КОНСТРУИРАНЕ НА LED ОСВЕТИТЕЛИ, ТЕРМИЧНА ОЦЕНКА И ИЗБОР НА ОПТИЧНА СИСТЕМА

1. КОНСТРУИРАНЕ НА LED ОСВЕТИТЕЛИ, ТЕРМИЧНА ОЦЕНКА И ИЗБОР НА ОПТИЧНА СИСТЕМА DESIGN OF LED LUMINAIRES – THERMAL MENAGEMENT AND OPTICAL SYSTEM SELECTION Вълчан Георгиев ТУ-София Ганчо Ганчев Христо Василев Атанас Згурев МГУ “СвИван Рилски“ Денима2001 ООД Денима2001 ООД

2. ВЪВЕДЕНИЕ Задача на всеки, който се занимава с изследване, конструиране, разпространение на светодиодни изделия, е да спазва предписаните режими, за да осигури надеждна работа на светодиодите. За тази цел са неоходими периодични изследвания, тъй като тази област от техниката се развива много бързо и натрупания опит, както и събраните данни стават неактуални. Например, количеството отделена топлина и температурата на нагряване зависят от светлинния добив: при по-ниски стойности на светлинния добив, отделеното количество топлина е по-голямо и за достигането на препоръчваните стойности на температурата са нужни по-големи охлаждащи повърхности

3. Когато светлинния добив е по-голям, топлинното натоварване на осветителя е по-малко и оптималните решения изискват конструкцията да бъде промена така, че да се минимизира охладителната система. Можем да разделим задачата за конструиране на светодиоден осветител на следните стъпки: .

4. Дефиниране на предназначението на осветителя; • Определяне на подходяща светлоразпределителна крива. • Определяне на необходимия светлинен поток. • Определяне на мощността на светодиодния модул. • Избор на типа на светодиодите, производителя, техния брой и единичната им мощност. • Избиране на тока през всеки светодиод(350 мA, 700 mA и пр.). • Уточняване на общата мощност.78Определяне на площта на охлаждащата повърхност, в зависимост от материала( Al, керамика, металокерамика). • 8.Избор но формата на корпуса. • 9.Избор на подходяща оптика, способна да реализира кривата. • 10.Изработване на прототип на осветителя. • 11.Избор на типа леща (ако е избрана леща). или конструиране на рефлектор. • 12.Снемане на светлоразпределителна крива. • 13.Провеждане на широки измервания за определяне на разпределението на температурата • 14.Внасяне на корекции по осветителя. • 15.Определяне на основните параметри -кпд, светлинен поток, мах.интензитет.мощност, светлинен добив,определяне на корелираната цветна температура и т.н.

5. ТЕРМИЧЕН РЕЖИМ НА СВЕТОДИОДИТЕ В средата на 2013 година на пазара се появиха светодиди със светлинен добив 180 lm/W, като почти по същото време се появиха съобщения, че в лабораториите на водещи фирми– производители са конструирани и изпитани светодиоди с добив 203 lm/W.Същите се появиха на пазара в началото на 2014 г, разбира се на съответстващата цена. През март 2014 г. CREE съобщи за светлинен добив 304 lm/W [1,5], постигнат в лабораторни условия. Топлината, която се генерира от един светодиод, при ефективност 160-180 lm/W, представлява около 25% от цялата консумирана от източника мощност

6. При тези условия, при мощност от 1 W на светодиода, се очаква около 0,25 W трансформирани в топлина. При работа около 5 часа непрекъснато би се отделила енергия около 0,25 Wх5 h = 1,25 Wh. Общата топлинна мощност, разсеяна от светодиода (PLED) ще повиши температурата на прехода (TJ) над температурата на околната среда (TА) според израза: , , ,

7. Където RJA е общото термично съпротивление по пътя на топлинния поток от източника на топлина (прехода на полупроводниковия кристал) до околната среда. Веднага се вижда, че температурата на прехода е право пропорционална на топлинното съпротивление.

