Исследование нагрева светодиодов компактного светильника для системы локального освещения

Введение. Одним из основных элементов системы динамического локального освещения клеток для содержания сельскохозяйственной птицы является компактный светодиодный светильник, который позволяет изменять уровень освещенности на нормируемой поверхности и цветовую температуру оптического излучения [1, 2]. Экспериментальный образец такого светильника представлен на рисунке 1. Конструктивные параметры светильника обоснованы в результате проведенных экспериментальных исследований [3]. Для обеспечения высокого уровня равномерности освещения дна кормушки в качестве корпуса светильника использована поликарбонатная труба-рассеиватель диаметром 25 мм длиной 90 мм с пазом под плату. Слепящий эффект от оптического излучения светодиодов (СИД) снижен за счет опаловой добавки в поликарбонате.

1 – труба-рассеиватель; 2 – заглушка; 3 – держатель светильника; 4 – сальник герметичный;

5 – питающий кабель

Рисунок 1 – Экспериментальный образец компактного светодиодного светильника

1 – diffuser pipe; 2 – plug; 3 – lamp holder; 4 – sealed stuffing box; 5 – power cable Figure 1 – An experimental sample of a compact LED lamp

В компактном светильнике использованы два высокоэффективных светодиода фирмы SAMSUNG типа LM561B Plus номинальной мощностью 0,2 Вт с разной коррелированной цветовой температурой (КЦТ). Светодиод «теплого» свечения с КЦТ 2700 K при токе 65 мА создает световой поток 32–34 лм, СИД «холодного» свечения с КЦТ 5700 K – 32,5–34,5 лм [4]. Обладающие высокой светоотдачей, до 192 лм/Вт, светодиоды LM561B Plus могут работать при токе до 180 мА, если обеспечивается должный теплоотвод и нет перегрева светоизлучающего кристалла.

В разработанном светильнике (рисунок 1) для создания освещенности до 25 лк на уровне дна кормушки СИД работают при токе 100 мА. Важной задачей проектирования светодиодных светильников является определение рабочей температуры светоизлучающего кристалла (TJ) СИД. От этого параметра зависит степень снижения светового потока в процессе эксплуатации, срок службы и надежность светильника [5, 6].

На печатной плате со светодиодами «теплого» и «холодного» свечения (рисунок 2 б ) для улучшения теплоотведения увеличена площадь медных проводников, к которым припаяны СИД (рисунок 2 а ). Сверху плата покрыта специальным защитным слоем маски (рисунок 2 б ). Для удобства выполнения подключений на плате припаяны трехконтактные самозажимные клеммники.

а                                             б а – исходная плата с медными дорожками; б – готовая плата с припаянными электронными компонентами

Рисунок 2 – Экспериментальный образец печатной платы со светодиодами

a – the original board with copper tracks; б – finished board with soldered electronic components Figure 2 – An experimental sample of a printed circuit board with LEDs

Целью исследования являлось локального освещения при разных типах определение температуры нагрева свето- печатной платы для светодиодов.

диодов компактного светильника системы

Методика исследования. Прямое измерение температуры ( T J ) светоизлучающего кристалла СИД весьма затруднительно. Поэтому практически используют различные методы косвенного определения T J [6–8]. Наиболее доступными являются методики, основанные на температурных изменениях падения прямого напряжения (Δ U ) на светоизлучающем кристалле, светового потока (Δ F ) СИД.

Для сравнения данных методов было проведено предварительное исследование, которое показало, что метод определения по Δ F не позволяет точно определить T J из-за инерционности используемого датчика освещенности [9]. На рисунке 3 представлено сравнение измерений во времени (горизонтальная ось) напряжений на СИД светильника и на выходе датчика освещенности. Для согласования уровней измеряемых напряжений с входным диапазоном АЦП использованы резистивные делители.

Рисунок 3 – Окно программы «Регистратор ЛА-70 и LAVP» с результатами измерений напряжения на выходе датчика освещенности (красная линия 1) и падения напряжения на СИД (зеленая линия 2), где: горизонтальная ось – время, с; вертикальная – напряжение, В

Figure 3 – The program window "Recorder LA-70 and LAVP" with the results of measuring the voltage at the output of the light sensor (red line 1) and the voltage drop on the LED (green line 2), where: the horizontal axis – time, s; vertical – voltage, V

Результаты исследования показали, что даже малая инерционность датчика освещенности ФС-03 [9] не позволяет отследить изменение температуры кристалла в первые доли секунды (рисунок 3) после включения СИД.

Дальнейшие детальные исследования рабочей температуры СИД проведены методом измерения ΔU, вызванного измене- нием температуры светоизлучающего кри- лабораторная установка, представленная на сталла СИД (ΔT). Для этого разработана рисунке 4.

1 – исследуемый компактный светодиодный светильник; 2 – подвес с креплениями для светильника;

3 – стабилизатор тока; 4 – блок питания на 12 В; 5 – тумблер; 6 – системный блок ПК;

7 – окно программы «Регистратор ЛА-70 и LAVP» Рисунок 4 – Лабораторная установка для проведения опытов

1 – researched compact LED lamp; 2 – lamp post; 3 – current stabilizer; 4 – power supply for 12 V; 5 – toggle switch; 6 – PC system unit; 7 – the program window "Recorder LA-70 and LAVP" Figure 4 – Laboratory setup for experiments

На условия работы светодиода существенное влияние оказывают материал платы, толщина основания платы (d), толщина слоя меди (dМ), площадь активной медной охлаждающей поверхности (SО). Экспери- менты проведены для трех типов плат с двумя СИД, длиной А, шириной B и площадью SО (таблица 1). Для каждого типа плат конструкции, представленной на рисунке 2, использовались 5 опытных образцов.

