Konrad DOMKE
Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej
Generacja i przepływ ciepła w oprawach oświetleniowych z
diodami LED jako z
ródłami światła
Streszczenie. Przedstawiono schemat i bilans przepływu mocy w typowych z
ródłach światła z uwzględnieniem podziału na promieniowania oraz
straty cieplne. Omówiono diody LED jako z
ródło światła i ciepła w oprawach. Rozważono drogi przepływu ciepła, schematy cieplne oraz chłodzenie
opraw oświetleniowych z diodami LED jako z
ródłami 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 z
ródła, częstokroć decydujących o jego trwałości. Dane te
Świat rocznie (2000r.) zużywa 2560 TWh energii zawiera tabela 2.
elektrycznej, z czego 490 TWh (19%) na cele
Tabela 2 Temperatura najcieplejszych elementów z
ródeł światła
oświetleniowe. Europa zużywa 670 TWh (oświetlenie 175
Żarówki Świetlówki Lampy metalo- Diody
TWh - 26%), Polska 142 TWh (oświetlenie 27 TWh  19%)1
(halogenowe) halogenkowe HP LED
[6]. Skuteczność świetlna z
ródeł światła waha się od 8-10
Nazwa plamka plamka świetlna Złącze
(żarówka), poprzez 45-110 (lampa fluorescencyjna), 26-110 części żarnik świetlna na katodzie p-n
wrażliwej na katodzie (plazma)
(dioda LED), 65-115 (lampa metalohalogenkowa) po 150-
Temp. [K] 2200-3000 1200-1300 2500 350  430
200 lm/W (lampa sodowa). W ramach polityki racjonalizacji
(3200) (1200-6000) (520*)
zużycia energii Komisja Europejska przyjęła regulacje
* prognozowana w przyszłości
prawne zobowiązujące kraje członkowskie do wycofania z
obrotu w latach 2009-2016 najmniej wydajnych z
ródeł
W każdym ze z
ródeł światła część mocy zostaje
światła tj. żarówek  poczynając od powszechnie
przetworzona na strumień świetlny, a pozostała część w
stosowanych żarówek dużej mocy. Dla powszechnego
strumień promieniowania podczerwonego IR lub rzadziej
oświetlenia wewnętrznego (głównie biur i mieszkań lecz
ultrafioletowgo UV oraz w ciepło. Użyteczny strumień
także iluminacji obiektów) powstałą lukę muszą zastąpić
świetlny wydostaje się do otoczenia bezpośrednio bądz
po
inne z
ródła, obecnie wydaje się, że mogą to być tylko lampy
odbiciu od różnych elementów oprawy oświetleniowej.
fluorescencyjne lub diody mocy LED2.
Promieniowanie IR i UV3  stanowiÄ…ce dla typowej oprawy
tzw. straty radiacyjne  wypromieniowywane jest bÄ…dz

bezpośrednio ze z
ródła bądz
jako promieniowanie odbite
Bilans mocy z
ródeł światła oświetlenia wewnętrznego
lub wygenerowane w oprawie oświetleniowej jako efekt
Stosowane obecnie z
ródła światła charakteryzują się
nagrzania jej fragmentów. Jednocześnie ciepło wytworzone
różnymi mocami jednostkowymi. Ich szacunkowego
w z
ródle jest bezpośrednio lub pośrednio poprzez oprawę
porównania  dla najczęściej stosowanych typów z
ródeł -
oświetleniową przekazywane do otoczenia drogą konwekcji
dokonano w tabeli 1.
lub kondukcji. Ogólny schemat wymiany promieniowania i
ciepła w świecącej oprawie przedstawia rys.1.
Tabela 1 Moce pojedynczych typów z
ródeł światła
Żarówki Świetlówki Lampy Diody
Energia
metalohalogenkowe HP LED
elektryczna
Moc [W] 5-200 5-140 20-3500 1-5
Bezpośrednie
Wykorzystywana w diodach LED przemiana Konwekcja
z
ródło światła:
straty ze z
ródła
elektroluminiscencyjna charakteryzuje siÄ™ teoretycznÄ… Prom. UV i IR
konwersja na: światła
sprawnością energetyczną zbliżoną do 100%. Niestety tylko
promieniowanie i
część wygenerowanego strumienia świetlnego wydostaje Promieniowanie VIS
ciepło
bezpośrednie
się na zewnątrz struktury półprzewodnikowej. Pochłaniane
w niej fotony przyczyniają się bezpośrednio do nagrzewania
Promieniowanie
struktury p-n, a pośrednio także i pozostałych elementów Strumień
konwekcja,
konstrukcyjnych z
ródła oraz oprawy, w której to z
ródło jest użyteczny
kondukcja
umieszczone. Temperatura do jakiej nagrzewajÄ… siÄ™
poszczególne elementy zależna jest od typu (rodzaju)
Promieniowanie VIS
przemiany, konstrukcji i typu z
ródła, oprawy, warunków
pośrednie
oddawania ciepła do otoczenia itd. Tym niemniej można
oprawa Konwekcja
Straty z
szacunkowo określić temperaturę najcieplejszych części
Kondukcja
oprawy
Prom. UV i IR
Rys. 1: Schemat przepływów promieniowania i mocy cieplnej i w
1
Dane dla Polski za 2007, pozostałe za 2001r.
oprawie oświetleniowej
2
Lampy sodowe mają ugruntowane miejsce w oświetleniu zewnętrznym,
posiadają jednak szereg wad np. słabe oddawanie barw. Charakteryzują się
3
też dużymi mocami jednostkowymi z
ródła. Z tych powodów praktycznie nie Promieniowanie UV (jako niebezpieczne) jest zwykle pochłaniane przez
stosuje się ich w oświetleniu wewnętrznym. elementy osłaniające z
ródła lub oprawy.
