Modelowanie modułów LED z uwzględnieniem zjawisk cieplnych

Transkrypt

1 dr hab. inż. Krzysztof Górecki, prof. nadzw. AMG mgr inż. Przemysław Ptak Wydział Elektryczny Akademia Morska w Gdyni ul. Morska 83, Gdynia Modelowanie modułów LED z uwzględnieniem zjawisk cieplnych Słowa kluczowe: diody LED mocy, zjawiska cieplne, modelowanie STRESZCZENIE W pracy rozważany jest problem modelowania modułów LED przy wykorzystaniu programu SPICE. Przedstawiono elektrotermiczny model takiego modułu uwzględniający zarówno zjawiska elektryczne w poszczególnych diodach LED, samonagrzewanie oraz wzajemne sprzeżenia cieplne między diodami zawartymi w tym module. Poprawność modelu zweryfikowano doświadczalnie zarówno w warunkach pracy statycznej, jak i dynamicznej dla wybranego modułu LED typu. Uzyskano dobrą zgodność między wynikami obliczeń i pomiarów. 1. WPROWADZENIE Półprzewodnikowe źródła światła są coraz powszechniej stosowane w technice oświetleniowej [1, 2]. Podstawowym składnikiem takich źródeł są diody LED mocy. Ze względu na ograniczenie dopuszczalnej wartości prądu przewodzenia tych elementów, warunkującego także ograniczenie wartości emitowanego strumienia świetlnego [3], typowo w lampach LED stosuje się zespoły diod LED, zamiast pojedynczych diod świecących [4]. Wspomniane zespoły diod LED są montowane na wspólnym podłożu dobrze przewodzącym ciepło, tworząc moduły LED [3, 4]. Jak wiadomo [4, 5], w czasie pracy rozważanych elementów półprzewodnikowych temperatura ich wnętrza wzrasta na skutek zjawisk cieplnych samonagrzewania oraz wzajemnych sprzężeń cieplnych między elementami umieszczonymi na wspólnym podłożu [5]. W celu uwzględnienia wpływu tych zjawisk na charakterystyki elektryczne i optyczne oraz na temperaturę wnętrza tych elementów niezbędne są elektrotermiczne modele rozważanych elementów [6, 7]. W pracach [4, 8] przedstawione zostały modele diod LED uwzględniające ich właściwości elektryczne, ale w pracach tych pominięte zostały zjawiska cieplne. Z kolei, elektrotermiczne modele diod LED zostały uprzednio zaproponowane w pracach [5] oraz [9]. W obu rozważanych modelach uwzględniono zjawisko samonagrzewania, a w pracy [5] dodatkowo uwzględniono wzajemne sprzężenia cieplne między diodami LED. W obu cytowanych pracach pominięto inercję cieplną. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki pomiarów i obliczeń charakterystyk modułu LED zawierającego 4 diody umieszczone na wspólnym podłożu i stosowane w lampie LED firmy OSRAM. W kolejnych rozdziałach przedstawiono postać zastosowanego modelu oraz XIV Krajowa Konferencja Elektroniki 1

2 uzyskane wyniki badań rozważanego modułu LED pracującego zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych. 2. ELEKTROTERMICZNY MODEL MODUŁU LED Na rys.1 pokazano rozmieszczenie diod LED na powierzchni badanego modułu. Moduł ten zawiera 4 diody LED połączone szeregowo, a środki geometryczne tych diod znajdują się w odległości 13 mm od środka geometrycznego rozważanego modułu. Podłoże modułu stanowi płytka drukowana z rdzeniem metalowym (MCPCB). D3 D4 - + D2 D1 Rys.1. Rozmieszczenie diod LED w module Reprezentację obwodową elektrotermicznego modelu modułu LED pokazano na rys.2. Model ten zawiera 4 identyczne bloki reprezentujące model elektryczny i optyczny każdej diody LED oraz skupiony model termiczny modułu, umożliwiający wyznaczenie temperatury wnętrza każdej z diod przy uwzględnieniu samonagrzewania oraz wzajemnych sprzężeń termicznych między tymi elementami. Opis modelu elektrycznego oraz modelu optycznego diody LED przedstawiono w pracach [5, 9] i nie będzie on w niniejszej pracy przedstawiany w szczegółach. Rys.2. Reprezentacja obwodowa elektrotermicznego modelu modułu Model elektryczny każdej z diod uwzględnia składową dyfuzyjną i generacyjnorekombinacyjną prądu, uzależnioną od temperatury zgodnie wzorem podanym m.in. w pracy [5] oraz rezystancję szeregową wykazująca liniową zależność od temperatury. Zaciski elektryczne poszczególnych diod oznaczają pary wyprowadzeń A1, K1, A2, K2, A3, K3 oraz A4, K4. Model optyczny opisuje zależność natężenia oświetlenia od prądu przewodzenia diody oraz od temperatury, w postaci przedstawionej w pracy [5]. Napięcie na wyprowadzeniach E1, E2, E3 oraz E4 odpowiada natężeniu oświetlenia emitowanego przez poszczególne diody. Sposób wyznaczenia wartości parametrów elektrycznych i optycznych występujących w modelu diody LED mocy opisano w pracy [5]. Model termiczny umożliwia wyznaczenie wartości temperatury wnętrza każdej z diod występujących w rozważanym module. Wartości tej temperatury odpowiadają napięciom 2

