Тепло ли тебе, матрица?

Многие специалисты, впервые сталкиваясь со светодиодной матрицей, задаются вполне очевидными вопросами ее устройства, особенностей крепления и установки, а также отводом тепла.

Приведенная в статье информация ответит на все эти вопросы и поможет сократить время проектирования и макетирования, позволив быстрее перейти к выпуску серийной продукции на основе матриц Cree CXA и избежать часто возникающих проблем.

Общий принцип устройства матриц Cree CXA

Светодиодные матрицы серии CXA представляют собой многокристальную сборку с нанесенным сверху слоем люминофора, установленную на высокотеплопроводную керамическую подложку (рис. 1).

Рис. 1. Матрица Cree CXA

За счет такой конструкции удается получить большой световой поток с маленькой по площади поверхности. А значит, «поляну» дискретных светодиодов мы можем заменить одной-единственной матрицей. При этом отпадает необходимость в печатных платах и до минимума сокращается количество вторичной оптики, что ведет к увеличению технологичности производства и удешевлению выпускаемой продукции.

Однако подобная компактность несет и ощутимые сложности в проектировании, так как при работе матрицы с маленькой по площади излучения поверхности происходит большое выделение тепла. Поскольку матрицы и рассчитаны на использование в режимах большой мощности, то данная проблема приобретает серьезное значение, требующее комплексного подхода для правильной реализации теплоотвода.

Одной из особенностей отвода тепла от мощных матриц является обязательное применение специализированных теплопроводных материалов (ТМ) [1]при монтаже матриц на радиатор.

Зачем нужен ТМ?

Радиатор для светодиодного светильника, зачастую являющийся и корпусом изделия, обычно изготавливается из алюминиевого сплава. Поверхность для установки светодиодов отличается различной шероховатостью, в зависимости от метода изготовления радиатора и его последующей обработки. Керамическое основание матрицы, на которой установлены кристаллы, напротив, характеризуется высоким качеством обработки поверхности. К чему ведет разница в качестве поверхностей светодиодной матрицы и радиатора, наглядно демонстрирует рис. 2.

Рис. 2. Отвод тепла от матрицы на радиатор без использования теплопроводного материала

Большая мощность, уходящая в нагрев через высокотеплопроводную керамическую подложку матрицы, отводится на радиатор только в местах контакта двух поверхностей. Вследствие этого матрица начнет перегреваться, что в конечном итоге приведет к ее выходу из строя.

Задействовать всю площадь основания матрицы для отвода тепла позволяют специализированные ТМ (рис. 3).

Рис. 3. Отвод тепла от матрицы на радиатор с использованием теплопроводного материала

Существует несколько разновидностей ТМ: термопасты, термоклеи, теплопроводящие прокладки разной толщины и разной теплопроводности и даже специальный материал, меняющий свое фазовое состояние при определенной температуре.

Однако сам подбор оптимального ТМ под конкретное решение довольно сложный процесс, требующий оценки множества факторов, таких как режим эксплуатации и мощность светодиодной матрицы, теплопроводность ТМ, технология и толщина его нанесения, температурный диапазон работы с сохранением всех физических свойств. Следует принимать во внимание и вопросы хранения и перевозки.

Монтаж светодиодных матриц CREE CXA

Рассмотрим два основных варианта крепления матриц Cree CXA на радиатор: с помощью теплопроводного клея или специализированного держателя и ТМ

Рис. 4. Крепление матриц к радиатору

Крепление с помощью специализированного держателя и TМ

При этом способе крепления нужен специализированный держатель, обеспечивающий соответствующий прижим матрицы к радиатору (рис. 5). Согласно рекомендациям Cree, использование ТМ в этом случае обязательно! Некоторые модели держателей позволяют обойтись без пайки проводов, как, например, держатели компании IDEAL.

Рис. 5. Держатель матрицы производства компании IDEAL

Крепление с помощью теплопроводного клея

Светодиодная матрица крепится к радиатору с помощью теплопроводного клея. Клей, являясь теплопроводным материалом, обладает большой адгезивной способностью, что избавляет от необходимости использовать для прижима матрицы специальные держатели. В этом случае применение держателей оправдано исключительно для упрощения монтажа проводов или для крепления рефлекторов

Меры предосторожности при ручной сборке

Переход на применение светодиодных матриц при выпуске продукции предусматривает высокую культуру производства. Монтаж светильников необходимо выполнять в чистом помещении с соблюдением всех рекомендаций Cree и изготовителей ТМ.

Неправильное обращение с матрицей может привести к проблемам, которые на начальном этапе не проявляются. Так, механическое повреждение Cree CXA способно вывести из строя часть кристаллов и, как следствие — саму матрицу (рис. 6).

Рис. 6. Меры предосторожности при монтаже матриц

Макетирование

Сохранение высоких светотехнических параметров, а также долгий срок службы светодиодной матрицы возможны только при соблюдении тепловых режимов ее использования.

На каждой матрице Cree CXA имеется специальная точка T_c (Тemperature case), в которой измеряется температура (рис. 7). Именно на показания в этой точке нужно ориентироваться в своих предварительных расчетах, поскольку от T_c зависят такие светотехнические параметры, как световой поток, световая эффективность и коррелированная цветовая температура. Больше не нужно пересчитывать температуру кристаллов (T_j), как это приходилось делать с дискретными диодами.

