CC BY
120
УДК 628.94+628.931+628.9.041
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ СВЕТОДИОДНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
В.И. Константинов, Е.В. Вставская, Т.А. Барбасова, В.О. Волков
CHOICE OF THE OPTIMUM OPERATING MODE OF HIGH POWER LEDS
V.l. Konstantinov, E.V. Vstavskaya, T.A. Barbasova, V.O. Volkov
В работе проведен анализ тепловых режимов светодиодных источников света, поставлена задача проектирования светодиодных источников света с оптимальными весогабаритными и ценовыми характеристиками. В статье рассмотрена методика оптимизации весогабаритных характеристик для тепловыделяющих элементов с нелинейными температурными свойствами. Данная методика применима для нахождения значения потребляемого тока светодиодным источником света с различными нелинейными характеристиками.
Ключевые слова: светодиод, светодиодный источник света, освещение.
Light-emitting diode light sources gain now the increasing distribution. It is caused, first of all, increased luminous intensity and service life of high power LEDs in comparison with lamps. However, there are some difficulties with heat removal, allocated with high power LEDs. Increasing the working current cause increasing the luminous intensity and the size of a required radiator. Reduction the working current of high power LEDs leads to increase in quantity of LEDs. The choice of a high power LEDs working current is considered in this article.
Keywords: high power LED, light, LED lighting.
Введение
Светодиодные источники света получают в настоящее время все большее распространение. Это обусловлено, в первую очередь, увеличенной светоотдачей и сроком службы светодиодных излучателей по сравнению с лампами накаливания. Однако при проектировании светодиодных источников света возникают сложности, связанные с отводом тепла, выделяемого светодиодными излучателями. Размер радиатора растет с увеличением рабочего тока светодиодов. С другой стороны, уменьшение тока светодиодов приводит к увеличению количества светодиодов, требуемых для обеспечения заданного светового потока и, соответственно, увеличению цены светильника. Вопрос выбора тока светодиодных излучателей, который является оптимальным с точки зрения весогабаритных характеристик и цены светильника, рассмотрен в данной статье.
Константинов Владимир Игоревич - генеральный директор ЗАО Н1111 «Южуралэлектроника»; surel@ait.susu.ac.ru
Вставская Елена Владимировна - канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ, surel@ait.susu.ac.ru
Барбасова Татьяна Александровна - канд. техн. наук, доцент кафедры автоматики и управления ЮУрГУ, barbasow@mail.ru
Волков Вячеслав Олегович - аспирант кафедры автоматики и управления ЮУрГУ, mail@ait.susu.ac.ru
1. Особенности построения светодиодных светоизлучающих модулей
Поступательное развитие технологии производства электронных приборов привело в настоящее время к созданию светодиодов, которые по световой отдаче на единицу мощности в несколько раз превосходят все существовавшие и применявшиеся источники света. Следует отметить, что наибольших успехов в развитии технологии производства таких светодиодов добились фирмы OSRAM (Golden Dragon +), Cree (Q5) и Seul Semiconductor. На текущий момент эффективность светодиодов составляет порядка 100-120 Лм/Вт, анонсируются также изделия-приборы с интенсивностью 130-160 Лм/Вт.
Учитывая, что такая светоотдача примерно в 6-8 раз эффективнее, чем у обычных ламп накаливания, и в 4 раза выше, чем у огромного количества энергосберегающих ламп (ртутных, натриевых,
Konstantinov Vladimir Igorevich - head and CEO of
ZAO NPP «Yujuralelektronika»; surel@ait.susu.ac.ru
Vstavskaya Elena Vladimirovna - PhD, associate professor of Automation and control department of SUSU; surel@ait. susu.ac.ru
Barbasova Tatiana Alexandrovna - PhD, associate professor of Automation and control department of SUSU; barbasow@mail.ru
Volkov Vyacheslav Olegovich - postgraduate student of Automation and control department of SUSU; mail@ait.susu.ac.ru
галогеновых и т.д.), возникает революционная ситуация в вопросах построения источников света для самого различного круга применений.
