Тепловой режим и охлаждение светодиодов

Электрическая мощность светодиода приблизительно равна произведению прямого напряжения на ток. Часть энергии покидает компонент в виде света, остальная превращается в тепло. Если производитель не приводит оптическую мощность и готовую тепловую модель, расчёт выполняют консервативно и не считают световой поток полноценным запасом охлаждения.

Температура перехода Tj характеризует нагрев активной области кристалла. Измерить её напрямую в собранном устройстве обычно нельзя. Температура корпуса, точки пайки или радиатора всегда относится к другому участку теплового пути и может быть заметно ниже.

Рост Tj уменьшает световой поток, меняет прямое напряжение и цветовые характеристики, ускоряет старение материалов корпуса и деградацию кристалла. Указанное в datasheet максимальное значение Tj является предельным, а не рекомендуемой рабочей температурой.

Рабочую цель по Tj выбирают с запасом относительно предела производителя и проверяют при максимальном токе, наибольшей температуре окружающей среды и закрытом корпусе устройства.

Тепловое сопротивление Rθ показывает, на сколько градусов повышается температура при рассеивании одного ватта. Единица измерения – °C/Вт. В простой установившейся модели последовательно складывают участки основного пути отвода тепла:

Здесь RθJC относится к пути от перехода до корпуса, RθCS – к контакту корпуса с радиатором, RθSA – от радиатора к окружающему воздуху. Обозначения в конкретном datasheet могут использовать точку пайки, плату или другую опорную точку, поэтому нельзя автоматически заменять один параметр другим.

Пример: при Pрасс = 3 Вт, Ta = 40 °C и суммарном сопротивлении 12 °C/Вт расчётная Tj равна 40 + 3 × 12 = 76 °C. Результат сравнивают с выбранной рабочей целью, а не только с абсолютным максимумом.

Формула описывает установившийся режим. Для коротких импульсов и циклической нагрузки используют переходное тепловое сопротивление или тепловой импеданс из документации. Простое умножение средней мощности на стационарное Rθ не всегда показывает максимальную температуру перехода во время импульса.

У маломощного индикатора тепло отводится через выводы и медные площадки платы. У мощного светодиода основным путём становится тепловая площадка корпуса, металлическая подложка или специальная плата с большой площадью меди и тепловыми переходными отверстиями.

Алюминиевая плата MCPCB содержит металлическое основание и электроизоляционный теплопроводящий слой. Этот слой необходим электрически, но добавляет тепловое сопротивление. Надпись «алюминиевая подложка» сама по себе не сообщает её тепловые характеристики: важны толщина диэлектрика, теплопроводность, площадь контакта и качество соединения со следующим элементом охлаждения.

На обычной FR-4 плате тепло распределяют медными полигонами и массивом переходных отверстий, если такая конструкция предусмотрена производителем светодиода. Пустоты в припое, слишком маленькая тепловая площадка или отсутствие соединения с внутренними слоями ухудшают путь даже при большом внешнем радиаторе.

Перед монтажом проверяют назначение нижней металлической площадки. У одних корпусов она электрически изолирована, у других связана с анодом, катодом или внутренним узлом. Это влияет на разводку, изоляцию радиатора и возможность установки нескольких светодиодов на общую металлическую поверхность.

Требуемое тепловое сопротивление радиатора определяют из допустимого подъёма температуры. Для упрощённой цепи расчёт выглядит так:

Если целевая Tj равна 100 °C, максимальная температура воздуха – 40 °C, рассеиваемая мощность – 5 Вт, RθJC = 2 °C/Вт и RθCS = 1 °C/Вт, радиатор должен иметь RθSA не выше 9 °C/Вт. Выбирают значение меньше расчётного, чтобы сохранить запас.

Паспортное RθSA радиатора справедливо для определённой ориентации, свободного воздуха и условий испытания. В закрытом корпусе нагретый воздух циркулирует хуже, соседние компоненты повышают Ta, а горизонтальные рёбра работают иначе, чем вертикальные.

Масса радиатора замедляет рост температуры при кратковременной нагрузке, но установившийся режим в большей степени определяют площадь поверхности и движение воздуха. Поэтому тяжёлый компактный кусок металла не всегда эффективнее радиатора с развитым оребрением.

После расчёта результат подтверждают измерением в собранном устройстве. Если температура продолжает медленно расти, испытание не завершено: нужно дождаться теплового равновесия или оценить самый неблагоприятный режим работы.

Поверхности подложки и радиатора имеют микронеровности, заполненные воздухом. Термопаста вытесняет воздух и улучшает контакт, но не предназначена для создания толстого слоя. Избыток пасты увеличивает расстояние между поверхностями и может ухудшить результат.

Теплопроводящая прокладка удобна, когда нужна электрическая изоляция или компенсация неровностей. За удобство приходится платить дополнительным тепловым сопротивлением, которое учитывают как отдельный участок RθCS. Клей упрощает монтаж, но затрудняет ремонт и должен сохранять свойства при рабочей температуре.

Правильная сборка включает:

1. Очистку и обезжиривание контактных поверхностей.
2. Проверку плоскости подложки и радиатора.
3. Равномерное нанесение подходящего термоинтерфейса.
4. Прижим без перекоса и локального изгиба платы.
5. Электрическую проверку изоляции до подачи питания.
6. Повторное измерение температуры после окончательной сборки.

Способ охлаждения выбирают по рассеиваемой мощности, допустимой температуре, шуму, размерам, загрязнению и требованиям к надёжности. Иногда достаточно медного полигона платы, в других случаях нужен отдельный радиатор или принудительный поток воздуха.

Активное охлаждение не должно быть единственной защитой от перегрева. Если остановка вентилятора создаёт опасный режим, предусматривают контроль температуры, снижение тока или отключение.

Для герметичного корпуса внутренний вентилятор только перемешивает воздух и не удаляет тепло наружу. Нужно обеспечить передачу энергии на стенки корпуса и далее в окружающую среду.

Измерение проводят в наиболее тяжёлом штатном режиме: при максимальном токе, высокой температуре воздуха, закрытом корпусе и одновременной работе соседних источников тепла. Перед фиксацией результата ждут, пока температура перестанет заметно расти.

Наиболее полезна точка Ts, указанная производителем на корпусе или месте пайки. К ней крепят тонкую термопару так, чтобы датчик не изменял прижим и тепловой путь. Затем Tj оценивают по формуле Tj = Ts + Pрасс × RθJS, используя параметр именно для этой точки.

Инфракрасный термометр и тепловизор помогают найти распределение температуры, но блестящий металл и разные покрытия имеют разный коэффициент излучения. Поэтому показания сопоставляют с контактным датчиком и корректно задают emissivity. Практические ограничения метода разобраны в статье о выборе и использовании тепловизора.

Во время испытания записывают температуру воздуха, точки Ts, радиатора, ток и напряжение. Снижение яркости после прогрева, изменение цвета, рост температуры без выхода на равновесие или срабатывание защиты драйвера указывают на необходимость повторного теплового расчёта.