Публикации
Светоизлучающие диоды
Несмотря на строгое разделение светодиодов по прямому напряжению, допускаемые производственные отклонения могут вызывать серьёзные расхождения в потребляемом токе и температуре внутри диодов, что в результате приведёт к неоднородному распределению света диодов даже из одной партии. Эти расхождения также негативно сказываются на факторе, определяющем экономическую целесообразность покупки изделия: продолжительность срока службы.
Компания Zumtobel, ведущий поставщик интегральных светотехнических решений в области профессионального освещения зданий, попыталась исследовать проблему светодиодов через тесно взаимосвязанные процессы тепловых и электрических характеристик светодиодов с использованием совместного моделирования STAR-CCM+ и NGSPICE.
СВЯЗАННЫЙ ЭЛЕКТРО-ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СВЕТОДИОДОВ
СВЕТОДИОДЫ
На рисунке 1 показаны вольт-амперная характеристика (I – V) обычного диода. При подачи прямого напряжения, как и в случае с любым диодом, ток не течёт до тех пор, пока напряжение не достигнет высокого уровня, достаточного для того, чтобы перескочить определённый порог, после чего ток начинает течь свободно в нормальном проводящем направлении. Характеристики тока и напряжения светодиодов влияют на цвет и яркость (интенсивность) излучаемого света. Другими словами, хотя в своей основе поведение всех светодиодов одинаково, излучаемый ими свет во многом зависит от отдельных характеристик тока и напряжения.
Часто инженерам приходится сталкиваться с более обыденными задачами: как сделать уже существующий на рынке продукт или идею лучше, быстрее, компактнее, легче, дешевле или усовершенствовать каким-либо другим образом.
Беспрецедентное экономическое давление и рост международной конкуренции заставляют фармацевтические компании постоянно искать способы получения конкурентного преимущества на рынке за счёт повышения эффективности...
Рисунок 1: Прямое и обратное напряжение диода/светодиода
ЭЛЕКТРО-ТЕПЛОВЫЕ ПРОБЛЕМЫ СВЕТОДИОДОВ
Хотя принцип работы диода довольно прост, в действительности разработка осветительного устройства, производящего постоянный свет (постоянная яркость и цвет), может быть весьма непростой задачей из-за ряда уникальных рабочих характеристик светодиодов. Производственные расхождения (как в материале, так и процессах) часто вызывают неожиданные электрические реакции светодиодов. Как обсуждалось выше, выходное оптическое излучение (общее количество и спектр) сильно зависит от электрической энергии (напряжение и ток). Несоответствие характеристик тока и напряжения вследствие производственных расхождений также показано на рисунке 1. Сортировка светодиодов на отдельные партии со схожими рабочими характеристиками сужает эти различия, но не устраняет их.
Выбор схемы подключения светодиодов – независимо от того, соединены они в электрической цепи последовательно или параллельно – также значительно влияет на чувствительность цепи к расхождению параметров (Рисунок 2). Чтобы выход из строя одного светодиода не привёл к сбою всей цепи, их зачастую подключают параллельно. Это означает, что каждый источник света в цепи работает с одним напряжением (в противоположность последовательному подключению, где они получают один и тот же ток). Таким образом, «рабочая» зона светодиодов находится на участке кривой характеристик, резко поднимающемся вверх. В результате светодиоды имеют большую чувствительность к производственным расхождениям, даже в пределах одной партии.
Рисунок 2: Светодиоды, подключённые параллельно, имеют высокую чувствительность к производственным расхождениям
Как и компьютерный чип, светодиод очень чувствителен к изменениям температуры. Рабочая температура не только влияет на срок его службы, но и определяет выходное оптическое излучение (светоотдачу, воспринимаемую глазом) и тепловые характеристики (количество рассеиваемой тепловой энергии) светодиодного осветительного устройства. Такие проблемы, как искажение цвета (изменение цвета с течением времени) и ослабление света (потеря яркости света), вызванные изменением температуры, могут сильно смутить производителей. Целесообразность покупки светодиодов определяется тем, что они могут работать 8 часов в день в течение 15-30 лет, однако при неправильном тепловом расчёте полный потенциал диода так и не будет раскрыт.
Некоторые производственные расхождения, описанные выше, могут быть смягчены за счёт действенной схемы электрорегулирования. Однако для разработки эффективного светодиодного осветительного устройства, производящего свет с устойчивым цветом и яркостью, необходимо выполнить взаимосвязанный электро-тепловой расчёт, который рассматривает взаимозависимость между реакцией электрической цепи, температурой, рассеиваемым теплом и охлаждением.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРО-ТЕПЛОВОГО ПОВЕДЕНИЯ СВЕТОДИОДА
Компания Zumtobel связала код STAR-CCM+ (вычислительный инструмент для моделирования потока/теплового поведения) с кодом NGSPICE (общедоступное программное обеспечение для моделирования электронных схем), что позволило точно рассчитать эффекты взаимодействия в электро-тепловом поведении светодиодов. Обмен данными между кодами осуществлялся посредством интерактивных макросов JAVA.
На рисунке 3 показан сопряжённой электро-тепловой расчёт светодиода. NGSPICE рассчитывает схему электрической цепи, включая прямое напряжение и прямой ток светодиодов. Компания Zumtobel разработала свой собственный метод, позволивший определить электрическую мощность, а поддерживаемые в STAR-CCM+ температуры помогли вычислить оптическая мощность (количество энергии, представляющей собой видимый свет). Удельный расход тепла (часть мощности, которая рассеивается в виде тепла) можно рассчитать, вычитая мощность излучения из электрической мощности. Затем тепловая мощность передаётся в код STAR-CCM+, который, в свою очередь, вычисляет все температуры в системе, которые затем обратно передаются в NGSPICE для следующего шага моделирования. Как обсуждалось выше, температуры оказывают значительное влияние на электрические характеристики светодиода, таким образом, этот цикл повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто равновесного состояния.