8. IceСъществуващите таблици с отражение на настилките, т.н. R-таблиците, бяха публикувани през 1976 година и се използват за проектиране по яркост по цял свят от тогава насам. R-таблиците се отнасят до отражателните характеристики на настилките само за сухи условия. R-таблиците са базирани на две качества на настилките: S1- огледалност или светене (бляскавост) на настилката и Qo – светене или степен на сивеене /от бяло до черно/ на пътните настилки. S1 определя класа, при който настилката се описва с R1 до R4, както е показано в таблица 3. iu Тук е пада на напрежение върху светодиода в права посока, е тока през светодиода, а к е коефициент, отчитащ каква част от консумираната електрическа мощност се преобразува в топлинна. Както беше споменато по-горе, стойността на този коефициент зависи от светлинния добив на светодиодите и е толкова по-малък, колкото по-голям е светлинният добив.

9. Най-ценно обаче, е определянето на стойността на общото топлинно съпротивление априори, още по време на конструирането на осветителя. Това е задача, решаването на която изисква натрупване на сериозен опит, както от работа със софтуер за термични изчисления, така и от експериментални изследвания. Общото топлинно съпротивление може да се счита сума от няколко съставки:

10. е топлинното съпротивление от р-n прехода до корпуса на светодиода. Това съпротивление зависи от конструкцията и при зададен производител и тип на светодиода, върху неговата стойност не може да се влияе. Производителите на светодиоди намалиха много силно тази компонента през последните 6-8 години. Ако в средата на миналото десетилетие, типичната стойност беше , сега на

11. на пазара се предлагат светодиоди с еприведеният към топлинната мощност температурен пад в мястото на присъединяване на светодиода към печатната платка. Стойността на това съпротивление зависи от качеството на монтажа и при съвременните технологии не надвишава .Когато върху една печатна платка са монтирани няколко светодиода, може да се използва паралелен верижен модел и да се определи общото топлинно съпротивление на всички светодиоди:

12. Фиг. 1. Заместваща схема, за случая на няколко светодиода, монтирани върху една платка

13. Съпротивлението на корпуса , който е и основният радиатор, зависи от материала и конструкцията на осветителя. Това съпротивление обикновено се определя Топлинна проводимост Екструдирана алуминиева сплав: 6063: 200 -215 W/mK :Отлята алуминиeва сплав: 120-140 W/mK

14. Heat source • – Heat dissipation • 1,5 W * 45 LED’s • Contact • – Surface/ LED • 0,5 inch* 0,5 inch • – Symmetric placement of • LED’s Conditions of analysis – Natural convection – Fin pointing upwards – Anodized Heatsink surface, emissivity 0.85 – Ambient temperature 45C – Conductivity – Extruded 210 W/mK – Die-Casted 130 W/mK

16. на базатоплинни изчисления, направени по метода с крайни елементи, с помощта на подходящ софтуер. Точността на метода зависи силно от стойността на т.нар. филмов коефициент, с който се определят условията на охлаждане. Този коефициент се задава от конструктора и именно тук се проявява натрупания опит – в правилния избор на подходяща стойност. Обикновено се задава стойност 20 W/m2K, но тя трябва да се разглежда само като първо приближение.

17. Точната стойност на този коефициент е трудна за изчисляване и не е константа, въпреки че често се приема за такава. Той зависи от формата на граничната повърхност между въздуха и радиатора, от ориентацията на тази повърхност, от размерите и от температурната разлика между въздуха и повърхността на радиатора. Обикновено, зависимостта на филмовия коефициент h от тези фактори се изразява във вид на бездименсионни равенства от типа:

18. тук: h- филмов коефициент, L- определящ размер на радиатора, (разгледан като плоска повърхнина), k - топлинна проводимост на въздуха, Nu - число на Нъселт, Gr- число на Грасхоф, Pr - число на Прандл, c, n – константи, определени от геометрични зависимости.

19. В термодинамиката са изведени изрази, даващи възможност за оценка на числената стойност на числата на Грасхоф и Прандл, но те, както и самия израз (5) са точни само за проста равнинна геометрия. Освен това, както се вижда от (5), те зависят и от 2 константи, които менят своята стойност в зависимост от ориентацията на радиатора. Филмовият коефициент може да се определи приблизително, чрез опростена формула: Тs – средна температура на повърхността на радиатора, Ta – температура на околната среда,а другите параметри са като по-горе.

20. Фиг. 2. Зависимост на филмовия коефициент от средната температура на повърхността на радиатора, за проста, равнинна форма на радиатора.

