1. Теоретическая часть

Дипломная работа посвящена исследованию проблем отвода тепла от мощных светодиодов.

В теоретической части проведен обзор параметров мощных светодиодов и способов их охлаждения.

В конструкторской части приведено описание ШИМ-контроллера для питания светодиода и разработана документация (принципиальная электрическая схема и трассировка печатной платы).

В экспериментальной части проведено исследование отвода тепла от светодиода фирмы CREE типа XREWHT-L1-0000-00C01 мощностью 1Вт и рабочим током 350-700 мА.

Эксперимент проводился с использованием различных конструкций для охлаждения светодиодов: алюминиевым радиатором, на который затем были установлены вентилятор, а после снятия вентилятора модуль Пельтье. Результаты эксперимента предоставлены в приложении.

Светодиодное освещение - одно из многообещающих направлений технологий искусственного освещения, основанное на применении светодиодов в виде источника света. Применение светодиодных ламп в освещении уже занимает существенную долю рынка. Развитие напрямую связано с технологическим совершенствованием светодиода.

В настоящее время светодиоды нашли применение в самых различных областях: светодиодные фонари, автомобильная светотехника, рекламные вывески, светодиодные панели и индикаторы, бегущие строки и светофоры и т.д.

В сравнении с обычными лампами накаливания, а также люминесцентными лампами светодиоды обладают многими преимуществами: миниатюрность, экологичность, безопасность, долгий срок службы, высокие световые характеристики, возможность работы в широком спектре температур, большой выбор цветов.

Ключевым моментом замены традиционных ламп накаливания, на светодиодные источники света является существенная экономия электроэнергии.

Среди производителей именно светодиодные источники света считаются наиболее функционально-перспективным направлением как с точки зрения энергоэффективности, так и затратности и практического применения. В основном применяются приборы на белых светодиодах[1].

Главные проблемы, останавливающие массовое внедрение этих перспективнейших источников света, на сегодня являются:

Первое это — высокая начальная стоимость устройств освещения на светодиодах, но расходы, требуемые при эксплуатации значительно меньше конкурентных источников освещения и в течение года окупаются.

Второй проблемой до сих пор остается отвод тепла мощных светодиодов, только 5% передается в виде теплого излучения в воздух и около 90% переходит в подложку самого светодиода.

Поэтому исследование отвода тепла в мощных светодиодах является актуальной задачей и это стало главной целью данной дипломной работы. Рассматриваются несколько различных методов охлаждения, а именно при помощи алюминиевого радиатора (с пассивным охлаждением) радиатора (с активным охлаждением) и охлаждение элементом Пельтье.

1. Теоретическая часть

1.1 Общие характеристики мощных светодиодов

Изобретение транзисторов стало одним из самых прогрессивных открытий в науке. Последующее развитие полупроводниковой электроники и создание компьютеров во второй половине XX в. привело к кардинальному скачку в эволюции высоко технологичных производств, организацию труда на всех уровнях управления.

Особые перспективы возникли в области физики полупроводников, изучающая люминесценцию. Прогресс в этой сфере позволил создать полупроводниковые источники света - светодиоды.

Первые открытия были сделаны в нашей стране еще в 1923 г. О.В.Лосевым, работавшим в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории. Однако реализованы на практике были лишь в 60-70-е годы, после обнаружения эффективной люминесценции полупроводниковых соединений типа A^IIIB^V - фосфида и арсенида галлия и их твердых растворов. В итоге на их основе были созданы светодиоды и таким образом заложен фундамент новой отрасли техники - оптоэлектроники [2].

Эффективные светодиоды для зеленовато-голубой, голубой, синей и фиолетовой частей спектра были созданы в 90-е годы. Производятся они на основе полупроводников со значительной шириной запрещенной зоны: карбида кремния SiC, соединений группы A^IIB^VI, нитридов группы A^IIIB^V. У излучателей на основе ZnSe (A^IIB^VI) большой квантовый выход, но они имеют маленький срок работы, но имеют большое электрическое сопротивление. У карбид-кремниевых диодов очень мал КПД, так как SiC - непрямозонный полупроводник.[2]

В последние годы был сделан настоящий прорыв в разработках голубых и зеленых светодиодов. В приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов GaN, In_xGa_1–xN, Al_xGa_1–xN внешний квантовый выход увеличен до η_e = 9-16 % [2]. Светоотдача диодных излучателей из разных материалов для всех основных цветов превысила светоотдачу ламп накаливания. Диоды стали приборами и оптоэлектроники, и светотехники.

1.2 Строение светодиодов

Светодиод « Рис.1» представлен двумя выводами – анодом и катодом. Катод крепится к алюминиевому параболическому рефлектору ( отражателю ).Внешне он представляет собой чашеобразное углубление. На дне располагают светоизлучающий кристалл.