Осветительный светодиод представляет собой прибор со спектром излучения в высокочастотной области видимого диапазона (длина волны 400-500 нм - синий свет), накрытый куполом с люминофором, преобразующим излучение с указанной длиной волны в излучение с желтым свечением (-570 нм). Совокупность синего и желтого излучений формирует белое свечение, а баланс между ними определяет его оттенок (холодный белый, чистый белый, теплый белый).
Однако светодиод остается светодиодом, и его свойствам присущи все особенности поведения обычного ^-«-перехода под воздействием факторов окружающей среды. Среди основных эксплуатационных свойств, которые необходимо учитывать при проектировании светодиодных источников света и модулей питания, светодиодов, следует отметить:
1. Ограниченный температурный диапазон работы /^-«-перехода, составляющий -60.. .+150 °С.
2. Конечное значение теплового сопротивления элементов конструкции светодиода.
3. Ограничение на допустимую температуру работы люминофора, превышение которой приводит к быстрой его деградации.
4. Экспоненциальный характер зависимости тока, протекающего через светодиод, от приложенного напряжения.
5. Отрицательное значение температурного коэффициента напряжения на переходе, т.е. снижение падения напряжения при том же токе при росте температуры перехода.
6. Ограниченная величина допустимого обратного напряжения.
7. По сведениям производителей срок службы светодиодов составляет не менее 50 000 часов.
Следует отметить, что указанные параметры эффективности светоизлучения и долговечности работы сохраняются лишь при рабочей температуре перехода не выше 80-85 °С. Увеличение температуры выше этих значений приводит, с одной стороны, к уменьшению эффективности светоотдачи, с другой - к резкому сокращению срока службы светодиодов.
Перечисленные особенности светодиода как источника светового излучения предопределяют особенности его использования. Среди этих особенностей следует выделить:
1. Ограничение температуры излучающей поверхности при работе светодиода является определяющим фактором, поскольку влияет как на эффективность светоотдачи, так и на долговечность работы излучателя.
2. Конечное тепловое сопротивление элементов конструкции светодиода позволяет косвенно судить о температуре излучающей поверхности
измерением температуры корпуса светодиода или радиатора.
3. Для получения больших значений светового потока необходимо построение мощных источников на базе объединения большого числа элементарных излучателей.
4. Для выравнивания энергетической нагрузки излучателей единственной схемой объединения может быть последовательное соединение, в рамках которого при едином фиксированном протекающем токе действует отрицательная обратная связь нормированного распределения мощностей. Параллельное соединение светодиодов приводит к неравномерности распределения токов, поскольку вступает в действие положительная обратная связь, увеличивающая эту неравномерность. Использование выравнивающих резисторов при параллельном соединении светодиодов снижает энергетическую эффективность светодиодного излучателя и, следовательно, лишает светильник такого важного конкурентного преимущества, как высокая светоотдача.
5. Для сохранения высокой энергетической эффективности излучателя необходимо использование преобразователей с высоким КПД, т.е. реализующих импульсный способ преобразования энергии.
6. Выходной стабилизируемой величиной источника питания должен быть ток возбуждения светодиодов при условии, что рабочее напряжение может изменяться в пределах всего установленного температурного диапазона и количества светодиодов, на которое рассчитан данный источник.
7. Для обеспечения безотказной работы светильников и сохранения срока службы светодиодов на уровне, заявленном изготовителем, необходимо обеспечить требуемый теплоотвод, т.е. установить радиатор с требуемыми характеристиками теплоотдачи. Однако установка такого радиатора из условия работы при максимально допустимой температуре делает конструкцию светильника не оптимальной, поскольку для большей части жизненного цикла светильника такой радиатор оказывается переразмеренным (особенно для уличных применений). Учитывая, что при максимальных рабочих температурах окружающей среды (30...40°С) светильник работает крайне редко, а может быть и никогда, целесообразным является выбор радиатора из условия допустимой рабочей температуры окружающей среды на уровне 20...25 °С (а для северных районов еще ниже) и оснащение источника питания светодиодного излучателя системой контроля и ограничения температуры излучающей поверхности.
