plik

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 5/2010

339

Konrad DOMKE

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej

Generacja i przepływ ciepła w oprawach oświetleniowych z

diodami LED jako źródłami światła

Streszczenie. Przedstawiono schemat i bilans przepływu mocy w typowych źródłach światła z uwzględnieniem podziału na promieniowania oraz
straty cieplne. Omówiono diody LED jako źródło światła i ciepła w oprawach. Rozważono drogi przepływu ciepła, schematy cieplne oraz chłodzenie
opraw oświetleniowych z diodami LED jako źródłami światła.

Abstract. Scheme and balance of light, radiation and heat for typical light sources were presented. LED diodes as light and heat sources in lighting
fitting was described. The ways of heat flow, thermal schemes and cooling of lighting fitting with LED as light sources were considered.
(Generation and heat distribution in lighting fitting with LED sources).

Słowa kluczowe: generacja ciepła, oprawy oświetleniowe, LEDy.
Keywords: heat generation, lighting fitting, LED.

Wstęp

Świat rocznie (2000r.) zużywa 2560 TWh energii

elektrycznej, z czego 490 TWh (19%) na cele
oświetleniowe. Europa zużywa 670 TWh (oświetlenie 175
TWh - 26%), Polska 142 TWh (oświetlenie 27 TWh – 19%)

[6]. Skuteczność świetlna źródeł światła waha się od 8-10
(żarówka), poprzez 45-110 (lampa fluorescencyjna), 26-110
(dioda LED), 65-115 (lampa metalohalogenkowa) po 150-
200 lm/W (lampa sodowa). W ramach polityki racjonalizacji
zużycia energii Komisja Europejska przyjęła regulacje
prawne zobowiązujące kraje członkowskie do wycofania z
obrotu w latach 2009-2016 najmniej wydajnych źródeł
światła tj. żarówek – poczynając od powszechnie
stosowanych żarówek dużej mocy. Dla powszechnego
oświetlenia wewnętrznego (głównie biur i mieszkań lecz
także iluminacji obiektów) powstałą lukę muszą zastąpić
inne źródła, obecnie wydaje się, że mogą to być tylko lampy
fluorescencyjne lub diody mocy LED

Bilans mocy źródeł światła oświetlenia wewnętrznego
Stosowane

obecnie

źródła światła charakteryzują się

różnymi mocami jednostkowymi. Ich szacunkowego
porównania – dla najczęściej stosowanych typów źródeł -
dokonano w tabeli 1.

Tabela 1 Moce pojedynczych typów źródeł światła

Żarówki Świetlówki Lampy

metalohalogenkowe

Diody

HP LED

Moc [W]

5-200

5-140

20-3500

1-5

Wykorzystywana w diodach LED przemiana
elektroluminiscencyjna charakteryzuje się teoretyczną
sprawnością energetyczną zbliżoną do 100%. Niestety tylko
część wygenerowanego strumienia świetlnego wydostaje
się na zewnątrz struktury półprzewodnikowej. Pochłaniane
w niej fotony przyczyniają się bezpośrednio do nagrzewania
struktury p-n, a pośrednio także i pozostałych elementów
konstrukcyjnych źródła oraz oprawy, w której to źródło jest
umieszczone. Temperatura do jakiej nagrzewają się
poszczególne elementy zależna jest od typu (rodzaju)
przemiany, konstrukcji i typu źródła, oprawy, warunków
oddawania ciepła do otoczenia itd. Tym niemniej można
szacunkowo określić temperaturę najcieplejszych części

Dane dla Polski za 2007, pozostałe za 2001r.

Lampy sodowe mają ugruntowane miejsce w oświetleniu zewnętrznym,

posiadają jednak szereg wad np. słabe oddawanie barw. Charakteryzują się
też dużymi mocami jednostkowymi źródła. Z tych powodów praktycznie nie
stosuje się ich w oświetleniu wewnętrznym.

źródła, częstokroć decydujących o jego trwałości. Dane te
zawiera tabela 2.