Рис. 7. Точка Tc для измерения температуры

В технической информации, предоставляемой производителем на каждый тип матрицы, присутствует график зависимости максимально допустимой температуры T_c от тока. Чем выше ток, тем более низкую температуру необходимо обеспечивать в этой контрольной точке. Особенно хотелось бы обратить внимание разработчиков светильников на то, что максимально допустимая T_c не должна превышаться во всем температурном диапазоне работы будущего светильника.

Рис. 8. График зависимости Tc от режима работы матрицы

Исходя из режима работы матрицы и измеренной T_c, компания Cree предоставляет данные о сроке службы своей продукции, который, при правильно разработанном теплоотводе, составляет десятки тысяч часов [2].

Как правильно измерить T_c?

Характеристика T_c измеряется с помощью термопар типа K, J, T и сертифицированного прибора измерения температуры (рис. 9). Снимать показания прибора нужно после выхода светильника в установившийся тепловой режим, что обычно составляет 3–4 часа непрерывной работы изделия.

Рис. 9. Измерение T_c

Моделирование

Для проведения точного теплового моделирования мы всегда проводим этап реального макетирования светодиодных компонентов (рис. 10). Каждый тип матрицы, вплоть до бина по световому потоку, проходит тепловые испытания на разных токах на специализированном тестовом радиаторе. На основе полученных результатов создается компьютерная модель конкретной светодиодной матрицы Cree CXA.

Рис. 10. Примеры теплового моделирования

Почему этап макетирования матрицы с учетом бина по световому потоку так важен? Все дело в мощности, непосредственно уходящей в нагрев.

В качестве примера сравним два идентичных решения на одинаковых радиаторах и с матрицами одного типа и потребляемой мощностью 100 Вт, отличающихся только бином по световому потоку и, следовательно, световой эффективностью.

В первом решении мы применяем бин с высоким световым потоком, а во втором — бин с низким световым потоком. Посмотрим на оба решения с точки зрения выделения тепла. На рис. 11 можно увидеть условное распределение потребляемой мощности матрицы, уходящей в свет и тепловой нагрев.

Рис. 11. Условное распределение потребляемой мощности на светодиодной матрице:
а) с высоким бином по световому потоку;
б) с низким бином по световому потоку

У решения, основанного на матрице с высоким бином по световому потоку, мощность, выделяемая в тепло, составила 65%, что эквивалентно 65 Вт. Для матрицы с низким бином по световому потоку это значение составило соответственно 90% и 90 Вт.

Учитывая, что такая разница образуется на маленькой по площади поверхности излучения, показания T_c в одном и том же, казалось бы, 100-ваттном решении значительно отличаются. В одном случае температура может быть удовлетворяющей рекомендованному диапазону, в другом — превышающей максимально допустимый параметр T_c. На этот момент нужно обращать особое внимание при разработке светильника.

После этапа макетирования матрицы мы создаем ее компьютерную модель. На 3D-модели тестового радиатора с помощью теплового моделирования получаем те же значения T_c на разных токах, что и при макетировании. Таким образом, мы точно знаем процент выделяемой в тепло мощности на разных токах для каждой матрицы определенного бина по световому потоку.

Тепловое моделирование проходит с учетом множества параметров: влияния конвекции, применяемых материалов в светильнике, толщины нанесения TМ и мощности матрицы, уходящей в тепловой нагрев. Следует отметить, что по итогам моделирования мы и получаем расчетную температуру T_c, которую позже измеряем на этапе макетирования изделия. Это экономит время на этапе разработки светильника.

Мы добились большой точности получаемых результатов для определения температуры T_c матриц. Результаты компьютерного моделирования были неоднократно подтверждены реальным макетированием и испытаниями светильников, проводимыми компанией Cree в рамках программы Tempo. Расхождение в расчетных и реальных результатах не превышает 7%.

Решение

Пользуясь опытом точного теплового моделирования и учитывая все особенности применения, теплоотвода и крепления мощных светодиодных матриц, наша компания разработала решение для промышленного освещения на основе Cree CXA (рис. 12).

Рис. 12. Тепловое моделирование промышленного светильника

Данный прототип конструктивно состоит из радиаторов с вертикальными ребрами и алюминиевых пластин для крепления матриц. Вертикальные ребра улучшают теплоотвод за счет естественной конвекции воздуха (рис. 13).

Рис. 13. Фото светильника

Мощные светодиодные матрицы Cree CXA 3590 крепятся к алюминиевым пластинам с помощью теплопроводного клея. Силиконовая оптика LEDIL STELLA-HB позволяет обеспечить IP65 в конструкции светильника без применения защитного стекла. Тепловое воздействие радиатора на источник питания минимизировано.

Расчетные технические характеристики решения светильника:

• световой поток СП — 18 700 лм;
• мощность СП — 166 Вт;
• эффективность СП — 112 лм/Вт;
• Т_с — +75 °С;
• вес светильника — 9 кг.

Данное решение оптимально подходит для освещения промышленных помещений с высотой подвеса светильников 9–12 м.

В заключение хотелось бы еще раз отметить, что появление высокоэффективных светодиодных матриц Cree CXA позволяет при грамотной проработке реализовать технологически простые, компактные, конкурентоспособные изделия. А специалисты нашей компании всегда готовы помочь с расчетами в области светотехники и дать рекомендации по применению компонентов и комплектующих.