8. При использовании светодиодных светильников в автоматизированных или управляемых системах освещения необходимо иметь возможность внешнего управления интенсивностью светового потока с помощью установленного управляющего сигнала.
2. Анализ тепловых режимов светодиодных
источников света
При производстве светодиодных источников света монтаж светоизлучателей осуществляется в два этапа (рис. 1):
1) монтаж светодиодов на теплопроводящее основание (подложку);
2) монтаж теплопроводящих оснований на охладитель.
Выбор светодиодов осуществлялся по следующим критериям:
1) отношение светового потока к потребляемой мощности;
2) совместимость с выбранным теплопроводящим основанием;
3) цена.
На рис. 2 представлена зависимость значения тока светодиода ОБЛАМ Ш\У \V5AM от падения напряжения на нем и зависимость нормированного значения светового потока Фу/Фу(350тА) светодиода от потребляемого тока 1Р при температуре 25 °С.
Как видно из рис. 2, световой поток имеет логарифмическую зависимость от потребляемого тока. На рис. За представлен график зависимости мощности светодиода от тока, протекающего через
Теплопроводящий
диэлектрик
него, на рис. 36 - график зависимости удельного светового потока от тока светодиода.
Из графика (см. рис. 36) видно, что удельный световой поток достигает максимума при токе светодиода 350 мА.
Расчет теплового сопротивления может быть осуществлен по формуле
» -Т~Т1 -—у-’
где Т - температура охлаждаемой поверхности; Т\ - температура окружающей среды; Р - рассеиваемая мощность.
С другой стороны, тепловое сопротивление складывается из
Я(Н = Я^^ + Р(ИБВ + К-ЖВА, где я - тепловое сопротивление перехода светодиода; - тепловое сопротивление между
корпусом светодиода и теплопроводящим основанием; Я& ВА - тепловое сопротивление между теплопроводящим основанием и радиатором.
Полная мощность потребления светодиодного источника света определяется количеством п используемых светодиодных излучателей:
РШа1 ~~ П'Я-
Теплопроводящий
клей
Охладитель
Рис. 1
------Гр
а)
—^/Р
б)
Рис. 2
/р,мА
а)
/л МА б)
Рис. 3
Чем больше потребляемый ток, тем больше требуемая площадь теплоотводящего радиатора. Потребляемый ток светодиодных излучателей может достигать до 1 А. Однако в реальности используются меньшие значения тока, поскольку повышение тока потребления ведет к ухудшению температурных режимов работы светодиодных излучателей, увеличению площади радиатора, но не ведет к существенному увеличению светового потока.
3. Постановка и решение задачи
проектирования светодиодных источников
света с оптимальными весогабаритными
и ценовыми характеристиками
Светодиодный источник света состоит из полупроводниковых тепловыделяющих элементов с нелинейными температурными свойствами.
При проектировании светодиодного источника света учитываются:
1) обеспечение требуемого значения светового потока;
2) допустимое уменьшение цены светильника;
3) уменьшение весогабаритных характеристик светильника.
Весогабаритные характеристики светильника определяются, в первую очередь, параметрами радиатора, требуемого для эффективного отведения тепла от светоизлучающих элементов.
Требуемый С1
Поскольку световой поток, излучаемый светодиодом, зависит от протекающего тока, вопрос построения теплоотвода с оптимальными весогабаритными характеристиками для тепловыделяющих элементов основывается на выборе оптимального диапазона потребляемого тока светодиодами при обеспечении рабочего режима теплоотведения радиатором.
