Двухстороннее охлаждение высокомощных светодиодных кластеров

При работе любого светодиода происходит преобразование электрической энергии в световую (полезный свет) и тепловую (побочное тепло). Если такое тепло недостаточно эффективно отводится от кристалла, его температура повышается и достигает некоторых критических значений, резко снижающих гарантийные сроки службы (а это одно из главных конкурентных преимуществ светодиодных источников света).

Проблема отвода избыточного тепла от LED-кристалла становится критически важной в связи с появлением на рынке светодиодов компактных, высокомощных (десятки, сотни ватт) LED-кластеров. Во многом от решения данной проблемы зависит дальнейший прогресс в увеличении удельных энергетических характеристик высокомощных светодиодных светильников и прожекторов.

Критический анализ существовавших подходов к проектированию систем охлаждения светильников и других тепловыделяющих электронных устройств позволил нам [1] найти один из неиспользуемых до настоящего времени резервов в отводе тепла — так называемый фронтальный отвод.

Фронтальная система охлаждения

Под термином «фронтальный отвод тепла» подразумевается отвод тепла с помощью специально сконструированных радиаторов охлаждения, располагаемых на лицевой — фронтальной стороне печатных плат (MC PCB — Metal Core Printed Circuit Board), на которой и смонтированы сами светодиоды.

Важнейшими характеристиками фронтальной системы охлаждения являются форма, габариты и место расположения этих (фронтальных) радиаторов. Все они определяются конфигурацией и размерами «мертвых» оптических зон (рис. 1) — участков пространства, через которые не проходит полезное, генерируемое светодиодом световое излучение, имеющее, как правило, форму конуса, численно характеризуемое углами излучения.

Рис. 1. Расположение «мертвых»оптических зон

Основное требование к фронтальным радиаторам: они должны вписываться, находиться внутри этих «мертвых» оптических зон и не препятствовать прохождению полезного света.

Введение дополнительных — фронтальных радиаторов (рис. 2а, б) позволяет существенно увеличить суммарную теплорассеивающую площадь системы охлаждения, повысить ее эффективность (к отводимому традиционными радиаторами тепловому потоку q₁ добавляются тепловые потоки q₂ и q₃.). Все это и способствует снижению рабочей температуры кристалла.

Рис. 2. Дополнительные фронтальные радиаторы и распределение тепловых потоков

Выбор материала

Материал, предназначенный для изготовления фронтальных радиаторов, должен как минимум удовлетворять двум требованиям:

• Обладать теплопроводностью l, необходимой и достаточной для подвода к охлаждающей поверхности такого количества тепла Q (рис. 3), которое реально может «забрать» себе окружающий воздух в условиях естественного (без вентиляторов) охлаждения.
  
  

  Рис. 3. Зависимость количества отводимого тепла от материала радиатора

Расчеты и многочисленные эксперименты относят к ним материалы с l выше 7–10 Вт/м·K (к ним принадлежат все металлы и так называемые теплопроводные (теплорассеивающие) полимерные композиты [2]).

• Перерабатываться с помощью технологий, обеспечивающих высокую точность (не хуже точности изготовления самих светодиодов и кластеров на их основе) в условиях массового производства при сохранении разумного уровня себестоимости.

Всем этим требованиям удовлетворяют недавно появившиеся на рынке теплопроводящие (теплорассеивающие) пластмассы, разработанные в конце 1990-х годов по заказу NASA. Обладая близкой (на уровне 90–95%) к алюминию теплорассеивающей способностью (при естественном охлаждении), изделия из таких пластиков (одинаковые по форме и размерам) почти в два раз легче, а их себестоимость в 3–5 раз меньше алюминиевых. Коэффициент термического линейного расширения этих пластиков имеет очень низкие (5–10 ppm/°С), близкие к металлам (10–20 ppm/°С) значения, поэтому между ними при сопряжении в конструкциях будут возникать минимальные термические напряжения и сводиться к минимуму нежелательные эффекты коробления деталей.

