Телефон: +7 (383)-235-94-57

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ УСЛОВИЙ РАБОТЫ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ

Опубликовано в журнале: Инженерные решения №1(2)

Автор(ы): Гладковский Виктор Иванович, Борушко Вадим Васильевич

Рубрика журнала: Математические и компьютерное моделирование

Статус статьи: Опубликована 18 января

DOI статьи: 10.32743/2658-6479.2019.1.2.29

Библиографическое описание

Гладковский В.И., Борушко В.В. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ УСЛОВИЙ РАБОТЫ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ // Инженерные решения: эл.научный журнал. –2019 – №1(2). URL: https://journaltech.ru/archive/2/29 (дата обращения: 13.11.2019). DOI: 10.32743/2658-6479.2019.1.2.29

Гладковский Виктор Иванович

канд. физ.-мат. наук, доц. БрГТУ,

Беларусь, г. Брест

Борушко Вадим Васильевич

ст. преподаватель БрГТУ,

Беларусь, г. Брест

MODELING OF THERMAL CONDITIONS POWERFUL LEDS WORK

 

Victor Hladkouski

candidate of physical-mathematical sciences, associate professor of Brest State Technical University,

Belarus, Brest

Vadzim Barushka

senior lecturer of Brest State Technical University,

Belarus, Brest

 

АННОТАЦИЯ

В работе изложены результаты моделирования теплового режима светодиодной матрицы на основе численного решения трехмерного уравнения теплопроводности методом конечных элементов с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics с одним из граничных условий, записанного в форме конвективного теплообмена. Постановка задачи связана с тем, что рабочие параметры светодиодов сильно зависят от температуры. Это приводит к серьезным ограничениям на рабочий диапазон температур светотехнических элементов, необходимости создания цепей температурной защиты и совершенствования способов отвода тепла. Поэтому моделирование теплового режима светодиодной матрицы является важным этапом разработки и проектирования современных светодиодных матриц.

ABSTRACT

The paper presents the LED matrix thermal regime modeling results based on a three-dimensional heat equation numerical solution by the finite element method using the COMSOL Multiphysics software package with one of the boundary conditions written in the form of convective heat transfer. The statement of the problem is connected with the fact that the LEDs operating parameters are strongly dependent on temperature. This leads to severe restrictions on the operating temperature range of lighting elements, the creation of temperature protection circuits and the improvement of heat removal methods. Therefore, the LED matrix thermal regime modeling is becoming an important stage in the development and design of modern LED matrices.

 

Ключевые слова: моделирование, светодиод, температура активной области, метод конечных элементов.

Keywords: simulation, LED, active region temperature, finite element method.

 

Введение. Полупроводниковая светотехника в настоящее время является одним из приоритетных направлений развития науки и техники в большинстве развитых стран. В разнообразных практических приложениях все более широко применяются светодиоды. Эти полупроводниковые источники света, обладают целым рядом преимуществ, среди которых можно назвать энергетическую эффективность, экологическую безопасность, компактность конструкции и достаточно низкие управляющие напряжения, обеспечивающие длительный срок службы устройства. Световая отдача светодиодов, которая определяется через отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности, составляет в настоящее время величину порядка 100-120 Лм/Вт, что по разным оценкам в 6-8 раз эффективнее, чем у ламп накаливания и в 3-4 раза выше, чем у огромного количества всевозможных энергосберегающих ламп. Кроме того, у светодиодов существуют и другие преимущества: достаточно высокая механическая прочность и надежность; высокий уровень электробезопасности; низкий уровень пульсаций светового потока; возможность миниатюрного исполнения; высокие экологические свойства, связанные с отсутствием компонентов, содержащих ртуть.

Анализ проблемы и постановка задачи. Известно, что рабочие параметры светодиодов сильно зависят от температуры. При возрастании температуры прямое напряжение р-n перехода светодиода уменьшается. Если управляющее устройство не уменьшит подаваемое напряжение, то произойдет локальный перегрев, что приведет к появлению на печатной плате так называемых "горячих точек". Это, в свою очередь вызывает ухудшение работоспособности, а то и разрушение всей схемы за счет ускорения нежелательных физико-химических процессов в материалах и конструкциях компонентов. Перечисленные выше факторы приводят к необходимости установления жестких ограничений на рабочий диапазон температур элементов, создания цепей температурной защиты и совершенствования способов отвода тепла. Поэтому моделирование теплового режима становится одним из важнейших этапов разработки и проектирования современных светодиодных матриц [1].

Для подбора оптимальных тепловых условий работы матрицы светодиодов было проведено физическое и математическое моделирование. Компьютерная реализация математической модели производилась с применением программного пакета COMSOL Multiphysics. Исследования проводились при различных значениях тока, проходящего через матрицу.