Активный элемент представлен полупроводниковым монокристаллом ( в 5 мм светодиодах он выполнен в виде кубика-чипа ). Размеры небольшие - 0,3*0,3*0,25 мм. Он содержит p-n переход или гетеропереход и омический контакты.

Кристалл соединяется с анодом перемычкой, произведенной из золотой проволоки. Полимерный корпус - фокусирующая линза. Она с рефлектором и определяют угол излучения (диаграмма направленности) светодиода.

На следующем этапе разработок перешли к многослойным гетероструктурам GaN/ /Ga_1–xIn_xN с нелегированным активным слоем Ga_1–xIn_xN толщиной до 2-3 нм. Физические принципы, ранее использованные при создании приборов на основе GaAs/Ga_1–xAl_xAs и GaAs/In_xAl_yGa_1–x-yP, послужили применительно к новым структурам [2].

В сверхтонких слоях влияют эффекты размерного квантования - зависимости энергетического спектра электронов и дырок от толщины слоя, когда толщина слоя сравнима с длиной волны де Бройля. Таким образом, открылась возможность регулировать цвет свечения, изменяя не состав полупроводника, а толщину потенциальной ямы, называемой в этих условиях квантовой.

Было крайне важно разработать технологию выращивания новых структур, обеспечивая на границах минимальное число дефектов. Помогло то, что в сверхтонких слоях несоответствие параметров решетки в определенных случаях вызывает на гетерограницах лишь упругую деформацию растяжения или сжатия. А чисто упругая деформация не сопровождается образованием дислокаций и дефектов - центров безызлучательнаой рекомбинации.

Структура светодиода с множественными квантовыми ямами представляет собой довольно сложный “пирог” «рис 2». На сапфировой подложке, после буферного слоя AlN (толщиной 30 нм), выращен относительно толстый (4 мкм) слой n-GaN:Si. Затем идет активный нелегированный слой, состоящий из пяти чередующихся квантовых ям In_xGa_1–xN (3-4 нм) и барьеров GaN (4-5 нм). Эффективная ширина запрещенной зоны квантовых ям In_xGa_1–xN соответствует излучению от голубой до желтой области (450-580 нм), если состав активного слоя меняется в пределах x = 0.2-0.4; она зависит и от толщины d. Расположенный выше барьерный широкозонный слойp-Al_0.1Ga_0.9N:Mg (100 нм) инжектирует дырки и согласует решетку с решеткой верхнего слоя p-GaN:Mg (0.5 мкм), на который нанесен металлический контакт Ni-Au. Второй металлический контакт (Ti-Al) с нижним слоем n-GaN создается после стравливания части структуры.[2]

Путем выбора полупроводникового материала и присадки можно целенаправленно воздействовать на характеристики светового излучения светодиодного кристалла, прежде всего на спектральную область излучения и эффективность преобразования подводимой энергии в свет. При использовании конверсионного люминофора (желтого) и голубого светодиода можно получить белое излучение «Рис 3». При использовании ультрафиолетового диода и трех люминофоров (R/G/B) возможно также получение белого излучения[4]. «Рис.4»

1.3 Световые характеристики

Диоды заняли место в передаче и визуализации информации: в световых индикаторах, табло, в приборных панелях автомобилей и самолетов, в рекламных экранах. Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (в люменах) к потребляемой электрической мощности (в ваттах). Эта величина, называемая светоотдачей, для светодиодов стала больше, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона.



Рисунок 5. Светоотдача приборов

Светоотдача приборов на основе гетероструктур с активными слоями InGaN и AlInGaP на длинах волн, отвечающих максимуму излучения. Стрелки справа показывают светоотдачу вакуумных и газонаполненных ламп; кривая - спектральную чувствительность глаза (кривая видности). «Рис.5»

Один из способов, использования светодиодов, это для обычного освещения, поскольку сочетание их с люминофорами позволяет получить белый свет. Потребление электроэнергии у них меньше, чем у обычных ламп, кроме того, они долговечнее, надежнее и безопаснее ламп накаливания, и люминесцентных ламп.

Замена ламп накаливания диодами особенно эффективна в цветной светосигнальной аппаратуре. Лампы должны иметь цветные фильтры, что уменьшает КПД - часть излучения поглощается фильтрами. Цвет оптического излучения полупроводниковых приборов задается энергией квантов в узкой области спектра, фильтры им не нужны. На цветовой диаграмме показано, как из “чистых” цветов, расположенных на внешнем подковообразном контуре, можно получить любой смешанный. Центр диаграммы соответствует белому цвету, на краях отмечены кружки для разных диодов. «Рис. 6»

.В центре - область белого цвета, пересекаемая дугой, соответствующей цвету черного тела при разных температурах. Кружками отмечены цветовые координаты разных светодиодов. «Рис 6»

Светодиод является нелинейным устройством. Если к нему приложить низкое напряжение, то он не будет проводить электрический ток. Если напряжение повышать, то, как только оно превысит пороговое значение, светодиод станет излучать, а ток резко возрастет. Если продолжить увеличение напряжения, ток будет возрастать, а полупроводниковый прибор быстро перегреется и сгорит. Нюанс заключается в поддержании светодиода в узкой области между полностью закрытым и полностью открытым состояниями (рис. 1.5).