Tabela 2 Temperatura najcieplejszych elementów źródeł światła

Żarówki

(halogenowe)

Świetlówki Lampy

metalo-

halogenkowe

Diody

HP LED

Nazwa

części

wrażliwej

żarnik

plamka

świetlna

na katodzie

plamka świetlna

na katodzie

(plazma)

Złącze

p-n

Temp. [K]

2200-3000

(3200)

1200-1300 2500

(1200-6000)

350 –430

(520*)

* prognozowana w przyszłości

każdym ze źródeł światła część mocy zostaje

przetworzona na strumień świetlny, a pozostała część w
strumień promieniowania podczerwonego IR lub rzadziej
ultrafioletowgo UV oraz w ciepło. Użyteczny strumień
świetlny wydostaje się do otoczenia bezpośrednio bądź po
odbiciu od różnych elementów oprawy oświetleniowej.
Promieniowanie IR i UV

– stanowiące dla typowej oprawy

tzw. straty radiacyjne – wypromieniowywane jest bądź
bezpośrednio ze źródła bądź jako promieniowanie odbite
lub wygenerowane w oprawie oświetleniowej jako efekt
nagrzania jej fragmentów. Jednocześnie ciepło wytworzone
w źródle jest bezpośrednio lub pośrednio poprzez oprawę
oświetleniową przekazywane do otoczenia drogą konwekcji
lub kondukcji. Ogólny schemat wymiany promieniowania i
ciepła w świecącej oprawie przedstawia rys.1.

Rys. 1: Schemat przepływów promieniowania i mocy cieplnej i w

oprawie oświetleniowej

Promieniowanie UV (jako niebezpieczne) jest zwykle pochłaniane przez

elementy osłaniające źródła lub oprawy.

Strumień

użyteczny

Promieniowanie VIS

pośrednie

Straty z
oprawy

Kondukcja

Konwekcja

Prom. UV i IR

Energia

elektryczna

Konwekcja

Prom. UV i IR

Bezpośrednie

straty ze źródła

światła

Promieniowanie VIS

bezpośrednie

Promieniowanie

konwekcja,

kondukcja

oprawa

źródło światła:

konwersja na:

promieniowanie i

ciepło

340 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 5/2010

Szczegółowy schemat dróg przepływu promieniowania
radiacyjnego i mocy cieplnej w oprawie silnie zależy od jej
konstrukcji i od typu oraz konstrukcji źródła. Wobec bogatej
różnorodności zarówno źródeł jak i samych opraw ogólne
ilościowe określenie mocy przenoszonych ze źródła do
otoczenia poszczególnymi drogami pokazanymi na rys. 1
jest praktycznie niemożliwe. Przybliżone, średnie wartości
dla różnych typów źródeł światła przedstawia tabela 3.

Tabela 3 Bilans mocy opraw oświetleniowych elektrycznych źródeł
światła (dane: IESNA, Osram-Sylvania oraz obliczenia własne

)

Rodzaje mocy i drogi jego
przepływu

Żarówki

Świetlówki

Lampy

metalo-

halogen.

Diody

LED

%
Prom. widzialne - VIS

15-30

Łącznie straty

70-85

Bezpośr. prom. ultrafiolet.
źródła – UV

0 0 19*

Bezpośr.prom.podczerwone
źródła – IR

73 37 19

Straty do oprawy

70-85

Prom. podczerwone oprawy
– IR

5 10 13

Konwekcja + kondukcja z
oprawy

15 32 22

45-60

* z jarznika

Analizując dane z tabeli 3 widać, że poza inkadescentnymi
źródłami światła (żarówki), pozostałe typy zasadniczo
charakteryzują się podobnymi sprawnościami świetlnymi
(ok. 30% mocy zamieniana jest na światło). W widmie
promieniowania wszystkich źródeł poza diodami LED
zawarte jest niepożądane promieniowanie podczerwone
(żarówki ok. 73%) oraz czasami i ultrafioletowe (lampy
metalohalogenkowe). Diody LED

jako praktycznie

monochromatyczne źródła światła promieniują tylko w
zakresie widzialnym.

Dioda LED jako źródło ciepła
Procesy

zachodzące w diodach HP LED związane są z

wydzielaniem się znaczących ilości ciepła. Ciepło to
praktycznie w całości generuje się w złączu p-n, w trakcie
przepływu przez nie prądu I

. Ciepło Joula w przewodach

doprowadzających napięcie do struktury p-n jest
praktycznie do pominięcia. Charakterystyczny jest przy tym
znikomy obszar (objętość warstwy p-n), w którym to ciepło
jest generowane. Konsekwencją tego faktu są bardzo duże
gęstości mocy cieplnej i związane z tym trudności w
odprowadzeniu takich ilości ciepła do otoczenia. Ilustruje to
tabela 4 zawierająca dane wybranych, typowych, obecnie
produkowanych diod.