3 odpowiednio w węzłach T j1, T j2, T j3 oraz T j4. Sterowane źródła prądowe G 1, G 2, G 3 i G 4 reprezentują moce cieplne wydzielane w poszczególnych diodach rozważanego modułu. Sieć RC widoczna na rys.2 reprezentuje własne i wzajemne przejściowe impedancje termiczne w rozważanym module. Elementy R 11, C 11, R 21, C 21, R 31, C 31 oraz R 41, C 41 modelują przepływ ciepła między strukturami półprzewodnikowymi poszczególnych diod a płytką MCPCB. W modelu przyjęto, że temperatura tej płytki jest jednakowa i równa napięciu w węźle T C. Pozostałe elementy RC charakteryzują przepływ ciepła między płytką MCPCB a otoczeniem, zaś liczba tych elementów RC zależy od wykorzystywanego układu chłodzenia. W prezentowanym modelu przyjęto, że wszystkie diody zawarte w module są identyczne. Dlatego pojemności C 11, C 21, C 31, C 41 oraz rezystancje R 11, R 21, R 31, R 41 mają identyczne wartości. Źródło napięciowe V Ta reprezentuje temperaturę otoczenia T a. Moc cieplna wydzielana w każdej diodzie stanowi różnicę między mocą elektryczną pobieraną przez tę diodę ze źródła zasilania i mocą emitowanego promieniowania. Zgodnie z zależnością uzasadnioną w pracy [9], moc optyczna stanowi iloczyn mocy elektrycznej oraz sprawności konwersji energii elektrycznej na światło. Sprawność ta jest proporcjonalna do skuteczności świetlnej diody LED, podawanej przez producenta. Wyznaczenie wartości elementów modelu termicznego wymaga zmierzenia własnej przejściowej impedancji termicznej każdej diody oraz przejściowej impedancji termicznej między poszczególnymi parami tych diod. Sposób pomiaru tych przejściowych impedancji termicznych opisano w pracach [5, 1], natomiast algorytm wyznaczania wartości elementów RC w modelu termicznym w postaci sieci Cauera opisano w pracy [11]. Należy podkreślić, że elementy RC reprezentujące przepływ ciepła między wnętrzem diody a płytką MCPCB wyznaczane są w oparciu o róznicę między zmierzonymi przebiegami własnej i wzajemnej przejściowej impedancji termicznej. 3. WYNIKI OBLICZEŃ I POMIARÓW Wykorzystując elektrotermiczny model modułu obliczono nieizotermiczne charakterystyki tego modułu pracującego przy róznych warunkach zasilania i chłodzenia. Uzyskane wyniki obliczeń porównano z wynikami pomiarów. Na rys. 3-7 przedstawiono uzyskane wyniki obliczeń i pomiarów, które oznaczono odpowiednio za pomocą linii i punktów. Badania przeprowadzono dla modułu umieszczonego na aluminiowym radiatorze o wymiarach 8x18x118 mm (), na aluminiowym radiatorze o wymiarach 2x1x75 mm () i dla modułu pracującego bez radiatora. Oczywiście, dla wszystkich rozważanych warunków chłodzenia badanego modułu uzyskano inne wartości parametrów modelu termicznego. Przykładowo, wartości własnych rezystancji termicznych poszczególnych diod wynoszą od 13 K/W dla modułu umieszczonego na dużym radiatorze do 42 K/W dla modułu pracującego bez radiatora, a wartości wzajemnych rezystancji termicznych od 6 do 32 K/W. W przeciwieństwie do modelu modułu z pracy [12] uwzględniono zróżnicowanie wartości parametrów optycznych poszczególnych diod. Rys. 3 ilustruje wpływ wzajemnych sprzężeń termicznych między diodami umieszczonymi w badanym module na zmianę temperatury ich wnętrza w czasie chłodzenia. W chwili t = w module panował stan termicznie ustalony. Przedtem jedynie przez jedną diodę (nazywaną grzejnikem) płynął prąd o wartości 35 ma, a od chwili t = przez wszystkie diody płynął stały prąd o małej wartości równej 1 ma. Na rysunku tym, linie ciągłe oznaczają zmiany temperatury grzejnika, a linie kreskowe zmiany temperatury pozostałych diod, nazywanych czujnikami. Jak należało oczekiwać, wzrost rozmiarów radiatora powoduje zmniejszenie wartości T j. Różnica między wartościami temperatury grzejnika i czujnika wynosi w chwili t = XIV Krajowa Konferencja Elektroniki 3

