Мощные светодиодные матрицы, тепловой режим

Среди множества осветительных приборов на основе мощных светодиодов, появившихся в настоящее время на рынке, большое распространение получили приборы, где в качестве светоизлучающего элемента используются мощные светодиодные матрицы.

Светодиодные матрицы бывают разные по исполнению, мощности, технологии изготовления.

Вот, если можно так выразиться, классическая матрица мощностью 50 ватт.

Такая матрица содержит пятьдесят одноваттных чипов, упакованных в корпус с медным основанием, и, естественно, она недешёвая. Очень часто для удешевления производители матриц применяют алюминий, что сокращает их наработку на отказ, и, в совсем дешёвых светодиодных матрицах, применяют обычный металл (легко проверяется магнитом), что и вовсе сокращает жизнь кристаллов в такой матрице до минимума.

Относительно новые матрицы - это матрицы, изготовленные по технологии СОВ (chip on Board). В такой матрице множество маломощных чипов посажены непосредственно на подложку, что уменьшает тепловое сопротивление между чипом и подложкой матрицы. В результате появилась возможность уменьшить размеры корпуса мощной матрицы, использовать в качестве основания алюминий или керамику, повысить в целом эффективность матрицы и, самое главное, существенно снизить цену самой светодиодной матрицы. Вот матрица СОВ.

Производители мощных матриц заявляют срок жизни от 50 000 до 100 000 часов. Но, чтобы добиться такой наработки, необходимо соблюдать ряд технических условий, таких как: параметры питания матрицы не должны превышать параметров, заявленных производителем для конкретного  типа матрицы, температура на кристаллах не должна превышать допустимую. И если параметры питания, как правило, соблюдаются, то с тепловым режимом всё не так однозначно.

Правильно организованное охлаждение светодиодной матрицы (здесь речь ведётся о качественных матрицах) обеспечит ей работу без спада светового потока и деградации кристаллов в течение времени, заявленном производителем этих самых матриц. И наоборот, перегрев матрицы чреват выгоранием люминофора (заметно по изменению цвета свечения, цвет уходит в синеву, вокруг кристаллов появляется чёрная каёмка), деградацией кристаллов, и, как следствие, снижением светового потока, или, попросту, обрывом проводников, которыми распаяны кристаллы в светодиодной матрице между собой.

Я не буду здесь делать обзор светотехнического оборудования на основе мощных светодиодных матриц, представленного на сегодняшний день на рынке. Исходя из своего опыта работы, опишу, как правильно организовать охлаждение светодиодной матрицы. 

Так как температуру на кристаллах матрицы замерить проблематично, то путём несложных расчётов было вычислено, что температура на подложке матрицы не должна превышать 65 - 68 градусов. Этот параметр легко измерить мультиметром с термопарой. Крепим термопару любым доступным способом к подложке матрицы, включаем мультиметр в режим измерения температуры и ждем (минимум час, а ещё лучше оставить часа на два-три), когда температура на подложке перестанет расти. Естественно, что если в вашем светильнике предполагается защитное стекло или линза над матрицей, то они должны стоять на месте, т.е. измерять надо в том виде, в котором светильник будет использоваться.

Для корпусов светильников на основе светодиодных матриц лучше всего использовать алюминий или его сплавы, но чем чище алюминий тем лучше. Дюральалюминий плохо подходит для наших целей, ведь наша задача - как можно быстрей отвести тепло от подложки матрицы и отдать его в окружающее пространство. Толщина металла под матрицей должна быть не менее 3.5 - 5 мм., это необходимо, чтобы тепло от подошвы матрицы успевало распределиться по всей длине радиатора. Корпус или радиатор должен иметь оребрение. Компьютерные радиаторы для этих целей подходят плохо, ведь они рассчитаны под активное охлаждение - проще говоря - для работы с вентилятором, и потому у них слишком невелико расстояние между рёбрами. Для пассивного охлаждения оптимальным считается расстояние между рёбрами в пределах одного сантиметра.

Поверхность, на которую устанавливается матрица, должна быть ровной, не иметь вмятин и раковин. Чем плотнее ляжет матрица, тем лучше.

Для более плотного прилегания светодиодной матрицы к поверхности радиатора и исключения образования под ней воздушных зазоров необходимо использовать теплопроводящую пасту, желательно, с как можно большей теплопроводностью. Паста наносится равномерно по всей поверхности подложки светодиодной матрицы. После чего матрица устанавливается на радиатор, плотно прижимается и притягивается винтами.

И хоть в последнее время эффективность светодиодных чипов значительно выросла, а значит выросла эффективность светодиодных матриц, проблема отвода тепла осталась. Просто, теперь возможно применение  корпуса/радиатора меньшей площади. Ну, а в дешёвых прожекторах по-прежнему используют старые запасы  светодиодных матриц, а корпус  изготавливают еще более тонкий. Ведь потребитель просит дешевле, а как это сделать?!  Только экономя на материалах, а значит на качестве.