Рисунок 6. Полезная рабочая область мощного светодиода

Напряжение полезной рабочей области у разных экземпляров различается (даже у приборов одной группы и одного производителя), кроме того, оно меняется в зависимости от окружающей температуры и степени деградации прибора. На «Рис.6» рабочая область показана более детально. В этом примере рассматривается четыре идентичных светодиода, которые, согласно техническим данным, имеют одинаковые характеристики. Все производители подобных приборов сортируют их по цвету излучаемого света (это называется типизация, биновка (binning) — в процессе производства проводится проверка и светодиоды разделяются по бункерам, бинам (bin), согласно их цветовой температуре). Впоследствии все диоды смешиваются и в одной поставке могут оказаться приборы из разных производственных партий, и следовательно, можно ожидать большого разброса порогового или прямого (V_f) напряжений. Большинство технических характеристик устройств декларируют 20%-й допуск на V_f, поэтому столь широкий разброс, показанный на «Рис.7», не является преувеличением.[4]

Если мы увеличим напряжение примерно до, 3 В, то первый диод будет перегружен, ток второго составит 300 мА, третьего - 250 мА, а четвертого - только 125 мА. Более того, эти характеристики и в дальнейшем изменяются. Когда светодиод прогревается до своей рабочей температуры, кривые дрейфуют влево (прямое напряжение V_f с повышением температуры падает). Однако интенсивность излучения света светодиодов прямо пропорциональна проходящему через них току «Рис. 8»). Так, в приведенном выше примере при напряжении питания 3 В первый светодиод будет сверкать как совершенно новый, второй окажется немного ярче, чем третий, а вот четвертый будет восприниматься весьма тусклым.

Восприятие излучения человеком, глаз которого по-разному воспринимает различные участки оптического спектра (в соответствии с кривой видности), выдвигает свои требования к световым и спектральным характеристикам излучателей.

Излучаемые световые кванты должны выходить во внешнюю среду в заданном телесном угле с минимальным их поглощением внутри прибора. Малые размеры полупроводниковых светодиодов отличают их от ламп накаливания, в противоположность лампам диод - почти точечный источник света с площадью кристалла (0.25x0.25)-(0.5x0.5) мм².

Кристалл покрывается выпуклым или плоским пластмассовым колпачком размерами 3-10 мм.. Конструкция колпачка обеспечивает фокусировку излучения в нужном телесном угле 5-45°. Держатель кристалла отводит тепло от активной области.

Работая, одиночный светодиод потребляет очень небольшую энергию: при напряжении 2-4 В и токе 10-30 мА, электрическая мощность варьирует от 20 до 120 мВт. При КПД в 5-25% в виде света излучается 1-30 мВт (сила света 1-30 кд). Для сравнения - миниатюрная лампа накаливания работает при напряжении около 12 В и токе 50-100 мА. Для получения больших световых потоков десятки и сотни светодиодов объединяют в световые панели. Возможность фокусировки излучения в каждом элементе позволяет создавать световые панели с направленным излучением.[2]

1.4Охлаждение мощных светодиодов

Главной проблемой светодиодов является отвод тепла выделяемого LED-кристаллом. Большая его часть (> 90%) передается на его металлическую подложку за счет теплопроводности. Лишь 5% тепла уходят в виде теплового излучения. «Рис. 9»[5]



Рисунок 9. Различие в механизмах тепловыделения при работе традиционных ламп накаливания и светодиодных(LED)-ламп

С повышением температуры у мощных светодиодов снижается световая эффективность. Приведенные в технических характеристиках цифры выходного светового потока обычно даются только для 25 °С. При 65 °С происходит потеря 10% яркости, а при 100 °С — 20% «Рис. 10».

Чтобы мощные светодиоды имели время жизни, близкое к указанному в их технических характеристиках, необходим хороший теплоотвод. 100-Вт галогенный прожектор будет излучать 5 Вт света (мощность излучения). Из оставшихся 95 Вт потребленной мощности 80 Вт уйдет вовне в виде инфракрасного излучения и только 15 Вт будет рассеиваться корпусом в виде тепла. 50-Вт светодиод также будет излучать 5 Вт полезного света, но все оставшиеся 45 Вт мощности будут в виде тепла подведены к его конструктивному окружению. Хотя эффективность светодиодного светильника в два раза выше, чем у лампы накаливания, его охлаждение должно быть разработано так, чтобы справиться с в три раза большим потоком подводимого тепла.


