Объединенные системы моделирования термических и электрических параметров позволяют оценивать характеристики светодиодов

Производители осветительных систем, работающие со светодиодами, сталкиваются со сложной задачей — уложиться в жесткие сроки разработки проекта и вписаться в быстро растущий рынок, возникший в связи с переходом на твердотельные осветительные элементы (SSL). Процесс разработки проектов, однако, осложняется особенностями физики работы светодиодов и компонентов в конкретных проектах осветительных систем. Одним из способов ускорить процесс разработки продукта и повысить его итоговое качество является моделирование. Инженеры компании Zumtobel выяснили, что объединенное моделирование термических и электрических характеристик работы светодиода при переходе от состояния на момент подачи питания к устойчивому режиму работы позволит разрабатывать надежные проекты осветительных систем.

С целью достижения максимальной равномерности свечения производители светодиодов сортируют свою продукцию по подгруппам (бинам) значения прямого напряжения, а также другим характеристикам. Несмотря на жесткие параметры сортировки по прямому напряжению в этих бинах, производственные допуски все еще приводят к значительному разбросу параметров как по потреблению тока, так и по температуре внутри светодиодов, что, в свою очередь, приводит к разности цветов светодиодов даже внутри одного бина. Данный разброс показателей также нивелирует самое серьезное коммерческое преимущество светодиодов — долгий срок службы. Zumtobel, поставщик продуктов встроенного освещения для профессиональных световых решений, занялся изучением этой проблемы, исследуя тесную взаимосвязь термических и электрических характеристик светодиодов в процессе работы путем объединенного моделирования при помощи программ STAR-CCM+ и NGSPICE.

Сначала рассмотрим суть вопроса. Производители светодиодов обычно документируют характеристики зависимости прямого тока от прямого напряжения (I_f(U_f)). Они в целом отражаются на графике электрических характеристик, а также графиках, отображающих характеристики цвета и светового потока, связанные с электрическими характеристиками. Данной информации недостаточно для проектировщиков светодиодной продукции, чтобы прогнозировать качество работы на системном уровне.

При подаче прямого напряжения на светодиод, как и в случае с любым диодом, ток изначально не протекает, пока прямое напряжение не увеличится выше некоторого достаточного порогового уровня, иногда называемого пороговым напряжением. Как только прямое напряжение на входе становится достаточно большим, ток свободно протекает в прямом направлении.

Для светодиодов вольт-амперная характеристика I_f(U_f), определяющая момент, с которого ток начинает свободно протекать через светодиод, а светодиод начинает генерировать фотоны, определяет также зависимость цвета и интенсивности свечения от тока. Другими словами, хотя принцип работы всех светодиодов одинаков, производимый ими свет сильно зависит от характеристик тока/напряжения каждого конкретного светодиода.

Хотя принцип работы диода достаточно прост, в реальности разработка систем освещения со стабильными световыми характеристиками (интенсивности освещения и цвета) может быть достаточно сложной задачей из-за ряда уникальных рабочих характеристик светодиодов.

Обусловленный технологией производства разброс параметров как в плане материалов, так и в плане процессов вызывает непрогнозируемый разброс параметров светодиода в зависимости от электрического тока. Как обсуждалось выше, оптический выход светодиода сильно зависит от подаваемых тока и напряжения; поэтому данный разброс параметров при производстве ведет к снижению качества освещения. Производители светодиодов пытаются решить эту проблему, сортируя светодиоды по подгруппам (бинам) на основе их светового потока, цвета и прямого напряжения. Сортировка по бинам уменьшает разброс параметров, но не устраняет его полностью.

Выбор топологии схемы включения светодиодов — в зависимости от последовательного или параллельного подключения — также дает существенные различия в чувствительности схемы к разбросу параметров (рис. 1). Чтобы отказ одного светодиода не вызывал разрыва всей цепи, их включают параллельно источнику питания. Это значит, что каждый источник света в цепи работает с одинаковым напряжением, в то время как при последовательном подключении одинаков ток, протекающий через каждый светодиод. Параллельно подключенные светодиоды обычно работают в области резкого нарастания значений параметров в рамках кривой характеристик, что приводит к большей чувствительности в плане реакции на разброс производственных параметров даже в пределах одного бина, что отражается в разбросе показателей на вертикальной оси на рис. 1.

Рис. 1. Разброс параметров I-V в пределах одного бина для различных схем подключения

Светодиоды, как и многие компьютерные микросхемы, чувствительны к изменениям температуры. Рабочая температура не только влияет на срок их жизни, но и определяет их оптический выход, а также термические характеристики или количество тепла, выделяемого осветительной схемой на основе светодиодов.

Такие проблемы, как искажение цвета или изменение его со временем, а также снижение излучающей способности или светового выхода со временем, вызванные перепадами температуры, могут стать серьезной проблемой для производителя. Одно из главных коммерческих достоинств светодиодов — способность работать по восемь часов в день в течение 15–30 лет — при неправильной конструкции термической части проекта может быть никогда не реализовано. Многие из первых твердотельных светотехнических продуктов обещали данные результаты и сильно разочаровали первых пользователей, что замедлило распространение светодиодов.

Некоторые вышеописанные расхождения параметров возможно нейтрализовать при помощи электрического регулирования или цепей вторичного источника питания. Правильная конструкция осветительных схем на основе светодиодов, позволяющая достичь стабильного цвета и яркости осветительных приборов, требует объединенного подхода с электрической и термической стороны, что позволит разобраться с взаимозависимостями между реакцией электрической цепи, температурой, выделением тепла и подходом к охлаждению схемы.

