АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ В СОСТАВЕ СВЕТОДИОДНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.382.088

Анализ тепловых режимов мощных светодиодов в составе светодиодных излучателей

В.А. Сергеев

Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А Котельникова Российской академии наук

Широко применяются светодиодные модули - несколько мощных светодиодов, размещенных на одном радиаторе. Тепловая схема для анализа тепловых режимов работы таких излучателей представлена на рис.1 [1]. Приращение температуры ^-«-перехода каждого светоизлу-чающего диода (СИД) в модуле, содержащем т светодиодов, можно записать в виде

АТп = mPRT + PRT .

п тр-с тп-р

(1)

где P - электрическая мощность, рассеиваемая каждым СИД; Rt ^ - тепловое сопротивление

радиатор-среда модуля; R^ - тепловое сопротивление переход-радиатор отдельного СИД. При использовании в качестве радиатора металлической пластины ее тепловое сопротивление

можно рассчитать по формуле RT = рт / S, где

р-с

Рт - удельное тепловое сопротивление пластины; S - полная площадь обеих сторон пластины; при естественной конвекции ру « 1000 Ксм2/Вт [2].

С ростом температуры интенсивность Y излучения СИД заметно уменьшается из-за снижения квантовой эффективности [2, 3]. На рис.2 приведены температурные зависимости интенсивности излучения мощных СИД типа LampXR-E фирмы Cree, а на рис.3 - температурная зависимость интенсивности излучения в максимуме спектра мощного ультрафиолетового (УФ) СИД типа EDEV-SLC1-03 фирмы Edison, измеренная по известной методике [4] на монохроматоре МДР-3. Спад интенсивности излучения

Рис.1. Эквивалентная тепловая схема светодиодного излучателя, содержащего несколько светодиодов

Температура перехода, °С Температура перехода, °С

и б

Рис.2. Температурные зависимости интенсивности излучения мощных светодиодов типа LampXR-E фирмы Cree: а - аппроксимация экспоненциальной функцией:-справочные кривые [3],-----аппроксимирующие кривые при: 1 - рп=0,007 К-1; 2 - вп = 0,015 К-1; 3 - pT3 = 0,03 К-1; б - аппроксимация степенной функцией:-справочные кривые [3],-----аппроксимирующие кривые при: 1 - = 2,75;

2 - ¡^ = 3,2; 3 - = 5,4

© В.А. Сергеев, 2013

СИД с температурой хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией [5]:

У(Т) = Т(Г0 )ехр(-ргАГп), (2)

где АТп = Т - Т0 - приращение температуры перехода СИД; Т0 - комнатная температура; У(Т0) - интенсивность излучения СИД при комнатной температуре; Ру - температурный коэффициент.

В качестве другой аппроксимирующей функции температурной зависимости оптической мощности СИД можно также использовать степенную функцию вида

У (Т) = У (То )[1 + (АТп/То )]Чт . (3)

Значения температурных коэффициентов для рассматриваемых типов СИД, дающих наилучшую в смысле среднеквадратического отклонения (СКО) аппроксимацию функциями (2) и (3), приведены в таблице.

Коэффициенты температурной зависимости интенсивности излучения СИД

Рис.3. Зависимость интенсивности излучения в максимуме спектра мощных светодиодов типа EDEV-SLC1-03 фирмы Edison от температуры: ■ - экспериментальные данные; - - - - аппроксимация экспоненциальной функцией;..........аппроксимация степенной функцией

Коэффициенты температурной зависимости Y(T) LampXR-E EDEV-SLC1-03

желтый оранжевый красный

Рг, К-1 0,007 0,015 0,03 0,011

2,75 3,2 5,4 3,7

Расчеты показали, что обе аппроксимирующие функции в исследованном диапазоне температур дают примерно одинаковое СКО приближения; различие аппроксимирующих значений для УФ СИД вплоть до АТп = 60 °С не превышает 2%.

Согласно (1) приращение температуры зависит от числа т СИД в модуле и полная оптическая мощность, излучаемая модулем, является нелинейной функцией т:

УЕ (т) = т ■ У (Т) = т ■ ¥(ш). (4)

При сильной температурной зависимости 7(7) существует такое число ткр, при котором полная оптическая мощность излучения модуля будет максимальной. Очевидно, значение ткр находится из йУу

решения уравнения-= 0 или

dm

m = ± dj_ =_ ¡тъ. (5)

F dm dm

Для аппроксимации вида (3) из уравнения (5) получаем

1

ткр1 = — (6)

рТРКТр-с

ткр1 1

или для плотности монтажа v max1 = -

£ РтРрт

Для случая степенной аппроксимации уравнение (5) примет вид

1 PRT T + prt

1 £ тр-с 0 Tn-p — = -ST Г / /-\-VI, откУДа ткр2 = тз-тг^-

m T„1 + (p(mRTp_, + Rt„_P )/T„)1 «T -

1 + \P\mRT + RT

Tp—с Tn-p /

T

J р-с

To + PRr

v max2 nn •

С5г " !)РРг

В случае степенной аппроксимации максимум интенсивности излучения наблюдается, если показатель > 1. Полная интенсивность излучения в точке максимума находится путем

подстановки (6) и (7) соответственно в (2) и (3). Так, для УФ СИД RT = 3 К/Вт и при RT^ ^ =

5 К/Вт расчет по формулам (6) и (7) дает значения ткр1 = 6,7 « 7 и ткр2 = 7,4 « 7 . Соответственно, максимум излучения достигается при следующих приращениях температуры перехода:

АГпmaxi = 100 °C и Yzmaxl = 2,02 • Y(To); АГп max2 = 120 °C и Y^ max2 = 2,13 • Y (To ) •

Как видно, обе аппроксимирующие функции дают близкие значения максимальной интенсивности излучения модуля, однако при аппроксимации степенной функцией максимум излучения достигается при большей температуре.

Предложенные аппроксимации температурной зависимости интенсивности излучения мощных СИД могут использоваться для расчета характеристик светодиодных модулей с учетом теплового режима их работы.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2011 годы» (проект № 2.1.2/13930).

и

Литература

1. Полищук А Обеспечение теплового режима мощных светодиодных ламп при разработке светотехнических устройств // Современная электроника. - 2006. - № 3. - С. 52-56.

2. Свинтев С. Теплоотвод в светодиодах осветительных систем: решения Fischer // Новости электроники + Светотехника. - 2010. - № 0 (1). - С. 17-20.

3. Cree Xlamp XP-E LEDs. - URL: www.cree.com/products/pdf/XlampXP-E.pdf

4. Сергеев В.А., Широков А.А. Определение локальных температур в структурах красных AlInGaP/GaAs свето-диодов в импульсном режиме // Письма в ЖТФ. - 2009. - № 9. - С. 1-11.

5. Sergeev V.A., HodakovA.M. The nonlinear thermal model of heterojunction light emmiting diodes // III Nanotech-nology International Forum - Journal of Physics Conference Series 291 (2011) 012042- doi:10.1088/ 1742-6596/291/01/012042.

Поступило 23 января 2012 г.

Сергеев Вячеслав Андреевич - доктор технических наук, доцент, директор УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, заведующий базовой кафедрой радиотехники, опто- и нано-электроники УлГТУ в УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН. Область научных интересов: токораспределение и теплофизические процессы в твердотельных структурах, полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах, методы и средства измерения теплофизи-ческих параметров изделий электронной техники. Е-шаП: sva@ulstu.ru