Рисунок. 10. Зависимость светового потока светодиода от температуры его перехода

Буквально с точностью до наоборот выделяется тепло от обычных ламп накаливания: 90% - излучением, 5% - теплопроводностью (в цоколь). Это означает, что наработанные десятилетиями технические решения по поддержанию теплового режима ламп накаливания абсолютно не приемлемы при проектировании LED-светильников.

В подавляющем большинстве случаев для отвода тепла от кристалла и последующего теплорассеяния используются металлические, как правило, алюминиевые, медные, а также в редких случаях и радиаторы из теплопроводящих пластмасс, помимо всех вышеперечисленных способов, возможно и охлаждение при помощи термоэлектрического модуля.

1.5 Энергетический КПД

Энергетическая эффективность светодиодов (КПД) – отношение мощности излучения (в Ваттах) к электрической потребляемой мощности (в светотехнической терминологии это энергетическая отдача излучения - η_e).

Светодиоды преобразуют подводимую электроэнергию в видимое излучение в очень узкой спектральной области, причем в кристалле возникают тепловые потери.

У светодиодов для целей освещения и сигнализации ИК- и УФ-составляющие в спектре излучения практически отсутствуют и такие светодиоды имеют значительно более высокую энергетическую эффективность, чем тепловые излучатели. При благоприятном тепловом режиме у светодиодов в свет преобразуется 25% подводимой энергии. Поэтому, например, у белого светодиода мощностью 1 Вт примерно 0,75 Вт приходится на тепловые потери, что требует в конструкции светильника наличия теплоотводящих элементов или даже принудительно охлаждения[4]. Такое управление тепловым режимом светодиодов приобретает особую значимость. Желательно, чтобы производители светодиодов и светодиодных модулей приводили в перечне характеристик своих изделий значения энергетического КПД.

1.6 Управление тепловым режимом

Почти 3/4 электроэнергии, потребляемой светодиодом, преобразуется в тепло и только 1/4 – в свет. Поэтому при конструировании, освещения с использованием светодиодов, решающую роль в обеспечении их максимальной эффективности играет оптимизация теплового режима, интенсивное охлаждение.

Передача тепла от нагретого тела осуществляется за счет трех физических процессов: Излучение, Конвекция, Теплопроводность.

1. 
   Излучение
   

Ф=W_λ =5,669·10^-8·(Вт/м²·К⁴)ε·А·(Т_s⁴ –Т_а⁵)

где: W_λ –поток теплового излучения, Вт 

ε–коэффициент излучения 

Т_s –температура поверхности нагретого тела,

КТ_а – температура поверхностей, ограничивающих помещение,

К А – площадь излучающей тепло поверхности, м²

2. 
   Конвекция
   

где: Ф – тепловой поток, Вт

А – площадь поверхности нагретого тела, м²

α – коэффициент теплопередачи,

Т_s – температура граничной теплоотводящей среды, К

Т_а – температура поверхности нагретого тела, К

[для неполированных поверхностей α = 6…8 Вт /(м²К)].

3. 
   Теплопроводность
   

Материалы теплоотводящих элементов по возможности должны иметь минимальное тепловое сопротивление.

Ф = λ_T·(А/l) (Т_s-Т_а) =(ΔT/R_th)

где: R_th= (l / λ_T·A) – тепловое сопротивление, K/Вт,

Ф – тепловая мощность, Вт

A – поперечное сечение

l-длина - λ_T– коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)

4. 
   Тепловое сопротивление
   

R_{th парал.общ.}=1/[(1/ R_th,1)+ (1/ R_{th, 2})+ (1/ R_th,3)+ (1/ R_th,n)]

R_{th последобщ.} = R_th,1 + R_{th, 2} + R_th,3 +....+ R_th,n

При дизайне светодиодных светильников необходимо принять все возможные меры для облегчения теплового режима светодиодов за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

Взаимосвязь электрических и тепловых параметров светодиода «Рис. 11»



Рисунок11 Электрическая и термическая системы

1.7 Виды радиаторов

Физика процесса теплорассеяния такова, что количество поглощаемого воздухом тепла определяется параметрами воздуха (температуры, влажности, скорости), а не материала, из которого изготовлена теплорассеивающая поверхность Строгий теплофизический расчет показывает, что именно теплорассеяние в пограничных слоях воздуха является ограничивающей стадией теплообмена в системе «генератор тепла - воздух». Окружающий воздух просто не в состоянии рассеять (принять) более 5…10 Вт тепловой энергии с единичной поверхности теплообмена. Другими словами, воздушный «тепловой насос» имеет вполне ограниченную производительность.