Tabela 4: Dane typowych diod HP LED [2,4]

Typ LED

Moc

całkowita

P=U

[W]

Sprawość

energet.

 [%]

Moc

cieplna

=(1-

)

P [W]

Dop.

temp.

złącza.

[

Gestość

mocy

q=P

[W/m

]

C460XB900-

S92xx-A

1.2 14 0.98 125

1.410

Cree

EZ1000

3.8 28 2.7 145

3.110

OSTAR LEWE3A

19.4

150

2.910

Przykładową konstrukcję diody LED oraz odpowiadający jej
model 2D przedstawiono na rys.2.

Wyłączywszy LEDy emitujące promieniowanie zakresie UV lub IR

Rys.2 Dioda mocy LED na płytce MCPCB i jej model 2D
wykorzystywany dla obliczania przepływu ciepła [7]

W oprawach z diodami LED jako źródłami światła – ze

względu na stosunkowo niską dopuszczalną temperaturę
złącza p-n (patrz tabela 2) i znaczną koncentrację mocy
cieplnej najistotniejszym zadaniem jest właściwe
zaprojektowanie przepływu ciepła w samej diodzie LED i w
jej bezpośrednim otoczeniu. Wysiłki konstruktorów
zmierzające, wraz ze wzrostem mocy diod, do obniżenia
wewnętrznego oporu cieplnego diody LED ilustruje rys.3, a
schemat przepływu mocy cieplnych w układzie dioda LED-
jej otoczenie rys.4

Rys.3. Opory cieplne diod LED a) – technologia 5 mm, b) –
obniżone złącze, c) – obniżone złącze z rozszerzonymi
wyprowadzeniami, d) – z radiatorem wewnętrznym, e) – z
radiatorem na płytce drukowanej. (z Arik et al., 2002)

Rys.4: Schemat oporów cieplnych diody LED z radiatorem.
Podstawowe drogi przepływu ciepła zaznaczono grubszą kreską. [1]

Równolegle ze zmianami struktury diody LED rozwijała

się konstrukcja płytek drukowanych oraz technologia
montażu diod. Poszczególne konstrukcje projektowano tak
aby zmniejszać opór cieplny pomiędzy złączem a obudową
i intensyfikować chłodzenie W przypadku płytek
drukowanych istotny wpływ na ich opór cieplny miał też
dobór podstawowego materiału

(dielektryk lub dielektryk + Al)

pozwalający uzyskać przewodność cieplną

=0,21W/K m [5].

Dioda LED w oprawach oświetleniowych

Oprawy i inny sprzęt oświetleniowy z diodami LED jako

źródłem światła pod względem „termicznym” można
podzielić na dwie grupy. Oprawy (lub inny sprzęt)
przeznaczony dla sygnalizacji, oświetlenia punktowego,
lokalnego, dekoracyjnego lub akcentowego oraz sprzęt

Ostatnio wprowadzono płytki o podłożu grafitowym (GPCB).

th, j

th, lut

th, przew.

socz

th, podkł

th, kost-metal

th, kaps.

th, socz

> 0.01P

lut

th, styk

th, płyt+ radiat

th, rad-ot

th, kon-ot

Radiator

Odbłyśnik

Dielektryk

Podłoże

Chip

Izolacja

Wewn.

radiator

Kostka metalowa

Warstwa pośrednia

Miedź

Dielektryk

Aluminium

Taśma cieplna

Radiator z
aluminium

Podkładka

Tj
Tmet

Tpł

Trad

Tot

Chip

(a)

Chip

Kostka

metalo a

Płytka

drukowan

(a)

(b)

250 K/W

125 K/W

75 K/W

6 K/W

Opór

epl

ny R

(

)

(d)

(e)

(b)

1970

1995

1997

1999

2001

2005

5-2 K/W

15 K/W

(e)

(d)

(c)

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 5/2010 341

przeznaczony bezpośrednio do podstawowego oświetlania
pomieszczeń, dróg, iluminacji elewacji itd. [3].
W pierwszej grupie opraw zagadnienia termiczne
ograniczają się do obszaru montażu samej diody,

zastosowanie moce diod są małe w stosunku do objętości
całej oprawy. Za szacunkową granicę można przyjąć
średnią gęstość powierzchniową mocy q=P

/S=0,12

W/cm

. Dla zapewnienia właściwego chłodzenia

wystarczają zwykłe pasywne środki: montaż na płytkach
PCB lub MCPCB z radiatorem (lub nawet bez). Często
funkcję radiatora przejmuje obudowa lub inne metalowe
elementy oprawy. Schemat przepływu ciepła w takim
przypadku pokazuje rys. 4. Za otoczenie można w tym
przypadku przyjąć wnętrze oprawy.

