[Z PRAKTYKI] Chłodzenie LED średniej i dużej mocy: jak to się robi i dlaczego jest to ważne?

Systemy oświetlenia LED-owymi źródłami światła coraz podbijają rynek, co tworzy konstruktorom urządzeń elektronicznych nowe obszary aplikacyjne i – w konsekwencji – wiele wyzwań konstrukcyjnych i edukacyjnych, co jest skutkiem powszechnie ignorowanych wymogów stawianych elementom otoczenia LED. Dokładne ich zrozumienie nie jest prostym zadaniem, bo na tym rynku ciągle panuje „Dziki Zachód”, co prawda pozbawiony kowboi w kapeluszach i butach z ostrogami, ale z ówczesnymi regułami…

Porównanie podstawowych cech i parametrów różnych źródeł światła (na podstawie danych opublikowanych przez amerykański Departament Energetyki) pokazano na rysunku 1. Jak widać, szacowany łączny roczny koszt eksploatacji LED-owego źródła światła jest znacznie niższy niż rozwiązań konkurencyjnych, co wynika z założonej podczas szacunkowych obliczeń ogromnej trwałości LED – sięgającej jak widać 50000 h pracy. Jak osiągnąć tak dobry wynik?

Rys. 1. Porównanie cech i parametrów różnych źródeł światła (dane amerykańskiego Departament Energetyki)

W powszechnym mniemaniu LED-y są energooszczędnymi, wysokosprawnymi, trwałymi, niezawodnymi, odpornymi na udary mechaniczne, do tego szybko taniejącymi źródłami dobrej jakości światła. Tak w rzeczywistości jest w większości przypadków, ale uzyskanie w realnej eksploatacji tak dobrych wyników jest możliwe pod kilkoma warunkami, z których jeden – zapewnienie dobrych warunków do odprowadzania ciepła z obudowy LED – omówimy w artykule.

Wielu konstruktorów planujących aplikowanie LED średniej i dużej mocy w swoich opracowaniach z wiarą bazuje na propagowanych przez producentów komunikatach sygnalizujących, że LED-y są elementami „energooszczędnymi”, „wysokosprawnymi” i „niezwykle trwałymi” (tu się zazwyczaj pojawia liczba 50000 czy nawet 100000 h ciągłej pracy). Te popularne przekazy są w znacznym stopniu prawdziwe, ale nie oznaczają, że wszystkie LED osiągają tak dobre wyniki, do tego w każdych warunkach.

Niestety w praktyce tak dobrze nie jest. Jednym z czynników najbardziej szkodliwych dla trwałości LED i utrzymania przez nie wartości strumienia świetlnego jest temperatura struktury półprzewodnikowej emitującej światło. Struktury LED grzeją się zdecydowanie mniej niż ma to miejsce w przypadku źródeł żarowych czy nawet CFL, ale ilość wytwarzanego ciepła jest na tyle duża, że konstruktorzy, którzy problem bagatelizują szybko przekonują się, że źle chłodzone LED są elementami o niskiej trwałości, małej niezawodności, do tego emitującymi światło o szybko malejącym strumieniu.

Rys. 2. Przykład „optymistycznej” deklaracji producenta: z danych opublikowanych w nocie katalogowej nie wynika co trzeba zrobić, żeby LED rzeczywiście poświecił 100000 h

Producenci LED zazwyczaj manipulują oficjalnie podawanymi danymi katalogowymi w taki sposób, żeby wykazać wyższość oferowanych wyrobów nad opracowaniami konkurencji (rysunek 2), w związku z czym dotarcie do konkretnych informacji – typu „jak wysoka może być temperatura struktury, nie wpływająca destrukcyjnie na żywotność lub trwałość LED?” – wymaga uważnego studiowania wykresów i danych podawanych w tabelach not katalogowych.

Rys. 3. Przykład nierealnych założeń termicznych, które utrudniają oszacowanie prawdziwej trwałości LED

Co wynika z zazwyczaj podawanych danych? W notach katalogowych mniej znanych producentów uwaga użytkownika jest zazwyczaj zwracana na duży strumień świetlny i długotrwałość funkcjonowania, przy czym producenci bardzo chętnie zakładają optymistyczne warunki pracy LED, jak na przykład temperatura obudowy wynosząca +25^oC (rysunek 3) czy też przyjęcie +25^oC jako temperatury referencyjnej, ale nie wiadomo do czego ta wartość się odnosi (rysunek 4).

Rys. 4. „Błąd” w nocie katalogowej jednego z producentów LED, zwiększający popełnienie błędu podczas dobierania LED do aplikacji

Rys. 5. Inny przykład manipulacji danymi katalogowymi (założona nierealnie niska temperatura złącza LED)