Из этого следует, что при выборе материала для теплорассеивающих устройств необходимо принимать во внимание, что теплопроводность λ материала в 5…10 Вт/(м∙К) необходима и достаточна, чтобы передать на поверхность охлаждения все тепло, которое может быть принято окружающим воздухом, а применение материалов с большей теплопроводностью является технически избыточным.

1.7.1 Алюминиевые радиаторы

Главным недостатком конструкции теплоотвода на основе алюминиевого радиатора является многослойность. Многослойной конструкции свойственны сопутствующие переходные тепловые сопротивления, которые хоть и можно минимизировать применением специальных теплопроводящих материалов (изолирующие пластины, пасты, клейкие вещества, материалы для заполнения воздушных промежутков и др.), тем не менее, приводят к увеличению температуры перехода.

Типовая конструкция мощного светодиода с алюминиевым охлаждающим элементом и цепь тепловых сопротивлений. «Рис. 12»



Рисунок12. Конструктивная схема светодиода с охлаждающим элементом и цепь его тепловых сопротивлений.

1.7.2 Керамические подложки

Один из вариантов теплоотвода – керамические подложки с предварительно нанесенными токоведущими трассами, непосредственно к которым подпаиваются светодиоды. Охлаждающие конструкции на базе керамики отводят примерно в 2 раза больше тепла по сравнению с обычными вариантами металлических охлаждающих элементов



Рисунок 13. Сравнение конструкций

Фирма CeramTec применила для охлаждения светодиода керамический элемент CERAM COOL «Рис.13». Сравнение обычной конструкции (слева) с керамическим вариантом.

1.7.3 Теплорассеивающие пластмассы

В последние годы все больше появляется информации об альтернативном использовании теплорассеивающих пластмасс в качестве материала радиаторов. Это объясняется технологическими свойствами и их более низкой стоимостью по сравнению с широко применяемым для этих целей алюминием. С целью проверки свойств теплорассеивающих пластмасс (Теплосток Т6-Э5-7, ООО «СпецПласт-М») с теплопроводностью 8 Вт/(м-К). Проводилось сравнение радиаторов из алюминия (полностью одинаковых размеров) и из данной теплорассеивающей пластмассы. На «Рис 14». приведены результаты этого сравнения.

1.8 Элемент Пельтье

В основе работы термоэлектрического охлаждающего модуля лежит эффект, открытый французским часовщиком Жаном Пельтье, который в 1834 г. обнаружил, что при протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, тепло. При этом количество этой теплоты пропорционально току, проходящему через контакт проводников «Рис.15».


Рисунок. 15 Схема действия эффекта Пельтье

Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (p- или n-).

1.9 Управление светодиодами постоянным током

Путем решения проблемы разного прямого напряжения V_f при одинаковом токе является использование для управления постоянного тока, а не напряжения. Для поддержания постоянного тока, а, следовательно, и силы света, драйвер светодиода автоматически подстраивает выходное напряжение. Такой подход можно использовать в случае единичного твердотельного излучателя или при их последовательном соединении. Если ток через все светодиоды одинаков, то, несмотря на различия в V_f, они будут иметь одинаковую яркость «Рис.15»


Рисунок 15. Цепочка светодиодов

Если излучатели прогрелись до рабочей температуры, то для поддержания величины тока неизменной, источник постоянного тока автоматически уменьшит напряжение управления. Это делает их яркость, не зависящей от температуры.

Еще одним значительным преимуществом является то, что источник стабильного тока не позволяет какому-то отдельному светодиоду в цепи быть перегруженным. Это гарантирует, что все они будут иметь большой срок службы. Если один из полупроводниковых излучателей окажется пробитым (накоротко замкнутым), то остальные продолжат функционировать с корректным рабочим током.

1.10 Источники стабильного постоянного тока

Простейшим источником постоянного тока является генератор постоянного напряжения, управляющий светодиодом через резистор. Если падение напряжения на сопротивлении примерно равно прямому напряжению на светодиоде. Такое решение очень дешево, но обладает плохими характеристиками регулирования тока и весьма расточительно по мощности. Многие дешевые светодиодные лампы типа кластера, предлагаемые в качестве замены низковольтных галогенных ламп, используют этот метод. В случае замыкания в одном из светодиодов резистор перегорит относительно быстро и таким же относительно коротким будет время жизни всего кластера.