Количество светодиодов, требуемое для обеспечения заданного светового потока, зависит от потребляемого тока. Так, при уменьшении потребляемого тока светодиодным источником света для обеспечения световых требований необходимо увеличивать количество светодиодов п (табл. 1).
Из табл. 1 видно, что количество светодиодов, необходимых для обеспечения требуемого светового потока, нелинейно зависит от тока светодиодов. Увеличение количества светодиодов приводит, в свою очередь, к удорожанию стоимости самого светодиодного светильника. Экономическая эффективность построения таких светодиодных светильников значительно снижается. В табл. 3 принят световой поток при токе 350 мА, равный 105 Лм.
С другой стороны, увеличение потребляемого тока приводит к росту температуры перехода светодиода, что, в свою очередь, ведет к увеличению требуемой площади радиатора.
В соответствии с вышеизложенным, при проектировании светодиодных светильников возника-
Таблица 1
юй поток 7000 Лм
1р, мА ф у/Ф У(3 5 От А) п Р, Вт РШаї, Вт ^КОНТАКТА, °С КіИ РАД, К/Вт т, кг
100 0,22 303 0,28 84,84 81,92 0,612 1,634
200 0,52 128 0,59 75,52 78,51 0,642 1,557
300 0,85 78 0,936 73,008 74,704 0,612 1,633
350 1 67 1,113 74,571 72,757 0,573 1,744
400 1,15 58 1,3 75,4 70,7 0,540 1,856
500 1,4 48 1,7 81,6 66,3 0,445 2,248
600 1,6 42 2,1 88,2 61,9 0,362 2,765
700 1,8 37 2,534 93,758 57,126 0,289 3,456
800 1,9 35 3 105 52 0,210 4,773
900 1,97 34 3,438 116,892 47,182 0,147 6,803
1000 2 33 3,9 128,7 42,1 0,094 10,636
ет задача выбора для источника света токового диапазона работы для обеспечения оптимальных ценовых и весогабаритных характеристик. Критериями оптимизации являются: обеспечение минимума себестоимости светодиодного светильника ШШ [СсвеТильника],
обеспечение минимума массы радиатора светодиодного светильника. min [/^тальника]-
Допустимая температура перехода для применяемых светодиодов составляет 85 °С. Допустимую температуру контакта светодиода с теплоотводящей поверхностью можем рассчитать по формуле
^КОНТАКТА = ^ПЕРЕХОДА ~ &th ' ? ’ где ^перехода ~ допустимая температура перехода (85 °С); Rth - тепловое сопротивление контакта светодиода с теплоотводящим основанием (примем Rth= 11 К/Вт); Р - мощность светодиода.
Тепловое сопротивление радиатора можно определить по формуле
о _ ^КОНТАКТА ”*ОКР
^ЛРАД - р ’
Motal
где /0кр - температура окружающей среды (принято 30 °С); РШа1 - мощность, потребляемая светодиодами светильника.
Из табл. 1 видим, что допустимая температура контакта уменьшается с ростом потребляемого тока. При увеличении потребляемого тока светодиодов происходит увеличение потребляемой мощности светильника. Обеспечение режима рассеивания увеличенной мощности светильника приводит к уменьшению требуемого теплового сопротивления радиатора. Уменьшение требуемого теплового сопротивления радиатора приводит к увеличению массы радиатора.
Для приближенного расчета массы требуемого радиатора примем, что радиатор с удельным тепловым сопротивлением 0,5 Ом/°С имеет массу 2 кг. В этом случае требуемая масса радиатора может быть рассчитана как
0,5-2 т =--------.
^АРАД
Увеличение массы радиатора приводит к росту себестоимости самого изделия светодиодного излучателя.
Таким образом, основными факторами, влияющими на результирующую стоимость светильника, являются цена радиатора и цена светодиодов:
С — Ссд*Я + Срдц, где ССд - цена светодиода; СРАД - цена радиатора, которая, в свою очередь, определяется как
Срдд = ТЯ-Скг, где Скг - цена за килограмм материала радиатора (принята 500 руб.).