21. Зависимостта на филмовия коефициент, изчислен според (6), за различни случаи е показана на Фиг. 2. Както се вижда отФиг.2, филмовият коефициент, който определя точността на резултатите по МКЕ зависи и то значително от разположението на радиатора и от прегряването (тук прегряване се нарича разликата между температурата на радиатора и околната температура). За съжаление, на авторите не е известен метод, който да позволи точно аналитично определяне на филмовия коефициент, което да позволява той да бъде зададен предварително, без да се налага настройване на параметрите на МКЕ модела по експериментални данни [7,8].

22. Фиг. 3. Разпределение на температурата при светодиоден уличен осветител.

23. Колкото по-точен е модела на топлинните процеси в осветителя, по време на неговото проектиране, толкова по близко до „оптималния“ ще бъде реалният осветител. Топлинният режим на светодиодите определя основни експлоатационни характеристики на тези източници на светлина [9] –светлинен добив и живот. Това е илюстрирано със следващите фигури.

24. Фиг. 4 Изменение на светлинния поток на Cree XLamp MK-R, припостоянен ток If=700 mA.

25. Построяването на осветител, при който да се гарантира запазването на експлоатационните показатели за определено време изисква много точни модели, както се вижда от Фиг.3. Например, създаването на уличен осветител, при който да се гарантира необслужваема работа в продължение на десет години, при експлоатационен фактор, равен на 0,7 изисква поддържане на относително ниска температура на прехода. Повишаването на тази температура само с 10 градуса по Целзий, означава нарушаване на зададените условия [2] .

26. Фиг. 5. Влияние на температурния режим на светодиодите върху техния живот.

27. Създаването на достатъчно добри модели в момента изисква натрупване на сериозен опит. Всички инженерни подходи при изчисляване на топлинния режим – числени или аналитични изискват задаване на определен брой параметри, които могат да бъдат получени само експериментално [3]. Разбира се, това няма как да бъде направено по време на проектирането на нов осветител, затова в този случай трябва да се зададат стойности на параметрите (топлинно съпротивление или филмов коефициент) на база на опита на конструктора.

28. ИЗМЕРВАНЕ НА ТЕМПЕРАТУРАТА НА СВЕТОДИОДИ И СВЕТОДИОДНИ ОСВЕТИТЕЛИ • Измерването на температурата на прехода не е тривиална задача. Съществуват различни способи за това: • Измерване с контактен термометър, • Измерване с термовизионна камера, • Определяне на температурата на база температурната зависимост на пада на напрежение в права посока. • В повечето случаи се измерва температурата на радиатора или на точка в близост до светодиода, а температурата на прехода се изчислява. В никой случай не се допуска измерване с термометър поставен върху лещата.

29. Фиг. 6. Измерване на температурата с контактен сензор.

30. Измерване на температурата на LED осветители

32. Измерванията с термовизионна камера трябва да се правят много внимателно, за да се осигурят коректни резултати: Коефициентът на излъчване, зависещ от характеристиките на повърхността на радиатора, влияе много силно върху данните от термовизионната камера. Затова трябва да се направи специална подготовка, за да се намали влиянието на характерния блясък на обработение алуминий, да се използват тънки покрития, които не влияят на разпределението на топлинните потоци, да се използват някакви покрития (бои), които не препятстват разпространението на топлината и др. Да се използва едно и също разстояние, от което се провежда дистанционното измерване с термовизионната камера.

33. Измерването с термовизионата камера носи богата информация за разпределението на температурата върху охладителния корпус и може да се наблюдава във всички посоки – по дължината и по височината на корпуса. • Трябва да се провеждат паралелно измервания и с термочувствителниконтактни сензори на няколко места от охладителната повърхност.

34. ОПТИЧНА СИСТЕМА Управлението на светлинния поток може да се постигне с три различни техники: с рефлектор; с оптични лещи на всеки светодиод; с Френелова оптика с линеен растер. Използването на оптични лещи се разпространи масово от около 7-8 години. Може да се каже, че около 50-60% от производителите на светодиодни осветители използват лещи. Останалата част прилагат рефлектори за управление на светлинния поток. Конкретното приложение определя и оптималната СРК. Общоприето мнение е, че за вътрешно (офисно) осветление подходяща е кривата от Фиг. 7, а за улично осветление, оптимална е кривата от тип „криле на прилеп

35. Фиг. 7. СРК подходяща за офисно приложение.