Другим простейшим источником постоянного тока является его линейный регулятор. На рынке доступны несколько дешевых драйверов светодиодов, использующих этот метод. Для этой же цели могут применяться и линейные стабилизаторы напряжения, работающие в режиме постоянного тока. Внутренняя обратная связь поддерживает управляемый ток внутри 5%-го коридора, но тепловая мощность выделяется в виде тепла, и для ее рассеяния требуется хороший теплоотвод. Плохая эффективность этого метода слабо согласуется с принципом высокой эффективности твердотельного освещения.

Лучшим источником постоянного тока является импульсный стабилизатор (switching regulator). Цена такого драйвера выше, чем у других решений, но точность в широком диапазоне нагрузок находится в пределах 3%, а эффективность преобразования превышает 96%, это означает, что только 4% энергии растрачивается бесполезно и устройство может работать при высоких температурах окружающей среды (рис. 16).

Рисунок 16. Примеры источников стабильного тока для светодиодов

Одно важное отличие между альтернативными подходами, приведенными выше, — диапазон входного и выходного напряжений.

Так, DC/DC-регулятор-переключатель имеет большой диапазон входных и выходных напряжений, в котором он обеспечивает стабильный ток (например, RCD-24.0.35 при изменении постоянного напряжения от 5 до 36 В может давать на выходе 2–34 В). Большой диапазон выходных напряжений позволяет использовать различные комбинации светодиодных линеек, но кроме того дает возможность в широких пределах регулировать яркость.

Два других альтернативных решения, приведенных выше, в случае, если нужен только один светодиод, приведут к проблемам с рассеиваемой мощностью, поскольку падение напряжения на резисторе или регуляторе будет больше, соответственно вырастут и потери энергии. Диапазон входных напряжений также ограничен по тем же соображениям.

1.11 Виды соединений светодиодов

Большинство мощных белых светодиодов разрабатываются на рабочий ток 350 мА. Происходит это потому, что по законам химии их прямое напряжение должно быть порядка 3 В, а 3,0×0,35≈1Вт, что является удобной для светодиодов мощностью. Большинство DC/DC-драйверов стабильного тока для твердотельных излучателей света являются дробящими или понижающими (buck or step-down) преобразователями. Это означает, что максимальное выходное напряжение меньше, чем входное.

Если входное напряжение нельзя менять (например, батарея), то максимальное число светодиодов должно быть сокращено в зависимости от минимального значения доступного входного напряжения.

Два излучателя — это не слишком много, что бы обойти данную проблему можно, используя повышающий преобразователь, у которого выходное напряжение превышает входное, или поставить в параллель две или более цепочки. Для каждой из них драйвер будет обеспечивать требуемые 350 мА; две, включенные в параллель, будут снабжаться током 700 мА, три — 1,05 А и т. д. Следовательно, выбор источника питания для светодиодов должен учитывать доступное входное напряжение и число цепочек, которыми необходимо управлять. На «Рис.17», «Рис.18»«Рис.19» показаны некоторые варианты подключения типичных одноваттных белых светодиодов к 12-В источнику постоянного напряжения.

Достоинства : высокая точность задания тока, безопасность при отказе

Недостатки: малоче число излучателей в цепочке



Рисунок 18. Щесть светодиодов в двух параллельных цепочках

Достоинства: удвоенное число излучателей

Недостатки: безопасность при отказе не обеспечивается, несбалансированность токов в цепочкаках



Рисунок 19. Девять светодиодов в трех цепочках

Достоинства: утроенное число излучателей

Недостатки:Безопасность при отказе не обеспечивается, несбалансированность токов в цепочке

Наиболее безопасным и надежным методом является подключение к драйверу одной цепочки светодиодов. Если какой-то излучатель выйдет из строя и разомкнет цепь, подача тока к остальным прекратится. Если же один из них выйдет из строя и станет короткозамкнутой цепью, то оставшиеся по-прежнему будут снабжаться тем же током.

Достоинством управления многими светодиодами с помощью одного драйвера является большое число излучателей, а недостатком — незащищенность в случае отказа. В случае двух параллельных цепочек при таком отказе светодиода, когда он разрывает цепь, все те же постоянные 700 мА потекут через оставшуюся цепочку, которая спустя весьма короткое время также выйдет из строя. При трех параллельно включенных линейках в случае отказа одного излучателя две оставшиеся цепи будут делить между собой ток равный 1 А. Обе окажутся перегруженными током в 500 мА. Возможно, что некоторое время они смогут работать, но это будет зависеть от качества теплоотвода, со временем большой ток вызовет отказ другого светодиода, после чего третья цепочка примет на себя весь ток в один ампер и почти сразу же выйдет из строя.

Если же какой-то светодиод откажет и превратится в короткозамкнутую цепь, это вызовет перераспределение токов между цепями, но самый большой потечет через цепь, в котором прибор вышел из строя. В конце концов последняя откажет и вызовет «эффект домино», аналогичный описанному выше.

