Движение воздуха — жизнь фонаря

В современной полупроводниковой светотехнике явно прослеживается тенденция к увеличению электрической мощности изделий. Соответственно, растет и выделяемая тепловая мощность применяемых светодиодов и матриц. При этом требования к габаритам, массе, геометрии и другим конструктивным параметрам становятся только жестче. Таким образом, создание лампы, светильника или прожектора на базе только дизайнерских решений уже невозможно — необходим комплексный инженерный подход, оптимизация и расчеты.

Особой категорией полупроводниковых осветительных приборов можно считать уличные светильники, поскольку в данном случае добавляется еще необходимость учитывать влияние погодных условий: высокие и низкие температуры окружающей среды, осадки, ветер и пр. Это накладывает дополнительные ограничения на механические и тепловые свойства всего устройства. Например, в подавляющем большинстве случаев исключено применение вентиляторов. В то же время светильники обладают высокой мощностью и обычно оснащаются довольно массивными радиаторами, через которые нужно каким-то образом «перекачивать» воздух.

Для моделирования воздушных потоков внутри радиатора целесообразно применить упрощенную геометрию профиля охлаждения. В большинстве случаев радиатор с корпусом светильника образуют «трубу», дном которой является основание профиля радиатора (контактная поверхность), а верхней частью — корпус, защищающий светильник от осадков. Эскиз такого профиля приведен на рис. 1. В расчетах длина вытяжки этого профиля составляет 500 мм. На контактную поверхность импровизированного радиатора в расчетах подавалась тепловая мощность 100 Вт, которая и обеспечивала функцию «насоса», перекачивающего воздух (нагретый воздух расширяется и поднимается вверх, тем самым создавая разницу давлений, что обеспечивает движение воздуха через охладитель). Температура окружающей среды при расчетах была принята +20 °С.

Рис. 1. Геометрия профиля

Для описания проблемы был проведен расчет этого абстрактного радиатора в горизонтальном положении. На рис. 2 хорошо видно, что воздух внутри стоит, скорость равна нулю. Температура равномерно распределена по контактной поверхности (рис. 3) с пиковой точкой в центре (максимальная температура +90,68 °С).

Рис. 2. Векторы скоростей воздуха

Рис. 3. Температура контактной поверхности

Такой светильник, скорее всего, не обеспечит требуемый «запас прочности», тем более при высокой температуре окружающей среды (летом в отдельных регионах температура даже ночью может превышать +35 °С), так как температура чипа будет выше максимальной температуры охладителя ввиду наличия тепловых сопротивлений охладитель–подложка и подложка–кристалл. Кроме того, необходимо иметь запас по максимальной температуре на случай экстремальных изменений окружающих условий (в первую очередь, жаркая погода). К сожалению, светодиодные матрицы устроены таким образом, что зачастую при нарушении условий их эксплуатации (в том числе температурного режима полупроводниковых кристаллов) они не сгорают и не выходят из строя моментально, а теряют в интенсивности свечения или медленно изменяют спектр свечения (чаще всего некачественные светодиоды при перегреве «синеют», начиная излучать «холодный» спектр). Таким образом, система освещения целого квартала города может, казалось бы, исправно проработать в течение месяца и даже полугода и только после этого окончательно выйти из строя, нанеся существенный экономический ущерб.

Это обуславливает необходимость обязательного проведения тепловых расчетов: опытные образцы не покажут перегрузок и нарастающей «усталости» светильника. Такие расчеты проводит уже зарекомендовавшая себя в тепловом проектировании высокомощной силовой электроники компания «Радиоэлком».

Ввиду того, что уличные фонари из-за пыли не оснащаются вентиляторами, осуществить тягу воздуха можно с помощью перепада давлений, вызываемого разницей температур. Как известно, горячий воздух поднимается вверх, поэтому если мы немного наклоним радиатор (достаточно 20–30°), то сможем обеспечить движение воздуха внутри него. На рис. 4 показаны скорости воздуха, на рис. 5 — температурное распределение по контактной поверхности.

Рис. 4. Векторы скоростей воздуха

Рис. 5. Температура контактной поверхности

Как видно, температурное пятно сместилось, что свидетельствует о движении воздуха в радиаторе (приподнятый край будет более горячим, т. к. воздух нагревается, проходя через радиатор), максимальная температура снизилась примерно на 10 °С. Чтобы сделать смещение теплового пятна как можно более равномерным, рекомендуется соответствующим образом располагать и сами матрицы.

Однако данная конструкция не обеспечит необходимой защиты от осадков, так как, по сути, отверстие выхода воздуха не закрыто. Часто эту проблему решают, закупоривая входное и выходное отверстия заглушками и проделывая вентиляционные отверстия в плите радиатора (на контактной поверхности). Это эффективно спасает от осадков, однако снова затрудняет движение воздуха и способствует повышению температуры (рис. 6, 7).

Рис. 6. Векторы скоростей воздуха

Рис. 7. Температура контактной поверхности

Таким образом, при проектировании конструкции уличного светильника необходимо обязательно обеспечивать поток воздуха внутри его радиатора. Одним из вариантов решения данной проблемы является рассмотренный в статье наклон светильника. Помимо описанных конструктивных особенностей охлаждения уличных светильников, существует еще целый ряд препятствующих хорошему теплообмену факторов: геометрия профиля радиатора, вентиляционные решетки, фильтры, геометрия кожухов и корпусов светильников, нагромождения микросхем и плат управления, неверно расставленные подложки и т. д. Все эти факторы можно учесть, только проведя тепловой расчет либо масштабные по времени лабораторные исследования. Однако существенным преимуществом теплового моделирования является куда большая скорость получения результатов (не нужно ждать полгода-год, чтобы узнать, что система охлаждения не справляется и требует доработки или, что встречается чаще, излишне массивна и, как следствие, сильно увеличивает стоимость всего светильника).