4 około 13 o C bez względu na warunki chłodzenia modułu. Wynika to ze sprzeżeń termicznych między diodami umieszczonymi w tym samym module, które nie są uzaleznione od zewnętrznego systemu chłodzenia. Oczywiście, w stanie ustalonym temperatury grzejnika i czujników są identyczne i równe temperaturze otoczenia. 6 5 Tj [ o C] , t [s] Rys.3. Obliczone i zmierzone czasowe przebiegi przyrostu temperatury wnętrza grzejnika i czujnika w module CLA 25 przy różnych warunkach jego chłodzenia Na rys.4 przedstawiono obliczone i zmierzone czasowe przebiegi temperatury w czasie studzenia rozważanego modułu po uzyskaniu w nim stanu ustalonego w chwili t =. Przed rozpoczęciem studzenia, przez wszystkie, połączone szeregowo diody modułu płynął prąd o wartości 35 ma. Jak można zauważyć, na skutek wzajemnych sprzężeń termicznych między diodami zawartymi w badanym module, obserwuje się nawet trzykrotnie większy przyrost temperatury diody zawartej w module. Obserwowany przyrost jest tym większy, im gorsze są warunki chłodzenia rozważanego modułu. Warunki te są charakteryzowane przez wzajemną przejściową impedancję termiczną między diodami zawartymi w module. Splot tej impedancji i mocy wydzielanej w module decyduje o temperaturze podłoża modułu. T j [ºC] , t [s] Rys.4. Obliczone i zmierzone czasowe przebiegi przyrostu temperatury wnętrza diody zawartej w module przy różnych warunkach jego chłodzenia Na rys.5 pokazano obliczone i zmierzone czasowe przebiegi natężenia oświetlenia emitowanego przez rozważany moduł pracujący przy różnych warunkach chłodzenia i zasilany uskokiem prądu o amplitudzie równej 35 ma, płynącego przez wszystkie diody zawarte w module. Jak można zaobserwować, zależność E(t) jest funkcją malejącą na skutek wzostu temperatury wnętrza diod zawartych w badanym module. Wyraźnie widać, że przy zastosowaniu dużego radiatora spadek wartości natężenia oświetlenia jest prawie niewidoczny, a przy braku radiatora dochodzi nawet do 15%. 4

5 35 33 E [lx] t [s] Rys.5. Obliczone i zmierzone czasowe przebiegi natężenia oświetlenia emitowanego przez moduł CLA 25 przy różnych warunkach jego chłodzenia Rys.6 ilustruje zależność natężenia oświetlenia emitowanego przez rozważany moduł od prądu zasilania w stanie ustalonym E [lx] I [ma] Rys.6. Obliczone i zmierzone zależności natężenia oświetlenia emitowanego przez moduł CLA 25 od prądu zasilania przy różnych warunkach jego chłodzenia Widać, że zależność E(I) jest funkcją rosnącą, a pogarszanie warunków chłodzenia modułu powoduje spadek wartości natężenia oświetlenia. Spadek ten rośnie w funkcji prądu zasilania, dochodząc nawet do kilkunastu procent T C [ o C] I [ma] Rys.7. Obliczone i zmierzone zależności temperatury modułu CLA 25 od prądu zasilania przy różnych warunkach jego chłodzenia Rys. 7 ilustruje obliczone i zmierzone zależności temperatury podłoża modułu T C od prądu przewodzenia. Na rysunku tym dodatkowo zaznaczono liniami kreskowymi obliczone XIV Krajowa Konferencja Elektroniki 5

