Оптимизация температурного режима в мощных светодиодах

Благодаря высокой интенсивности светового потока, беспрецедентно длительному сроку службы, потрясающей экономичности и множеству других достоинств эксплуатационного, потребительского, технического и эстетического характера полупроводниковое оборудование представляется наиболее конкурентоспособным светотехническим решением. Генерируемая такими устройствами мощность электромагнитного излучения постоянно увеличивается. Это сопряжено с определенными техническими сложностями, на устранение которых инженеры-проектировщики тратят значительные усилия. Сейчас среди мировых производителей светодиодной техники развернулась настоящая гонка мощностей.

С преодолением рубежа в 20 Вт, что позволило использовать такие устройства в системах бытового, промышленного и коммунального освещения, проектировщики столкнулись с проблемой избыточного тепловыделения мощных светодиодов. Дело в том, что излишний нагрев полупроводникового излучающего кристалла действует на него разрушительно, ухудшая технические характеристики оборудования, снижая срок службы и уменьшая интенсивность свечения. Достижение критической температуры в 150оС неизбежно приводит к полному выгоранию кристалла и выходу устройства из строя. Поэтому разработка методов и средств эффективного охлаждения является на сегодняшний день актуальной задачей при проектировании сверхмощного светодиодного оборудования.

Физические аспекты и способы управления тепловым режимом

Оптимизация теплового режима имеет ключевое значение для обеспечения максимально возможной эффективности работы осветительных систем на мощных полупроводниковых кристаллах. Без качественного охлаждения они просто не смогут выполнять надлежащим образом свои функциональные задачи. Как известно, за отвод избыточной тепловой энергии от нагретого тела отвечают четыре физических процесса: излучение, турбулентная конвекция, параметры теплопроводности материала и значение его термического сопротивления. Таким образом, печатная плата, на которой монтируются мощные светодиодные модули, сегодня выполняется исключительно из неметаллических материалов, что позволяет достичь высокого коэффициента излучения.

Для эффективного охлаждения полупроводниковых кристаллов в современной светотехнике часто используются радиаторные компоненты. Для управления тепловым режимом устройства сегодня применяются преимущественно два метода – отвод излишней энергии нагрева в окружающую среду посредством излучения и турбулентной конвекции. Первый способ считается пассивным и связан с передачей части тепловой энергии с помощью лучистого инфракрасного потока. Второй метод носит активный характер и предусматривает установку в наиболее мощных светодиодных системах всевозможных механических приспособлений – вентиляторов, компрессоров и пр.

Спасительная прохлада

Тепловой дизайн любого светодиодного прибора разрабатывается в соответствии с его целевым предназначением и планируемыми условиями эксплуатации. Кроме того, часто критическое значение имеют вес, габаритные параметры и эстетические свойства проектируемого источника светового излучения. Надежность и коммерческая ценность оборудования определяются качеством системы теплоотвода и внешним видом изделия. В подобных случаях используются современные сверхлегкие материалы с высоким показателем теплопроводности. К таковым следует причислять термопасты, гелеобразные составы, клеевые вещества. Данные субстанции практически не влияют на расчетный вес изделия и, кроме высоких показателей теплопроводности, отличаются низкой вязкостью и хорошим сцеплением с любой поверхностью, что только повышает эксплуатационную надежность устройства.