Эксперимент

На рис. 4 приведены результаты экспериментальной проверки эффективности применения фронтального охлаждения на примере работы светодиода фирмы Cree (тип XML) мощностью 10 Вт, закрепленного на алюминиевой пластине 50×50 мм толщиной 2 мм. Измерялась (термопарой) температура самой горячей точки сборки — под кристаллом. Использовались модульные игольчатые радиаторы М50, изготовленные из теплорассеивающего полимерного композита «Теплосток Т6-Э5-7» (Россия) с теплопроводностью, равной 6 Вт/м·K.

Рис. 4. Результаты экспериментальной проверки эффективности применения фронтального охлаждения:
а) без радиаторов;
б) с классическим радиатором;
в) с фронтальным радиатором;
г) с классическим и фронтальным радиаторами

Приведенные результаты подтверждают эффективность применения фронтального охлаждения светодиодов как в качестве дополнительной, так и в качестве самостоятельной системы охлаждения.

Совмещение оптической системы светильника с системой фронтального охлаждения. Индивидуальная оптика для каждого светодиода

Кроме основной функции — охлаждения, фронтальные радиаторы могут выполнять одновременно и другую роль — служить основой для монтажа (рис. 5) оптических элементов светильника. Назначение этих элементов — управление (фокусирование, рассеивание, отклонение и т. д.) светом, который генерирует кристалл [3].

Рис. 5. Примеры монтажа оптических элементов светильника

Такое, индивидуальное оптическое решение для каждого светодиода открывает новые возможности для управления качеством света светильника в целом. В зависимости от назначения светильника одна часть светодиодов, входящих в кластер, может быть снабжена, например, фокусирующей оптикой  (рис 5а), другая — рассеивающей (рис 5б). В результате их совместной работы могут быть созданы такие световые поля, получение которых традиционными способами либо очень затратно, либо практически невозможно.

На рис. 6 представлены опытные и промышленные образцы светильников, сконструированных по вышеизложенным принципам и изготовленных из теплорассеивающего композита «Теплосток Т6-Э5-7».

Рис. 6. Образцы светильников с фронтальным охлаждением, изготовленные из теплорассеивающего пластика «Теплосток Т6-Э5-7»:
а, б) мини-прожектор «Штурман», Россия;
в, г) уличный светильник Foxconn,Тайвань.

На рис. 6(а, б) представлен в разобранном и собранном виде сдвоенный мини-прожектор «Штурман», оснащенный системой фронтального охлаждения (без традиционных «тыловых» радиаторов), со смонтированной на нем оптикой. Использовались светодиоды фирмы Cree (тип XML) мощностью по 10 Вт и оптическая система из поликарбоната (60°). Размеры прожектора 48×48×23 мм, вес 55 г. Температура под кристаллом (через 1 час работы) 49–51 °C.

Отказ от традиционных «тыловых» радиаторов в пользу фронтальных позволил существенно уменьшить габариты прожектора (высота прожектора 23 мм) при сохранении полноценной оптической фокусирующей системы.

Более мощные, изображенные на рис. 6(в, г) светильники с фронтальным охлаждением полностью сделаны из теплорассеивающего пластика. Они спроектированы, изготовлены и сертифицированы в результате совместной работы с фирмой Foxconn (Тайвань).

Светильник, изображенный на рис. 6в, имеет 18 светодиодов с суммарной мощностью 36 Вт, вес 410 г, температуру в точке пайки T_s не более 85 °C, степень защиты IP67. Светильник на рис. 6г имеет 5 светодиодов с суммарной мощностью 7 Вт, вес 110 г, температура платы под светодиодом не более 62 °С, снабжен пылезащитной оптикой (на фото не представлена).

Приведенные примеры, а также результаты других экспериментов [4] подтверждают эффективность применения дополнительного фронтального охлаждения для мощных светодиодных кластеров. А одновременный переход на изготовление этих фронтальных радиаторов из теплопроводящих пластиков позволяет не только в несколько раз снизить вес и габариты компактных высокомощных светодиодных светильников, но и получить существенное (на 50–70%) сокращение их себестоимости.