6 zależności temperatury wnętrza diody zawartej w tym module od prądu zasilania. Jak widać, zarówno temperatura modułu, jak i temperatura wnętrza diody są rosnącymi funkcjami prądu zasilania. Temperatura modułu wzrasta w rozważanym zakresie zmian prądu zasilania nawet do 9 o C. 4. PODSUMOWANIE W pracy przedstawiono wyniki badań symulacyjnych i pomiarowych modułu LED typu CLA 25, stosowanego w lampach LED. Zaproponowano elektrotermiczny model tego modułu LED dla programu SPICE, uwzględniający właściwości elektryczne, optyczne i cieplne zawartych w nim diod. Skupiono uwagę na modelowaniu zjawisk cieplnych w tym module, tzn. samonagrzewania i wzajemnych sprzężeń termicznych między diodami zawartymi w tym module. Poprawność opracowanego modelu zweryfikowano doświadczalnie dla rozważanego modułu pracującego przy różnych warunkach chłodzenia. Uzyskano dobrą zgodnośc między wynikami obliczeń i pomiarów zarówno dla modułu pracującego w warunkach statycznych, jak i dynamicznych. Zgodność ta potwierdza poprawność opracowanego modelu. Przedstawione wyniki obliczeń i pomiarów potwierdzają istotny wpływ zjawisk cieplnych na temperaturę wnętrza i natężenie oświetlenia uzyskiwane z modułu LED. BIBLIOGRAFIA 1. B. Weir: Driving the 21 st Century s Lights. IEEE Spectrum, Vol. 49, No. 3, 212, pp B. Mroziewicz: Biało-świecące diody LED rewolucjonizują technikę oświetleniową. Elektronika, No. 9, 21, pp E. F. Schubert: Light-Emitting Diodes. Cambridge Univ. Press, C.J.M. Lasance, A. Poppe: Thermal Management for LED Applications. Springer Science+Business Media, New York, K. Górecki, The influence of mutual thermal interactions between power LEDs on their characteristics. 19 th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems Therminic, Berlin, 213, pp J. Zarębski: Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych. Prace Naukowe Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, Gdynia, W. Janke: Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych. WNT, Warszawa A. Poppe, A step forward in multi-domain modeling of power LEDs. 28th Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium (SEMI-THERM), 212, San Jose, pp K. Górecki: Electrothermal model of a power LED for SPICE. International Journal of Numerical Modelling Electronic Network, Devices and Fields, Vol. 25, No. 1, 212, pp K. Górecki, Measurements of thermal resistance of power LEDs. Microelectronics International, Vol. 31, No. 3, 214, pp K. Górecki, J. Zarębski: Estymacja parametrów modelu termicznego elementów półprzewodnikowych. Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, No. 3, 26, pp K. Górecki, P. Ptak: Modelling mutual thermal coupling in LED modules. Proceedings of 38 th International Conference IMAPS-CPMT Poland 214, Rzeszów-Czarna, 214, paper

7 Modelling of LED modules with thermal phenomena taken into account Key words: power LEDs, thermal phenomena, modelling ABSTRACT In the paper the manner of the modelling of LED modules with the use of the program SPICE is presented. The electrothermal model of such module taking into account both electric phenomena in each LED, self-heating and mutual thermal coupling between diodes contained in this module is proposed. The correctness of the model is verified experimentally both in the steady state and in dynamic conditions of LED module. The good agreement between results of calculations and measurements is obtained. Fig.1. Location of power LEDs in the module Fig.2. The network representation of the electrothermal model of the module. Fig.3. Calculated and measured waveforms of internal temperature excess of heater and sensor in the module CLA 25 at different cooling conditions Fig.4. Calculated and measured waveforms of internal temperature excess of a diode situated in the module CLA 25 at different cooling conditions Fig.5. Calculated and measured waveforms of illuminance emitted by the module CLA 25 at different cooling conditions Fig.6. Calculated and measured dependences of illuminance emitted by the module CLA 25 on forward current at different cooling conditions Fig.7. Calculated and measured dependences of temperature of the module CLA 25 on forward current at different cooling conditions XIV Krajowa Konferencja Elektroniki 7