Рисунок 3: Электро-тепловой расчёт с помощью STAR-CCM+ и NGSPICE
Результаты моделирования были проверены на испытательной модели светильника, состоящей из двух светодиодов, подключенных в параллель, закреплённых на алюминиевой основе, которая находилась на деревянном столе (Рисунок 4). Эта модель была тщательно испытана в лаборатории, поскольку она является одной из стандартных тестовых конфигураций Zumtobel. Для измерения тока и напряжения каждого светодиода использовался четырёхполюсный метод. Температура была определена с помощью термопары (тип Т) в отдельных точках медной пластины. Печатная плата (Printed Circuit Boards (PCB) , радиаторы и их расположения использовались в качестве точек привязки для теплового моделирования. Кроме того, во время испытания было выполнено параметрическое исследование с целью лучше понять влияние допускаемых производственных отклонений (например, толщина выводов, теплопроводность) на тепловое поведение системы. Важно также упомянуть, что с одним из светодиодов последовательно соединён амперметр, который увеличивает сопротивление на этом участке цепи. В результате, каждый из светодиодов в цепи должен иметь свою собственную электрическую реакцию и рабочие температуры.
Рисунок 4: Испытательная модель светильника, состоящая из двух светодиодов, соединённых параллельно
Для данного моделирования использовались свойства геометрии и материалов светодиодов, обеспеченные производителем. Для уменьшения времени расчетов использовалась полусимметрия. Чтобы учесть влияния амперметра, в задаче был смоделирован резистор ограничения тока, соединённый последовательно с одним из светодиодов в цепи. Как видно из рисунка 5, значительное внимание в моделировании уделялось таким важным деталям системы, как печатная плата на металлической основе (Metal-Core Printed Circuit Board (MCPCB)) с медными примесями, плата светодиода (с электрическими соединениями), все элементы вплоть до полупроводникового кристалла. Ключевым моментом для расчёта STAR-CCM+ было точно определить физику, включая охлаждение посредством естественной конвекции и предельные температуры полупроводникового кристалла. Уникальная технология построения сеток STAR-CCM+ обеспечила точность расчёта. На рисунке 6 показана согласованная многогранная сетка для этой задачи. Возможность экструзии позволила построить эффективную сетку для окружающего воздуха и охватить небольшие физические особенности в сердечнике светодиода. Поток и тепловое поведение системы были вычислены с помощью стационарного расчёта с использованием решателей разделённого потока и энергии.
Рисунок 5: Модель светильника STAR-CCM+ состоит из печатной платы, светодиодной платы и полупроводникового кристалла
Рисунок 6: Согласованная сетка, охватывающая все детали модели в STAR-CCM+
На рисунке 7 показан скриншот связанного интерфейса, который помогает отслеживать параметры различных систем в интерактивном режиме, включая прямой ток через каждый светодиод и изменение температур кристалла по мере развития решения. Во время запуска расчёта была проведена инициализация (нулевое приближение) тока, температуры и оптической мощности. Во время моделирования для каждого отдельного шага NGSPICE были выполнены десять шагов STAR-CCM+. После примерно 200 итераций STAR-CCM+ (на что потребовалось всего около 20 минут времени моделирования на ноутбуке) прямой ток начал сходиться, а температура кристалла установилась. Полная сходимость решения была достигнута после примерно 50 обновлений между NGSPICE и STAR-CCM+.
Рисунок 7: Интерфейс NGSPICE и STAR-CCM+ после 20 обновление (200 итераций STAR-CCM+)
На рисунке 8 показаны поверхностные температуры твёрдых тел системы. Моделирование показало именно те результаты, которые и ожидались: повышение сопротивления из-за наличия амперметра (в моделировании его роль выполняет резистор ограничения тока) и значительную разницу конечных температур в каждом светодиоде. Также показано поле скоростей с визуализацией ожидаемой естественной конвекцией воздуха, охлаждающего систему.
Рисунок 8: Итоговое решение, показывающее температуры твёрдых тел и движение тока вокруг каждого светодиода
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В последние годы светодиоды получили огромную популярность вследствие компактных размеров, высокой эффективности и длительного срока службы. Чтобы оправдать такие запросы, на этапе разработки светодиодов должны учитываться взаимозависимости между реакцией электрической цепи, температурой, тепловым рассеиванием и охлаждением. Для таких компаний, как Zumtobel, обеспечение постоянного света с постоянной яркостью и цветом имеет решающее значение для успеха продаж, а выполнение электро-тепловых расчётов на раннем этапе разработки облегчает определение мощности светильника и позволяет не создавать и не испытывать физический прототип.
СПРАВКА О КОМПАНИИ ZUMTOBEL
Zumtobel, компания в составе концерна Zumtobel Group, является ведущим мировым поставщиком светотехнических решений в области профессионального внутреннего и наружного освещения зданий. Уже более 50 лет Zumtobel разрабатывает инновационные и индивидуальные световые решения, в которых учитываются эргономические, экономические и экологические требования и используются эстетические эффекты света. Современнейшие технологии и научно-исследовательские разработки вместе с многолетним опытом участия компании в проектах с ведущими мировыми архитекторами, свето-дизайнерами и художниками способствует и обеспечивает непрерывное развитие всеобъемлющего портфолио продуктов компании.
