Создавая полезное ...

ВЕДУЩИЙ РАЗРАБОТЧИК, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ И ПОСТАВЩИК 
СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ ДЛЯ CЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
- светодиодное освещение для птицефабрик, свинокомплексов, КРС и других видов животноводства.
РАЗРАБОТКА, ПРОИЗВОДСТВО И ПОСТАВКИ ОСВЕЩЕНИЯ
ДЛЯ ВСЕХ ВИДОВ ПОМЕЩЕНИЙ И УЛИЧНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
- светодиодное освещение для промышленных предприятий, сферы ЖКХ, складов, спортзалов, офисов и прочих помещений.
Россия:

+7 (8202) 490-111

Украина:

+38 050-641-22-44

Республика Беларусь:

+375 (29) 170-19-02

+375 (17) 513-14-90

Роль корпуса светодиодного светильника в обеспечении долговечности и эффективности светодиодов

Гладин Д.В., главный инженер компании «Техносвет групп»

В настоящей статье рассматриваются вопросы конструирования и производства светодиодных светильников систем освещения для сельского хозяйства.

Надежность и выходные характеристики светодиодных светильников тесно связаны с температурой светоизлучающих кристаллов входящих в них светодиодов. От соблюдения теплового режима работы светодиодов зависят как минимум два основных параметра:

  • световой поток светильника;
  • деградация светодиодов во времени.


Световой поток
представляет собой физическую величину, характеризующую «количество» световой энергии в соответствующем потоке излучения. Иными словами, это мощность такого излучения, которое доступно для восприятия нормальным человеческим глазом. В качестве примера на рис.1 представлена зависимость светового потока светодиода от температуры подложки.



Рис.1 Зависимость светового потока испускаемого светодиодом от температуры подложки светодиода

В качестве номинальной рабочей температуры подложки светодиода выберем +55°С, что является возможным реально достижимым значением при температуре окружающей среды до +45°С (например, корпуса для выращивания бройлеров при расположении светильников под потолком) и использовании алюминиевого корпуса светильника. Как видно из графика «просадка» при превышении этой температуры (падение светового потока по отношению к контрольному уровню при +55°С) может составлять до 20-25%, что является негативным фактором и снижает эффективность использования светодиода.

Деградация светодиода представляет собой изменение первичных химических и физических свойств светоизлучающего кристалла, а для светодиодов белого спектра излучения и люминофора, с течением времени. Деградация проявляется в уменьшении светового потока, вплоть до полной потери светимости светодиода, а так же смещения спектра света светодиода, как правило, в область синего. Это явление присуще любому светодиоду в любых условиях (в мире нет ничего вечного), но неправильная эксплуатация приводит к увеличению скорости деградации в десятки раз. Одной из основных причин ускоренной деградации являются несоблюдение теплового режима работы светодиода. Таким образом, как правило, снижение светового потока светильника наблюдается не сразу в начале эксплуатации светодиодных светильников, а лишь через некоторое время, которое напрямую зависит от правильно спроектированного теплоотвода, в качестве которого может использоваться алюминиевый корпус самого светильника. В результате можно говорить о скорости деградации, которая в случае правильной эксплуатации и соблюдении теплового режима на кристалле позволяет достичь времени использования светодиода до 50 000 и 100 000 часов при снижении светового потока на заранее прогнозируемую величину, учитываемую при разработке и производстве светильников.

На основании этого можно сделать вывод о том, что отвод тепла от кристалла светодиода является одним из основных требований при проектировании и производстве светодиодных светильников.

Задачу отвода тепла в светодиодном светильнике, как правило, решают через расчет и минимизацию тепловых сопротивлений материалов между кристаллами светодиода, слоем люминофора и внешней средой (в данном случае воздушной средой в помещении птичника или другого помещения).

Для сравнения рассмотрим несколько вариантов корпуса светодиодных светильников.

Для того чтобы упростить и сделать нагляднее тепловую модель системы «кристаллы светодиодов — внешняя среда» необходимо в соответствии с требованиями определить исходные данные.

В качестве предварительных условий примем следующие положения:

  • температура окружающей среды может достигать до +45°С (под потолком птичника в первую неделю выращивания цыплят-бройлеров);
  • светодиоды монтируются на специальную плату MCPCB (представляющую собой алюминиевую подложку, на которую с помощью тонкого слоя диэлектрика монтируются отдельные светодиоды и вспомогательные элементы);
  • все опытные светильники обладают одинаковым световым потоком.