W przypadku opraw drugiej grupy, gdy wymagany jest

znaczny sumaryczny strumień świetlny, w pojedynczej
oprawie skoncentrowana jest – wynikająca ze znacznej
liczby diod – stosunkowo duża moc. Ograniczenia cieplne
stają się wówczas istotnym czynnikiem wpływającym na
konstrukcję oprawy. Oprócz poprawnie zaprojektowanego
pod kątem cieplnym bezpośredniego otoczenia diody LED
(tak samo jak w przypadku opraw pierwszej grupy) należy
bezwzględnie rozpatrzyć także drogi przepływu ciepła
wewnątrz oprawy oraz na zewnątrz do otoczenia. Ma to na
celu zapewnienie odpowiednio niskiej temperatury
bezpośredniego otoczenia diody LED. W tym celu
najczęściej stosuje się dwa rozwiązania: albo zmniejsza się
koncentrację mocy (do poziomu odpowiadającego oprawom
pierwszej grupy) poprzez umieszczenie dużej liczby
pojedynczych diod rozmieszczonych na dużej powierzchni

albo przy dużych powierzchniowych koncentracjach mocy
stosuje się rozbudowane radiatory, często z wymuszonym
obiegiem powietrza wewnątrz oprawy, a w najnowszych nie
wprowadzanych jeszcze do obrotu oprawach także z
wmontowanymi rurami cieplnymi lub innymi aktywnymi
układami wymiany ciepła. Powierzchnie zewnętrzne oprawy
konstruuje się przy tym tak aby poza funkcjami
mechaniczno-dekoracyjnymi spełniały także odpowiednie
wymagania cieplne.

Np. oprawa CityWing prod. Philips.

Wnioski
Współczesne diody LED przy skuteczności świetlnej 25-
110 lm/W osiągnęły poziom znacznie przewyższający
skuteczność źródeł inkadescentnych i praktycznie zrównały
się z popularnymi źródłami fluoroscencyjnymi i matalohalo-
genkowymi.
Zaletami

źródeł opartych na diodach LED jest znaczna

trwałość, niska awaryjność, małe wymiary, łatwość
sterowania strumieniem i barwą (bez filtrów), brak
promieniowania IR i UV w emitowanym widmie.

Główną wadą źródeł opartych na diodach LED jest, jak

dotąd, mały strumień świetlny z pojedynczej diody,
problemy termiczne diod dużych mocy oraz silna zależność
strumienia świetlnego od temperatury oraz jego spadek w
trakcie eksploatacji.

LITERATURA

[1] Domke K., Wandachowicz K.: Thermal investigation of light

emitting diodes. in: Advanced Computional Methods and
Experiments in Heat Transfer X, ed, B. Sundén, C.A. Brebbia.
WITpress, Southampton, Boston, 2008, pp. 159-168

[2] Cree EZ 000 LEDs. http://www.cree.com/products/pdf /CPR 3C
[3] Kołakowski M., LED wychodzą w teren, Oświetlenie Info, nr 1

(25) styczeń-marzec 2009

[4] Ostar Lightning. Application note. www.osram-os.com,

(12.06.2009)

[5] Reiner Huber, Thermal Management of Golden DRAGON®

LED - Application Note, April 2006, http://catalog.osram-
os.com/catalogue, (12.06.2009)

[6] Rocznik Statystyczny 2009, GUS, Warszawa
[7] Thermally Efficient Technique for High-Power LED Packages,

http://www.cofan-pcb.com, (12.06.2009)

Autor: dr hab. inż. Konrad Domke prof. nadzw., Politechnika
Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, ul.
Piotrowo 3a, 60-965 Poznań, E-mail:
Konrad.Domke@put.poznan.pl