Таблица 1 – Параметры экспериментальных плат

Table 1 – Parameters of experimental boards

Тип Type	Материал основания Base material	A , мм	B , мм	d , мм	d М , мкм	S О , мм2
A	Стеклотекстолит (FR-4) Fiberglass (FR-4)	80	16	1,0	18	47,83
B	Стеклотекстолит (FR-4) Fiberglass (FR-4)	80	16	1,5	35	47,83
C	Алюминий (VT-4A2) Aluminum (VT-4A2)	80	16	1,0	35	47,83

Плата СИД располагалась в центре светильника (1) (рисунок 4), длиной 90 мм, закрепленного на подвесе (2). Стабилизация тока осуществлялась от высокоточного параметрического стабилизатора тока (3) на микросхемах LM317T. В качестве источника постоянного напряжения применялся блок питания 12 В (4). Подача питания на СИД осуществлялась с помощью тумблера (5). Напряжение на светодиодах измерялось через делитель напряжения и регистрировалось с помощью АЦП LA70M4, установ- ленного в системном блоке ПК (6). Запись значений на ПК проводилась с помощью программы «Регистратор ЛА-70 и LAVP» (7). Полученные экспериментальные данные обрабатывались в программе MS Office Excel.

Эксперимент проводился при одновременной работе двух СИД, подключенных последовательно при питании стабилизированным током 100 мА. Плата стабилизатора предварительно прогревалась для исключения влияния температурного дрейфа параметров. Период опроса платы в начальный интервал времени от 0 до 10 с от подачи питания на СИД составлял 2 мс, затем – 1 с до общего времени работы 720 с для гарантированного выхода температуры светоизлучающего кристалла СИД на установившийся уровень. С целью снижения помех свободные входы мультиплексора АЦП и экран кабеля измерения напряжений под- ключались к минусовой клемме блока питания.

Результаты исследования. Исходные данные 15-ти опытов ввиду их объемности в статье не приведены. На первом этапе обработки экспериментальных данных был отобран полезный сигнал, проведена первичная нормализация сигнала относительно фонового напряжения смещения. Затем сигнал на делителе напряжения был нормализован к напряжению на одном СИД.

Для расчета T J необходимо было определить Δ U при изменении Δ Т . Анализ обработанных данных показал, что основное Δ U , вызванное нагревом светоизлучающего кристалла, наблюдается на интервале времени 0–250 с, представленном на графике (рисунок 5), где: U СИД – напряжение на светодиоде, t – время.

Рисунок 5 – График изменения напряжения на светодиоде

Figure 5 – Diagram of voltage change on the LED

В таблице 2 представлен расчет TJ. В качестве начального напряжения (UНАЧ) было принято максимальное зафиксированное значение UСИД. Установившееся напряжение (UУСТ) определялось как среднее значение 10-ти последних измерений в конце интервала времени 720 с. Вычисленное значение ΔU пересчитывалось в изменение ΔТ через температурный коэффициент, равный – 0,0017182 [10]. Искомая величина TJ определялась суммированием ΔТ с началь- ным значением температуры кристалла СИД, принятым равным температуре окружающей среды в помещении (ТА).

Для первого опыта платы типа А рассчитанное значение ΔU и ΔТ равно 2,032% и 35,87 °С соответственно. Величина TJ при ТА = 25 °С составила 60,87 °С. Аналогичным образом расчет выполнялся для остальных опытов, представленных в таблице 2.

Таблица 2 – Расчет температуры светоизлучающих кристаллов СИД

Table 2 – Temperature calculation of LED light-emitting crystal

Тип Type	Опыт Experiment	U НАЧ , В	U УСТ , В	Δ U , %	Δ Т , °С	Т А , °С	T J , °С	Т J_С , °С
1	2	3	4	5	6	7	8	9
A	1	3,032	2,971	2,032	35,87	25	60,87	57,36 ±2,79
	2	3,021	2,972	1,611	28,33	25	53,33
	3	3,010	2,954	1,866	32,69	25	57,69
	4	3,014	2,956	1,914	33,58	25	58,58
	5	3,007	2,953	1,792	31,36	25	56,36
B	1	3,021	2,979	1,405	24,70	25	49,70	50,35 ±4,48
	2	3,000	2,966	1,144	19,97	25	44,97
	3	3,021	2,966	1,838	32,32	25	57,32
	4	3,036	2,995	1,352	23,89	25	48,89
	5	3,013	2,968	1,476	25,89	25	50,89
C	1	3,004	2,967	1,210	21,15	25	46,15	41,74 ±3,58
	2	3,000	2,966	1,144	19,97	25	44,97
	3	3,025	3,000	0,840	14,79	25	39,79
	4	3,013	2,988	0,844	14,79	25	39,79
	5	2,995	2,972	0,747	13,02	25	38,02

Выводы. Среднее значение температуры светоизлучающего кристалла СИД (ТJ_С) на всех платах составило менее 60 °С (таблица 2), что обеспечивает благоприятный температурный режим работы и способствует их длительному сроку службы. Ожидаемо наименьшее ТJ_С=41,74 °С наблюдалось на плате из фольгированного алюминия. Разница в ТJ_С плат, выполненных из стеклотекстолита, составила 7,01 °С.

С практической точки зрения при рабочем токе 100 мА целесообразно применение платы типа А с более низкой стоимо- стью изготовления (на 7,6% и 36,2% меньше соответственно плат типа В и С.) Ориентировочный срок службы светодиодов в таком температурном режиме работы составит около 90 тыс. ч. При повышении рабочего тока СИД предпочтительнее палаты типа В или С, обладающие более эффективной теплоотдачей.