Рассмотрим три варианта конструкции светильников:

I вариант

Данный вариант предполагает расположение светодиодов на плате MCPCB, которая крепится непосредственно к алюминиевому корпусу. Корпус из сплава алюминия имеет непосредственный контакт с окружающей средой. Кроме того для понижения температуры в области расположения люминофора корпус на 1 мм выступает над слоем специального лака, что продлевает его срок службы. Сплав алюминияустойчив к агрессивной среде, так же как, например, металлические детали клеточного оборудования для выращивания бройлеров или содержания кур-несушек. Специальное покрытие (лак) обеспечивает герметичность корпуса светильника и выбран после предварительной проверки на устойчивость к средствам обработки и условиям эксплуатации обрудования в помещениях для содержания птицы и животных.



Рис.2 Вариант светодиодного светильника в алюминиевом корпусе

II вариант

Данный вариант предполагает расположение светодиодов на плате MCPCB, которая расположена внутри пластиковой трубки. Для обеспечения герметичности с обеих сторон корпус закрывается пластиковой крышкой. Пластиковый корпус имеет непосредственный контакт с окружающей средой. Материал корпуса в процессе эксплуатации может изменять свою прозрачность, приводящую к дополнительному уменьшению светового потока светильника.



Рис.3 Вариант светодиодного светильника в пластиковом корпусе

III вариант

Данный вариант предполагает расположение светодиодов на плате MCPCB, которая расположена внутри материала, обладающего свойствами изменять размеры под действием температуры. В результате герметичность достигается «усаживанием» материала вокруг платы со светодиодами и питающего кабеля по обеим сторонам светильника. Основным недостатком такой конструкции является малая механическая прочность материала покрытия платы (любое повреждение приведет к потере герметичности светильника), недостаточная прозрачность такого материала (дополнительная потеря светового потока).



Рис.4 Вариант светодиодного светильника с материалом, обладающим свойствами термоусаживания.

Исходя из законов термодинамики передача тепла из одного места (кристалл) в другое (окружающая среда) определяется толщиной слоев и тепловым сопротивлением материалов, а также площадью их касания (чем больше площадь касания, тем большее количество тепла может быть передано). Часто недостаточное внимание уделяется тому факту, что неблагоприятный эффект от воздействия высокого теплового сопротивления увеличивается по мере приближения к источнику тепла. То есть чем дальше от источника тепла находится слой материала, тем шире в этом месте конус тепловой трубы, а следовательно, снижается влияние теплового сопротивления данного материала. Все это означает, что даже самый хороший теплоотвод с вентиляцией не обеспечит охлаждения кристалла, если переходы «кристалл-корпус» и «корпус — теплоотвод» имеют неоправданно высокие значения теплового сопротивления. Предельные характеристики (ток, напряжение, мощность) ограничиваются максимальной температурой кристалла полупроводникового прибора, но она не должна превышаться ни при каких режимах работы. Полное тепловое сопротивление R — это сумма тепловых сопротивлений материалов на пути отвода тепла от кристалла. Для каждого варианта корпуса светильников справа приведена условная схема тепловых сопротивлений корпуса светильников.

Соответственно для вариантов корпуса светильника полное тепловое сопротивление «подложка светодиода — окружающая среда» будет иметь вид:

I вариант Rобщ = RMCPCB+ Rал.корпуса + Rокруж.среды

II вариант Rобщ = RMCPCB+ Rвоздуха+ Rпласт.корпуса+Rокруж.среды

III вариант Rобщ = RMCPCB+ Rвоздуха+ Rпластика+Rокруж.среды

Как видно из уравнений, в правой части уравнений присутствуют составляющие, которые можно считать равными из следующих соображений:

RMCPCB тепловое сопротивление перехода «подложка светодиода-плата MCPCB» исходя из пункта 2 и 3 предварительных условий световой поток от светильников различных вариантов корпуса должен быть одинаковым, а светодиоды монтируются на одинаковые по размерам и физическим свойствам платы MCPCB. Таким образом, принимая во внимание, что в настоящее время класс сверхярких светодиодов обладает эффективностью 95-105 Лм/Вт , а отдельные светоизлучающие кристаллы обладают мощностью 0,055-0,065 Вт,можно сделать вывод о том, что общая мощность всех светодиодов и соответственно выделение тепла в светильниках будет одинаковым.