В компании Zumtobel объединили STAR-CCM+ (вычислительное программное приложение для моделирования поведения потока/температуры) с NGSPICE (программное приложение с открытым исходным кодом для моделирования цепей), чтобы обеспечить точное прогнозирование взаимного влияния электрических и термических факторов при работе светодиодов. Связь между двумя программными приложениями была налажена при помощи интерактивного макроса JAVA.

Рассмотрим подход, которым планируется решить эти взаимосвязанные термические и электрические проблемы. При запуске NGSPICE из макроса выдается решение в виде смоделированной цепи светодиодов, включающей прямые напряжение и ток светодиодов. Из этих данных при помощи разработанной Zumtobel проприетарной методики определяется электрическая мощность. С учетом данных о температуре из STAR-CCM+ вычисляется мощность оптического излучения или количество входной энергии, преобразуемой в свет видимого спектра.

Удельный расход теплоты представляет собой количество рассеиваемой в виде тепла мощности, определяемое вычитанием из электрической мощности количества излучаемой мощности. Данный удельный расход теплоты затем передается в STAR-CCM+, которая вычисляет все температуры системы, которые необходимо передать обратно в NGSPICE для следующего шага моделирования. Как говорилось ранее, температура оказывает значительное влияние на электрические характеристики светодиодов; поэтому этот цикл повторяется, пока модель не достигает равновесного состояния.

Данный процесс был продемонстрирован и проверен на тестовом источнике освещения, состоящем из двух светодиодов, подключенных параллельно и установленных на алюминиевом профиле, помещенном на деревянную лабораторную подставку (рис. 2). Данная модель прошла тщательное исследование в лаборатории, так как является одной из стандартных для тестовых конфигураций Zumtobel. Метод четырехполюсного измерения используется для замера тока и напряжения на каждом светодиоде. Температура измерялась при помощи Т-образных термопар, установленных в конкретные точки на медной ламели для пайки, печатных платах и теплоотводах. Данные точки термического мониторинга использовались в качестве точек сравнения с компьютерной моделью.

Рис. 2. Прототип протестированного осветительного устройства

Кроме того, в ходе тестирования было проведено исследование параметров для лучшего понимания влияния производственных отклонений (к примеру, толщины дорожек, термической проводимости) на термическое поведение системы. Следует отметить один важный момент данной установки — амперметр подключается последовательно с одним из светодиодов, что повышает сопротивление в данном участке цепи. В результате у каждого из источников света в цепи электрическая реакция и рабочая температура будут уникальны.

Для построения модели были получены геометрические параметры и параметры материалов светодиодов от их производителя. Инженеры использовали модель полусимметрии для минимизации времени моделирования. Чтобы нейтрализовать влияние амперметра в реальной модели по сравнению с моделируемой, в последней был смоделирован последовательно подключенный к одному из светодиодов в цепи токоограничивающий резистор.

Как показано на рис. 3, было уделено значительное внимание моделированию важных деталей системы, включая печатные платы на металлической основе с медными дорожками, гнезда под светодиоды с электрическими подключениями и всю цепь вплоть до полупроводникового кристалла. Для моделирования в STAR-CCM+ ключевым моментом была точная фиксация физических процессов, включая естественное конвекционное охлаждение и предельную рабочую температуру полупроводникового кристалла.

Рис. 3. Модель световой схемы STAR-CCM+

Кроме того, для обеспечения точности моделирования применялись уникальные схемы сеточной разбивки программы STAR-CCM+. Как показано на рис. 4, была сгенерирована охватывающая всю модель сеть из многогранников, также использовались профили для эффективности моделирования данной сетью системы окружающего воздуха и одновременного фиксирования физических микропроцессов в области центра самих светодиодов. Потоки и термическое поведение системы регистрировались при помощи проведения моделирования работы системы в устойчивом состоянии с использованием вычислителей изолированных потоков и энергий.

Рис. 4. Отображение модели в STAR-CCM+ при помощи равноугольной сети

На рис. 5 показан экран объединенного интерфейса, использующего отслеживание различных параметров системы в режиме реального времени, включая прямой ток через каждый светодиод и температуру кристаллов в процессе моделирования. При запуске системы производилась инициализация (вычисление предполагаемого значения) тока, температуры и мощности оптического излучения согласно начальным условиям, существующим на момент достижения порогового значения напряжения. Далее моделирование продолжалось до достижения светодиодом устойчивого состояния.

Рис. 5. Экран объединенной системы NGSPICE и STAR-CCM+

В ходе моделирования на каждый шаг NGSPICE выполняется десять шагов STAR-CCM+. После примерно 200 итераций STAR-CCM+ (что занимает около 20 минут времени моделирования на ноутбуке) прямой ток и температура кристаллов начинают стабилизироваться. Полная стабилизация параметров достигалась примерно после 50 обновлений между NGSPICE и STAR-CCM+.

Рис. 6. Отображение температуры твердых тел и потоки воздуха вокруг каждого из светодиодов

На рис. 6 отображены температуры на поверхности твердых тел системы. Как говорилось ранее, моделирование дало результат, соответствующий ожиданиям: повышенное сопротивление из-за наличия амперметра (смоделированное при помощи токоограничивающего резистора) в рамках эксперимента ведет к значительной разнице в итоговых температурах каждого из светодиодов. Вид одного из светодиодов в разрезе также демонстрирует состояние среды вокруг светодиода, отражающее естественные конвекционные потоки воздуха, охлаждающие систему.

Светодиоды набирают значительную популярность в последние годы благодаря малым размерам, эффективности и долгому сроку службы. Однако чтобы продукт отвечал высокому уровню запросов, необходимо на стадии проектирования систем светодиодного освещения учитывать зависимости между реакцией электрических цепей, температурой, тепловыделением и охлаждением.