eng
Выпуск #8/2015
К.Мещерякова
Тепловой режим работы мощных светодиодов – моделирование в ANSYS ICEPAK
Тепловой режим работы мощных светодиодов – моделирование в ANSYS ICEPAK
Просмотры: 3755
При разработке светотехнических устройств на основе мощных светодиодов одна из важнейших задач – обеспечение допустимого теплового режима. О том, как решить эту задачу с помощью пакета ANSYS Icepak рассказывается в статье.
Сегодня находят широкое применение сверхъяркие мощные светодиоды – в световой рекламе, дорожных светофорах, автомобильной светотехнике, мобильных телефонах и др. [1]. Современные мощные светодиоды должны быть исключительно надежными. Основная причина выхода этих устройств из строя – превышение допустимой температуры кристалла. Высокая рабочая температура p-n-перехода способствует ухудшению световых характеристик светодиодной лампы и уменьшению ее долговечности – одного из основных преимуществ светодиодов по сравнению с традиционными источниками света. В связи с этим, при разработке светотехнических устройств с использованием мощных светодиодов одна из важнейших задач – обеспечение допустимого теплового режима. О том, как решить эту задачу с помощью пакета ANSYS Icepak рассказывается в статье.
Д
ля расчета системы охлаждения светодиодов, как правило, используют модель тепловых сопротивлений [2], значения которых вычисляются аналитически. Однако реальные величины могут отличаться от расчетных и зависят от внешних условий, используемого материала и тепловой нагрузки вокруг светодиода. Кроме того, в модели тепловых сопротивлений не учитывается отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения светодиода. Более точные и полные результаты дает применение систем численного моделирования, таких как ANSYS Icepak.
Возможности ANSYS Icepak для решения задач обеспечения теплового режима светодиода рассмотрим на примере моделирования карманного фонаря (рис.1). Исходная модель включает в себя пластиковый корпус, мощный светодиод, установленный на печатную плату, алюминиевый радиатор и элемент питания. Cветодиод монтируется на печатную плату из стеклотекстолита FR-4, которая устанавливается на радиатор из алюминиевого сплава. Поток тепла движется от p-n-перехода светодиода через печатную плату к радиатору охлаждения.
Встроенный в ANSYS Icepak объект Block использовался для построения модели светодиода. Для задания значения рассеиваемой мощности Pd светодиода в ANSYS Icepak подходит полезная опция объекта Block – LED power settings. Пользователю достаточно задать такие параметры, как If – номинальный прямой ток, Vf (T) – зависимость прямого напряжения от температуры и ε = 1 – η, где η – коэффициент полезного действия по излучению светового потока (рис.2). Значение коэффициента ε обычно выбирают в пределах 0,7–0,8. Рассеиваемая мощность определяется по формуле:
Pd = ε · If · Vf (T).
Для светодиода в расчетной модели были заданы значение потребляемого тока в номинальном режиме 350 мА, ε =0,8 и температурный коэффициент прямого напряжения –3 мВ/°C.
В результате стационарного теплового расчета карманного фонарика при естественной конвекции и температуре окружающей среды 20°C было получено тепловое поле устройства (рис.3). Максимальная температура светодиода составила 84°C, что допустимо согласно техническому описанию.
На практике часто возникает необходимость уменьшения температуры корпуса светодиода для обеспечения нужного теплового режима. Такие стандартные методы, как увеличение размера печатной платы и радиатора, трудно применять из-за ограниченного объема корпуса готового устройства. Для решения данной задачи можно, например, заменить материал печатной платы на фольгированный стеклотекстолит, в котором теплопередача будет происходить через переходные отверстия. В таком случае в рассмотренной ранее модели максимальная температура светодиода уменьшается на 17°C (рис.4).
В заключение еще раз отметим важность анализа теплового режима мощных светодиодов. Правильно подобранный режим обеспечит допустимую температуру p-n-перехода, что позволит работать при высоких токах, увеличить световую отдачу и минимизировать ее снижение из-за нагрева, а, следовательно, максимально использовать основные преимущества полупроводниковых источников света – долговечность и эффективность.
Литература
1. Туркин А. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 5. С. 28–33.
2. Полищук А. Обеспечение теплового режима мощных светодиодных ламп при разработке светотехнических устройств // Современная электроника. 2006. № 3. С. 52–56.
Д
ля расчета системы охлаждения светодиодов, как правило, используют модель тепловых сопротивлений [2], значения которых вычисляются аналитически. Однако реальные величины могут отличаться от расчетных и зависят от внешних условий, используемого материала и тепловой нагрузки вокруг светодиода. Кроме того, в модели тепловых сопротивлений не учитывается отрицательный температурный коэффициент прямого напряжения светодиода. Более точные и полные результаты дает применение систем численного моделирования, таких как ANSYS Icepak.
Возможности ANSYS Icepak для решения задач обеспечения теплового режима светодиода рассмотрим на примере моделирования карманного фонаря (рис.1). Исходная модель включает в себя пластиковый корпус, мощный светодиод, установленный на печатную плату, алюминиевый радиатор и элемент питания. Cветодиод монтируется на печатную плату из стеклотекстолита FR-4, которая устанавливается на радиатор из алюминиевого сплава. Поток тепла движется от p-n-перехода светодиода через печатную плату к радиатору охлаждения.
Встроенный в ANSYS Icepak объект Block использовался для построения модели светодиода. Для задания значения рассеиваемой мощности Pd светодиода в ANSYS Icepak подходит полезная опция объекта Block – LED power settings. Пользователю достаточно задать такие параметры, как If – номинальный прямой ток, Vf (T) – зависимость прямого напряжения от температуры и ε = 1 – η, где η – коэффициент полезного действия по излучению светового потока (рис.2). Значение коэффициента ε обычно выбирают в пределах 0,7–0,8. Рассеиваемая мощность определяется по формуле:
Pd = ε · If · Vf (T).
Для светодиода в расчетной модели были заданы значение потребляемого тока в номинальном режиме 350 мА, ε =0,8 и температурный коэффициент прямого напряжения –3 мВ/°C.
В результате стационарного теплового расчета карманного фонарика при естественной конвекции и температуре окружающей среды 20°C было получено тепловое поле устройства (рис.3). Максимальная температура светодиода составила 84°C, что допустимо согласно техническому описанию.
На практике часто возникает необходимость уменьшения температуры корпуса светодиода для обеспечения нужного теплового режима. Такие стандартные методы, как увеличение размера печатной платы и радиатора, трудно применять из-за ограниченного объема корпуса готового устройства. Для решения данной задачи можно, например, заменить материал печатной платы на фольгированный стеклотекстолит, в котором теплопередача будет происходить через переходные отверстия. В таком случае в рассмотренной ранее модели максимальная температура светодиода уменьшается на 17°C (рис.4).
В заключение еще раз отметим важность анализа теплового режима мощных светодиодов. Правильно подобранный режим обеспечит допустимую температуру p-n-перехода, что позволит работать при высоких токах, увеличить световую отдачу и минимизировать ее снижение из-за нагрева, а, следовательно, максимально использовать основные преимущества полупроводниковых источников света – долговечность и эффективность.
Литература
1. Туркин А. Полупроводниковые светодиоды: история, факты, перспективы // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 5. С. 28–33.
2. Полищук А. Обеспечение теплового режима мощных светодиодных ламп при разработке светотехнических устройств // Современная электроника. 2006. № 3. С. 52–56.
Отзывы читателей