Rокруж.среды — воздушная среда помещения и согласно п.1 условия размещения одинаковы для всех светильников.

Таким образом, отведение тепла от кристаллов светодиодов будет зависеть от тепловых сопротивлений материалов находящихся между платой MCPCB и воздухом в помещении.

Для первого варианта — общее теплое сопротивление будет определяться алюминиевым корпусом Rал.корпуса. Согласно справочных данных коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов (например АД 31 Т5) составляет . Тепловое сопротивление воздушной прослойки между платой MCPCB и алюминиевым корпусом может быть эффективно снижено за счет применения специальной термической пасты с хорошей удельной теплопроводностью.

Теплопроводность определяет способность передать тепловую энергию через материал. Численно она равна тепловому потоку, проходящему через площадку единичной площади, при перепаде на ее гранях температуры на 1 ° К. То есть через сплав алюминия площадью 1 м² можно передать рассеиваемую мощность 150 Вт, при этом на гранях материала по ходу движения теплового потока разница температур составит 1 ° К. Таким образом, чем выше коэффициент теплопроводности тем, ниже будет разница температур между заданными точками при передаче одинаковой рассеиваемой мощности.

Для второго варианта  общее теплое сопротивление определяется тепловым сопротивлением воздуха в герметично закрытой пластиковой трубке и самим пластиковым корпусом. Согласно справочных данных коэффициент теплопроводности воздуха при температуре +37 ° С составляет , а пластиковой трубки (например, на основе поликарбоната) —

Для третьего варианта  определяется тепловым сопротивлением слоя воздуха под материалом, обладающим свойствами термоусаживания и самого материала. Как мы уже знаем, коэффициент теплопроводности воздуха , а материала (например, на основе полиэтилена) —

Коэффициент теплопроводности для сплавов алюминия по сравнению с воздухом отличается в 6 000 раз, с поликарбонатом (пластиковый корпус светильника вариант II) — в 1 800 раз, а по сравнению с полиэтиленом в 400 раз.

Такое различие в коэффициенте удельной теплопроводности определяет еще одну особенность — для вариантов II и III температура на внешнем корпусе или материале может сильно отличаться от температуры на плате MCPCB. Каждый из нас знает устройство обыкновенного термоса, где воздух между внешним корпусом и внутренней колбой с жидкостью играет роль теплоизолятора, а температура жидкости в колбе может оставаться продолжительное время равной +90 — +95 °С, при этом температура внешнего корпуса равна температуре окружающей среды.

Таким образом, при проектировании и производстве светодиодных светильников необходимо учитывать следующие факторы:

  • минимизация количества материалов лежащих между кристаллами светодиода и окружающей средой;
  • материалы, из которых состоит корпус светильника должны обладать как можно большим коэффициентом удельной теплопроводности;
  • корпус светильника должен обеспечивать герметичность в условиях эксплуатации в агрессивной среде (например, птичника), обладать механической стойкостью и долговечностью.


Выполнение этих условий напрямую определяет срок службы светодиодных светильников. Неправильный выбор конструкции и материала корпуса может привести к выходу из строя светильника уже в первые месяцы эксплуатации.

На основании данных по удельной теплопроводности, использование алюминиевого корпуса позволяет увеличить отвод тепла от светоизлучающих кристаллов и таким образом поддерживать температуру в заданных пределах даже при температуре в помещении + 45°С — +50°С, что существенно продлевает время эксплуатации светодиодного светильника. Конструкция светильника обеспечивает герметичность и простоту монтажа. Кроме того, современные технологии производства изделий из сплавов алюминия позволяют поддерживать низкую стоимость такого корпуса и простоту сборки, что, в конечном счете, влияет на стоимость всего светодиодного светильника.

В настоящее время компанией «Техносвет групп», на основе расчетов тепловых сопротивлений и других характеристик материалов, подбора светодиодов и расчета электрических схем питания светоизлучающих кристаллов, разработаны и производятся светодиодные светильники в алюминиевом корпусе, позволяющие обеспечить срок службы светодиодов в течение 4- 4,5 лет эксплуатации в помещениях для содержания птицы и животных.