pro další LED komponenty – LED světelnou výzbroj a napájecí zdroje.

 Postup při měření teploty na LED sestavách

Pro ověření správnosti návrhu Vašeho návrhu svítidla v praxi tedy postačuje změřit teplotu Tsp, resp. Tc LED diod nebo zařízení za daných provozních podmínek a porovnat ji s teplotou, kterou pro dosažení Vámi požadované životnosti deklaruje výrobce. Obecně platí, že čím je vyšší teplota LED a vyšší proud, resp příkon, tím je nižší životnost. Samozřejmě nesmíte překročit maximální provozní teplotu LED – k jejich zničení by došlo velmi rychle. Abychom se příliš neupínali jen k LED diodám. Teplotně kritickým a životnost svítidla určujícím komponentem nejsou LED diody, ale napájecí zdroje, konkrétně životnost použitých elektrolytických kondenzátorů. Teplotní teorie a práce s udávanými údaji výrobců o zatížení zdroje a teplotě Tc ve vztahu k životnosti je podobná jako u LED diod. Aby nedocházelo k vzájemnému teplotnímu ovlivňování LED diod, snažte se při návrhu svítidla mít napájecí část a světelnou část co nejvíce oddělenu. Zdroje teplotně vydrží mnohem méně, než LED diody.

Tc_zdroje2

Bezdotykovým teploměrem : Tato metoda je velmi jednoduchá a universálně použitelná všude tam, kde máte přímý přístup k měřícím bodům (Tsp resp. náhradní hodnota na pájecí plošce LED nebo Tc). Na teploměru je však třeba nastavit potřebnou hodnotu emisivity povrchu, na kterém se měření provádí. Protože povrchy jsou různé a často mívá Tc podobu malého lesklého bodu, o kopečku cínu na nožce LED na lesklé bílé masce plošného spoje nemluvě, bývá to často problém. V praxi se nám velmi osvědčilo měření na povrchu kousku obyčejné bílé kancelářské papírové samolepky nalepené v bezprostřední blízkosti pájecí plosky LED nebo na teplotním bodu Tc. Teplotní rozdíly mezi „pravou Tc“ a teplotou měřenou na samolepce jsou řádu několik málo °C.

Dotykovým teploměrem : Vhodné zejména pro měření uvnitř svítidel. Nejlepší metodou je připevnit teplotní sondu teplovodivou pastou nebo teplovodivým lepidlem v místě měření a vyvést kabel sondy k měřidlu mimo zařízení. Typickými měřícími body je bod Tc na plošném spoji s LED diodami a Tc napájecího zdroje. Možnost měření teploty a externí teplotní sonda je dnes obvyklou součástí elektronických multimetrů střední třídy.

LED_heatTermokamerou : Termokamera Vám ukáže on line rozložení teplot na celé ploše nebo prostoru. Měření je rychlé a jednoduché a sejmutý obrázek je možno uložit pro pozdější použití. Obarvení obrázku v nepravých barvách je velmi názorné a práce s termokamerou je velmi jednoduchá a je možno využít celou řadu funkcí. Bohužel cena kvalitní termokamery je vysoká.

POZOR !!! –  Teplotní měření je třeba provádět na zařízení v reálných provozních podmínkách za jmenovité teploty okolí Ta (a = ambient) a ve jmenovitém provozním režimu a v teplotně ustáleném stavu. Hliníkové chladiče a profily mívají často poměrně vysokou tepelnou akumulační kapacitu a doba pro zjištění měřené teploty, než se teplota po růstu ustálí, může trvat i cca hodiny. I takto získaný údaj je „tady a teď“ pro konkrétní podmínky, zásadní je pro chlazení např. proudění vzduchu a i mírný průvan v místnosti Vám měření velmi zkreslí. Přesná měření je třeba provádět v klimakomoře za definovaných podmínek.

Navrhování chladičů pro LED sestavy

Pro navrhování chladičů pro LED diody jsou důležité tři zásadní faktory :

  • Odvedení tepelného toku z LED do chladiče kdy LED diodu je třeba dobře teplotně navázat na chladič :  plocha chladiče musí být co nejrovnější, mezi plochu chladiče a LED (COB, plošný spoj, na kterém je LED připájena) je třeba aplikovat teplovodivé lepidlo nebo pastu, vrstva pasty by měla být co nejtenčí.
  • Rozvedení tepla v objemu, resp. ploše chladiče : chladič musí svojí hmotou zajistit co nejrovnoměrnější rozvedení tepla po celé své ploše a v místě vývinu tepla musí být masívní, při výpočtu chladiče je třeba počítat s jeho efektivní plochou, jednou z možností, jak ušetřit hmotu chladiče, je navázání chladících ploch pomocí heat pipe trubic, pro náročné aplikace je teplotní vodivost hliníku nedostatečná a používají se chladicí prvky, případně i samotný plošný spoj z mědi
  • Vyzáření tepla do okolí : celková a efektivní povrchová plocha chladiče, radiační schopnosti povrchu, orientace a poloha chladiče, cirkulace okolního vzduchu (komínový efekt), teplota okolí, zanášení chladiče prachem

led_chlazení_a_chladic

Precizní návrh chladiče je komplikovaná záležitost. Existují poměrně složité výpočetní metody a nebo je možné si nechat chladič navrhnout od renomovaných odborníků. V realitě dnešního světa však doporučujeme jít jednodušší experimentální cestou „pokus – omyl“. Ve většině případů je totiž udělat potřebný teplotní model komplikované a drahé a stejně musíte při konstrukci zařízení vycházet z Vašich konstrukčních omezení a dostupných materiálů.

Přístup pak může být dvojí :

  • Buď vezmete za základ aktuální resp. maximální možné konstrukční uspořádání a vyzkoušíte zvyšováním příkonu, kolik sestava uchladí a tomu bude odpovídat i maximální světelný tok.
  • A nebo k požadovanému světelnému toku, resp. příkonu, hledáte vhodný chladič a zkracujete nebo prodlužujete chladící profily, přidáváte žebra nebo chladící ploch aj.

Není to jednoduché a chvíli to trvá, ale každou sestavu musíte v konečném důsledku stejně poctivě „odbastlit“, resp. výsledky výpočtů ověřit v praxi, protože na správném návrhu chladiče je bytostně závislá životnost Vaší LED aplikace.

Námi dodávané profily a pásky máme odzkoušené a uvádíme u nich, jaký je maximální příkon na metr délky pásku za určených podmínek spolehlivě uchladí.