В табл. 2 приведен расчет составляющих цены светодиодного источника света в зависимости от потребляемого тока (принята цена светодиода 160 руб.).
Из табл. 2 видно, что цена светильника нелинейно зависит от тока светодиодов (рис. 4).
Из графика (см. рис. 4) видно, что минимальная цена светильника 7650 руб. обеспечивается при токе светодиода, близком к 700 мА. Масса требуемого радиатора составит при этом около 3,5 кг.
Производство мощных светодиодных излучателей является перспективным направлением на сегодняшний день. Если принять значение светового потока одного светодиода фирмы OSRAM в размере 160 Лм и снижение стоимости светодиода до 100 руб., что прогнозируется в ближайшее время, то примерный расчет стоимости светильника, обеспечивающего световой поток 7000 Лм, потребует установки 24 светодиодов. Потребляемая мощность светильника уменьшится до 61 Вт, а себестоимость по основным составляющим - до 3521 руб.
Заключение
В работе предложена методика оптимизации весогабаритных характеристик для тепловыделяющих элементов с нелинейными температурными свойствами. Данная методика применима для нахождения значения потребляемого тока свето-
Таблица 2
Расчет составляющих цены светодиодного источника света
If, мА На сегодняшний день В перспективе
п т, кг Сед, РУб. СрАД> руб. С, руб. п т, кг Сед, РУб- Срал, руб. С, руб.
100 303 1,634 48480 817,03 49297,03 199 1,073 19900 536,5 20436,5
200 128 1,557 20480 778,40 21258,40 84 1,021 8400 510,5 8910,5
300 78 1,633 12480 816,57 13296,57 51 1,068 5100 534 5634
350 67 1,744 10720 872,03 11592,033 44 1,145 4400 572,5 4972,5
400 58 1,856 9280 926,29 10206,29 38 1,214 3800 607 4407
500 48 2,248 7680 1123,97 8803,97 31 1,451 3100 725,5 3825,5
600 42 2,765 6720 1382,45 8102,45 27 1,776 2700 888 3588
700 37 3,456 5920 1728,19 7648,19 24 2,242 2400 1121 3521
800 35 4,773 5600 2386,36 7986,36 23 3,135 2300 1567,5 3867,5
900 34 6,803 5440 3401,58 8841,58 22 4,405 2200 2202,5 4402,5
1000 33 10,64 5280 5318,18 10598,18 22 7,092 2200 3546 5746
50000
45000
40000
35000
30000
в перепеките на сегодняшний день
200
400
/л мА
600
Рис. 4
800
1000
диодным источником света с различными нелинейными характеристиками.
При определении оптимальных весогабаритных характеристик по критериям минимальной цены было получено значение потребляемого тока в размере 700-800 мА, при котором функция ценообразования имеет свой минимум.
Прогнозируемое развитие светодиодных излучателей ведет к уменьшению цены светодиодных источников света. Это подтверждает перспективность направления разработки светодиодных источников света и прогнозирует их доступность на широком рынке в ближайшее время. При этом оптимальное значение тока светодиодов сохраняется на уровне, близком к 700 мА.
Литература
1 http://catalog, osram-os. сот/catalogue/ L UW W5AM Golden DRAGON Plus with silicone dome.
2. Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка опытного образца светодиодного источника света с регулируемым световым потоком» № госконтракта: 6922р/9457, № этапа: 2.1. Наименование НИОКР по этапу * «Исследование возможности построения теплоотвода с оптимальными весогабаритными характеристиками для тепловыделяющих элементов с нелинейными температурными свойствами», 2009 г.
3. Айзенберг, Ю.Б. Современные проблемы энергоэффективного освещения / Ю.Б. Айзенберг // Энергосбережение. — 2009 - № 1. -http://www. soptel ru/articles/release8. html
Поступила в редакцию 21 декабря 2009 г.