Объектом исследования являлась светодиодная матрица размерами 1.5×0.6 см2, расположенная на алюминиевой подложке. Общий вид устройства показан на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Общий вид светодиодной матрицы

 

На подложку методом поверхностного монтажа посажены соединенные электрически последовательно тридцать три светодиода марки Philips Lumileds LXZ1-PE01-0048 [2]. Заметим, что параллельное соединение светодиодов нежелательно, так как это увеличивает стоимость изделия и уменьшает его эффективность. Питание светодиодов осуществлялось постоянным током в диапазоне от 1 до 1000 мА. Для повышения эффективности охлаждения светодиодная матрица помещалась в стеклянную трубку с прокачиваемой по ней насосом охлаждающей жидкостью, в качестве которой использовался этиловый спирт [3, С. 178].

В основе математической модели, описывающей распространение тепла по элементам системы, лежит уравнение теплопроводности:

 

,

 

где Cp – теплоемкость, ρ − плотность, k − коэффициент теплопроводности, T – температура.

Для конкретизации математической модели были приняты следующие начальные и граничные условия:

  1. Температура нижней поверхности алюминиевой подложки принималась равной начальной температуре: 293,15 К.
  2. На внешней границе светодиодного кристалла GaN задавался тепловой поток q внутрь подложки.
  3. На всех остальных внешних поверхностях задавались условия конвективного теплообмена:

 

,

 

где  – векторный дифференциальный оператор Гамильтона.

  1. На границах между элементами задавался режим непрерывности теплового потока:

 

,

 

где qi – тепловая мощность излучения конкретного элемента.

Модель светодиодной матрицы из 33 светодиодов с максимумом спектра излучения в зеленой области спектра (примерно 500 нм) была построена в пакете моделирования COMSOL Multiphysics. При разработке модели учитывались физические свойства всех слоев изделия: алюминиевого основания, медной фольги, диэлектрика, припоя и кристалла из нитрида галлия. Трехмерная тетраэдрическая сетка состоит из 1×546×256 элементов на сгущающихся сетках) показана на рисунке 2.

Численное решение математической модели было получено методом конечных элементов [4]. В результате расчёта программа выдаёт распределение температуры по элементам системы, что позволяет судить о температурном режиме устройства и выявить его «горячие точки». Результаты работы расчётной программы представлены на рисунке 3.

 

Рисунок 2. Вид сетки в среде моделирования COMSOL Multiphysics

 

Рисунок 3. Распределение температуры по светодиодной матрице

 

Моделирование теплового распределения проводилось при различных величинах тока инжекции светодиодов. На рисунке 4 представлены зависимости максимальной температуры T в активной области светодиодов от тепловой мощности q, идущей на нагревание светодиодного кристалла, полученные в результате расчетов и экспериментально. Экспериментальный график строился по результатам опытов при трёх значениях тока инжекции.

 

Рисунок 4. Сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей температуры от тепловой мощности

 

Заключение. Осуществив подбор табличных параметров слоёв, получили расчетным методом результаты, достаточно близкие к эксперимен­тальным. Из сравнения графиков, построенных по экспериментальным и расчетным данным следует, что зависимости достаточно близки друг к другу, таким образом, использование данного программного обеспечения для моделирования теплового режима работы светодиодов является вполне оправданным. Некоторое несовпадение экспериментальных и расчетных данных предположительно может быть связано с нагревом светодиодов за счёт лучистого теплообмена между ними, что будет учтено при дальнейшей работе над проблемой оптимизации теплового режима светодиодов.

 

Список литературы:

  1. Козынко П.А. Разработка подсистем электро-теплового моделирования БИС и печатных плат в среде промышленной САПР: Автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.13.12 / П.А. Козынко. – Москва, 2010. – 109 с.
  2. Philips Lumileds // Сайт компании [Электронный ресурс]. – 2013. –Режим доступа: http://www.philipslumileds.com/uploads/375/DS105-pdf – Дата доступа: 07.12.2018.
  3. Данильчик А.В. Матрица светодиодов с принудительным охлаждением / А.В. Данильчик, А.Г. Войнилович, Н.В. Ржеуцкий, М.С. Леоненя, В.Н. Павловский, Е.В. Луценко // Полупроводниковые лазеры и системы на их основе: 9-й Белорусско-Российский семинар: Сб. науч. ст. / НАН Беларуси, Институт физики им. Б.И. Степанова, РАН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе; науч. ред. Г.П. Яблонский. – Минск: Ковчег, 2013. – 258 с.
  4. Дульнев Г.Н. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена / Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, А.В. Сигалов. – М.: Высшая школа, 1990. – 208 с.