Мощные светодиоды надежны, поэтому описанные выше отказы могут происходить не слишком часто. Исходя из этого, большинство разработчиков твердотельного освещения выбирают удобный и дешевый вариант питания нескольких цепочек светодиодов от одного драйвера, хотя и сознают риск того, что при отказе одного из строя выйдут и многие другие излучатели.

1.12 Стабилизаторы напряжения и тока в питании светодиодов

В радиоэлектронике чаще всего используются, два типа стабилизаторов: линейные и импульсные.

1.12.1 Линейные стабилизаторы

Линейные стабилизаторы действуют по принципу резистора: ограничивают протекающий через ключевой элемент (транзистор) ток так, чтобы напряжение (или ток) в нагрузке оставались постоянными. При этом часть полезной мощности теряется (выделяется в виде тепла на регулирующем транзисторе). В некоторых случаях эта "часть" может быть весьма значительной. Например, при входном напряжении 10 В и выходном 2,5 В падение напряжения на транзисторе составляет 7,5 В, т.е. 75% энергии источника питания тратится на паразитный разогрев транзистора и только 25% выполняют полезную работу.

Еще хуже обстоит дело с регулируемыми источниками питания, когда для большего диапазона изменения выходного напряжения разработчик пытается сделать входное напряжение больше. В таких случаях при минимальном выходном напряжении КПД источника питания может снижаться до единиц процента

Резистор является элементом, ограничивающий ток, протекающий через светодиод. Но сопротивление удобно применять, если питающее напряжение постоянно. На практике часто случается, что напряжение не стабильно, например, напряжение аккумуляторной батареи уменьшается при ее разряде довольно в широких приделах. В этом случае широко применяют линейные стабилизаторы тока.

Простейший линейный стабилизатор тока можно собрать на широко распространенных микросхемах типа КР142ЕН12(А), LM317 (и их многочисленных аналогах), как показано на Рисунке 1.12.1.

Резистор R выбирается в пределах 0,25÷125 Ом, при этом ток через светодиод определяется выражением

Схема построения таких стабилизаторов тока отличается простотой (микросхема и один резистор), компактностью, надежностью и дешевизной. Надежность дополнительно обусловлена развитой системой защиты от перегрузок и перегрева, встроенной в микросхему стабилизатора.

Для стабилизации токов от 350 мА и выше можно использовать и более мощные микросхемы линейных регуляторов с малым падением напряжения серий 1083, 1084, 1085 различных производителей либо отечественные аналоги КР142EH22A / 24А/ 26А.

Но у линейных стабилизаторов тока есть существенные недостатки:

♦низкий КПД;

♦большие потери сильный нагрев при регулировки больших токов

♦необходимость в радиаторе для охлаждения при мощности > 200-300 мВт

1.12.2 Импульсные стабилизаторы

Из-за недостатков линейных стабилизаторов применяются импульсные преобразователи и стабилизаторы для питания светодиодов и светодиодных модулей. На рисунке 1.11.2 представлены внешний вид светодиодного модуля и вторичной оптики. Следует отметить, что светодиоды и преобразователь питания конструктивно выполнены на единой плате.

Рисунок 1.11.2. Внешний вид светодиодного модуля и вторичной оптики

Импульсные стабилизаторы, способны трансформировать напряжение в ток и наоборот. КПД такого источника тока, независимо от величины входного (выходного) напряжения, практически постоянен и составляет, в зависимости от схемы и используемых комплектующих, до 80...95%. Благодаря столь высокому КПД облегчается тепловой режим устройства: его компоненты практически не греются, и там, где раньше приходилось использовать громоздкие радиаторы-теплоотводы и вентиляторы, удается обойтись одной маленькой пластинкой или вообще "голым" корпусом транзистора. Уменьшается также потребляемый устройством ток, что очень важно при автономном режиме работы.

Чем выше рабочая частота преобразователя, тем меньших размеров могут быть его самые габаритные детали — катушка индуктивности (дроссель или трансформатор) и фильтрующие конденсаторы. Образно говоря, за 1 такт сердечник дросселя или трансформатора может накопить небольшое количество энергии определенной величины, и объем не зависит от рабочей частоты. То есть, повысив рабочую частоту, в 10 раз, можно за то же время "передать" в нагрузку в 10 раз большую мощность при том же размере катушки и сердечника. Поэтому, если обычный 50-герцовый трансформатор мощностью 270 Вт (ТС-270) весит более 5 кг и размером с 3-литровую банку, то импульсный трансформатор на 300 Вт, работающий на частоте 30 кГц, всего лишь с 3-4 спичечных коробка.