36. Фиг. 8. Светлоразпределителна крива (СРК) от тип „батуинг“.

37. ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ОСНОВНИТЕ ПАРАМЕТРИ НА ОСВЕТИТЕЛЯ • Препоръчва се минимален брой критични параметри , описани по- долу, които трябва да бъдат определени и посочени от производителите на осветителите, за да отразят коректно изпълнението на техните продукти. • Препоръчваните пет параметъра , които трябва да се осигурят, са както следва: • Ефективност на осветителя (КПД); • Изходящ светлинен поток на осветителя; • Консумирана електрическа мощност на осветителя; • Корелирана цветна температура; • Индекс на цветопредаване;

38. Конструиране на оптична леща за осветител

39. Тези параметри не са достатъчни, за да характеризират напълно осветителя, но те осигуряват информацията, която позволява на потребителя да направи сравнение между предлаганите на пазара продукти. • Трябва да се гарантира стабилността на декларираните параметри на осветителя. При производството, често се променят доставчиците на компоненти, извършват се промени в схемите за управление, а често и в конструкцията на осветителя. При това е необходимо да се оцени влиянието на тези параметри и да не се допуска тяхното влошаване.

40. Оптична леща, шприцована от РММА

41. От 2008 г. в САЩ действа стандартаIESNA LM-79-2008, който определя начина на измерване на параметрите на осветителите. В този стандарт се използва абсолютна фотометрия и не се допуска параметрите на осветителя да се определят като суперпозиция от параметрите на компонентите, които го съставляват. Това е твърде често срещано представяне на производителите на светодиодно осветление, особено тези, които произлизат от електронната индустрия. Често стои изкушението, като светлинен поток на осветителя да се даде светлинния поток на светодиодите, вградени в него.

42. Ефективност на осветителя, светлинен поток и светлинен добив Тези параметъри може да се определят с помощта на кълбов фотометър или гониофотометър. Необходимо е да се отчете потока на осветителя, потока на източника, а консумираната мощност да включва всички загуби в осветителя. Светлинният добив често се променя при димиране, което също трябва да се вземе под внимание.

43. Корелирана цветна температура – Тс. • Корелираната цветна температура може да се определи чрез интегрираща сфера, но за това е необходима допълнителна апаратура. Като цветна температура на осветителя може да се посочи цветната температура на използваните светодиоди, но трябва да се знае, че има фактори, които могат да я променят. Това са: • Работният ток и температурата могат да въздействат на цветната температура на LED; • Отражателните повърхности или разсейвателите могат да променят спектралния състав на светлината; • Възможно е, дизайнът на осветителя да включва светодиоди с различна цветна

44. Индекс на цветопредаване Индексът на цветопредаване трябва да се определя по стандартната методика за определяне на Ra за конвенционални светлинни източници. Както и другите измервания, тук също трябва да се работи с осветител, намиращ се в установен режим.

45. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В доклада е обобщен опита на фирма Денима 2001 и на авторите при разработването на нови светодиодни осветители. Обърнато е специално внимание на приложението на компютърни модели за анализ на топлинните процеси и за симулиране на светлотехническите характеристики по време на изготвянето на конструкторската документация, когато не могат да се извършват практически измервания. Посочени са и основните параметри на осветителя, които трябва да бъдат определени експериментално, и то върху образци от основната серия.

46. БЛАГОДАРНОСТИ • Настоящият доклад е разработен с подкрепата на Фонд „Научни изследвания“.

48. Общ изглед на осветителя40 W

50. Данни заизмервателната апаратура • спектрорадиометър МК350 идентификационен № HS0313220158, тестов източникМК002, свидетелство за калибриране наUPRtek lab № А012001 / 2013/7/5 кълбов фотометър с диаметър 2м; • гониофотометър; • яркомер L 1003 при ъглово поле 1o, производител “LMT” Германия, идентификационен № 0686191, свидетелство за калибриране на национален център по метрология №130-ОИ/20.12.2010; • луксметър PU 550, идентификационен № 263621/2586, свидетелство за калибриране на METRA BLANSKO a.s.№2887/2012 от 19.12.2012;