К сожалению, частоту нельзя повышать бесконечно: для большинства недорогих ключевых транзисторов максимальная рабочая частота не превышает 100...300 кГц, а у ферритовых сердечников на частотах выше 30...100 кГц сильно увеличиваются потери из-за вихревых токов внутри сердечника. Поэтому оптимальная рабочая частота для импульсного источника тока — 30...50 кГц. Она достаточно высока для того, чтобы человек не слышал писка при его работе (максимальная слышимая частота не превышает 20 кГц), и, в то же время, потери на такой частоте еще достаточно малы.

Однако у импульсных стабилизаторов есть и недостатки. Главный из них кроется в самом принципе действия. Стабилизатор работает в импульсном режиме и на довольно высокой частоте, поэтому он излучает весьма мощные электромагнитные (радиоволны) и электрические (пульсации напряжения) помехи. Избавиться от них очень сложно. Поэтому применять импульсные стабилизаторы целесообразно только там, где нагрузка потребляет значительный ток или мощность (более 10...20 Вт), есть большая разница между входным и выходным напряжениями (минимум в 2...5 раз), а нагрузка сравнительно нечувствительна к помехам и пульсациям (заряжаемый аккумулятор, лампочка, электромотор и др.).

Импульсный стабилизатор состоит из пяти частей:

- Схемы управления;

- Ключевого транзистора;

- Дросселя (катушки индуктивности с магнитным сердечником, чаще ферритовым);

- Фильтрующих конденсаторов;

- Обратноходового диода, в качестве которого для небольшого увеличения КПД (и значительного уменьшения нагрева корпуса) можно использовать мощный транзистор.

В зависимости от того, как соединены эти элементы, импульсный источник питания может повышать, понижать, а также инвертировать полярность напряжения. Также известны трансформаторные импульсные преобразователи, но они менее распространены и используются, в основном, там, где необходима гальваническая развязка (блоки питания и зарядные устройства с питанием от сети) или где нужно значительно (более чем в 3...10 раз) повысить напряжение.

Схема управления современных импульсных источников собирают на базе специализированных микросхем. Они сравнительно дешевы, обладают великолепными характеристиками и практически не требуют подключения внешних элементов и кропотливой настройки. Для управления полевыми транзисторами необходимы микросхемы с мощными выходами: для достижения максимального КПД транзистор должен быстро открываться (за время порядка сотен наносекунд), а у полевых транзисторов емкость затвора очень велика. Поэтому микросхема-драйвер полевого транзистора должна иметь полу мостовой выход, способный обеспечить ток 0,2...2,0 А. Чем выше рабочая частота, тем большим должен быть выходной ток. Этот ток потребляется транзистором кратковременно (пока не зарядится или разрядится емкость затвора), а все остальное время ток не потребляется. Поэтому более мощный драйвер не приведет к увеличению энергопотребления, а наоборот, КПД схемы только возрастет

Схема повышающего преобразователя напряжения показана на рисунке 1.11.3 а. Во время рабочего хода, когда транзистор открыт, катушка запасает энергию. Ее можно представить как батарейку (конденсатор), положительный полюс которой — вверху схемы «Рис.1.11.3 б». Диод при этом закрыт, постоянное напряжение на выходе поддерживается конденсатором. После запирания транзистора полярность напряжения на выводах катушки из-за ЭДС самоиндукции меняется на противоположную, она суммируется с напряжением питания и через открывшийся диод подзаряжает конденсатор « Рис.1.11.3 в ». Таким способом, можно получить сколь угодно большое напряжение, но обычно оно не превышает несколько сотен вольт из-за потерь, как в самой катушке, так и в других элементах схемы.

Рисунок.1.11.3 Схема повышающего преобразователя

При сборке такой схемы нужно уделить особое внимание надежности элементов и монтажа. Транзистор, конденсатор и диод в этой схеме должны быть рассчитаны на максимальное выходное напряжение плюс 10...20 В запаса.

1.13 Конструкция импульсного светодиодного драйвера

При создании светодиодного светильника можно использовать готовый драйвер. Сложность конструкции драйвера напрямую зависит от мощности используемых светодиодов, дополнительных функций, требуемых от драйвера, а также от требований к габаритным размерам.

Был выбран микроконтроллер компании Clare типа СРС9909 «Рис. 1.13.1» Микросхема CPC9909 представляет собой микроконтроллер импульсного преобразователя, выполненного в компактном корпусе.

Задача создания драйвера на базе СРС9909 «Рис.1.13.2» сводится к расчету номиналов компонентов, образующих драйвер. Допускается питание СРС9909 непосредственно от высокого напряжения (питание драйвера 8...550 В). Это возможно за счет встроенного стабилизатора напряжения, что упрощает и удешевляет схему драйвера, а также делает его более компактным. Микросхема СРС9909 сохраняет работоспособность в широком диапазоне температур -55...+85 °С.