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 5/2010 339
Szczegółowy schemat dróg przepływu promieniowania
Odbłyśnik Chip
Dielektryk Podkładka
radiacyjnego i mocy cieplnej w oprawie silnie zależy od jej
Tot
Kostka metalowa
Wewn.
konstrukcji i od typu oraz konstrukcji z
ródła. Wobec bogatej Warstwa pośrednia Tj
radiator
Miedz

Tmet
Izolacja
różnorodności zarówno z
ródeł jak i samych opraw ogólne Dielektryk
Tpł
Aluminium
ilościowe określenie mocy przenoszonych ze z
ródła do Taśma cieplna Trad
Podłoże Chip Radiator z
otoczenia poszczególnymi drogami pokazanymi na rys. 1
Al aluminium
jest praktycznie niemożliwe. Przybliżone, średnie wartości
Rys.2 Dioda mocy LED na płytce MCPCB i jej model 2D
dla różnych typów z
ródeł światła przedstawia tabela 3.
wykorzystywany dla obliczania przepływu ciepła [7]
Tabela 3 Bilans mocy opraw oświetleniowych elektrycznych z
ródeł W oprawach z diodami LED jako z
ródłami światła  ze
światła (dane: IESNA, Osram-Sylvania oraz obliczenia własne) względu na stosunkowo niską dopuszczalną temperaturę
Lampy Diody złącza p-n (patrz tabela 2) i znaczną koncentrację mocy
Rodzaje mocy i drogi jego
Żarówki Świetlówki
metalo- HP
cieplnej najistotniejszym zadaniem jest właściwe
przepływu
halogen. LED
zaprojektowanie przepływu ciepła w samej diodzie LED i w
%
jej bezpośrednim otoczeniu. Wysiłki konstruktorów
Prom. widzialne - VIS 7 21 27 15-30
zmierzające, wraz ze wzrostem mocy diod, do obniżenia
A
Ä…cznie straty 93 79 73 70-85
wewnętrznego oporu cieplnego diody LED ilustruje rys.3, a
Bezpośr. prom. ultrafiolet. 0 0 19* 0
schemat przepływu mocy cieplnych w układzie dioda LED-
z
ródła  UV
jej otoczenie rys.4
Bezpośr.prom.podczerwone 73 37 19 0
z
ródła  IR
Straty do oprawy 20 42 35 70-85
250 K/W
Chip
Prom. podczerwone oprawy 5 10 13 25
 IR
(a) (b) (d)
(e)
Konwekcja + kondukcja z 15 32 22 45-60
(a)
oprawy
125 K/W
* z jarznika
Kostka
PÅ‚ytka
75 K/W metalo a
drukowan
(b)
Analizując dane z tabeli 3 widać, że poza inkadescentnymi
(d)
z
ródłami światła (żarówki), pozostałe typy zasadniczo
15 K/W
(e)
6 K/W
5-2 K/W
charakteryzują się podobnymi sprawnościami świetlnymi (c)
(ok. 30% mocy zamieniana jest na światło). W widmie
1970 1995 1997 1999 2001 2005
promieniowania wszystkich z
ródeł poza diodami LED
Rys.3. Opory cieplne diod LED a)  technologia 5 mm, b) 
zawarte jest niepożądane promieniowanie podczerwone
obniżone złącze, c)  obniżone złącze z rozszerzonymi
(żarówki ok. 73%) oraz czasami i ultrafioletowe (lampy
wyprowadzeniami, d)  z radiatorem wewnętrznym, e)  z
metalohalogenkowe). Diody LED4 jako praktycznie
radiatorem na płytce drukowanej. (z Arik et al., 2002)
monochromatyczne z
ródła światła promieniują tylko w
zakresie widzialnym.
Rth, kost-metal
Rth, przew. Rth, lut
Rth, kon-ot
Rth, płyt+ radiat
Dioda LED jako z
ródło ciepła
Rth, j
Procesy zachodzące w diodach HP LED związane są z Rth, podkł Rth, styk
P
P
wydzielaniem się znaczących ilości ciepła. Ciepło to
Tot
praktycznie w całości generuje się w złączu p-n, w trakcie
Rth, rad-ot
przepływu przez nie prądu IF. Ciepło Joula w przewodach
Rth, kaps.
Rth, socz
doprowadzających napięcie do struktury p-n jest
Tlut
praktycznie do pominięcia. Charakterystyczny jest przy tym
> 0.01Pth
Tj Tot
Tsocz
znikomy obszar (objętość warstwy p-n), w którym to ciepło
Radiator
jest generowane. Konsekwencją tego faktu są bardzo duże
gęstości mocy cieplnej i związane z tym trudności w
Rys.4: Schemat oporów cieplnych diody LED z radiatorem.
odprowadzeniu takich ilości ciepła do otoczenia. Ilustruje to
Podstawowe drogi przepływu ciepła zaznaczono grubszą kreską. [1]
tabela 4 zawierajÄ…ca dane wybranych, typowych, obecnie
produkowanych diod. Równolegle ze zmianami struktury diody LED rozwijała
się konstrukcja płytek drukowanych oraz technologia
Tabela 4: Dane typowych diod HP LED [2,4]
montażu diod. Poszczególne konstrukcje projektowano tak
Moc Sprawość Moc Dop. Gestość
aby zmniejszać opór cieplny pomiędzy złączem a obudową
Typ LED całkowita energet. cieplna temp. mocy
i intensyfikować chłodzenie W przypadku płytek
P=UF IF hð [%] Pth=(1-hð) zÅ‚Ä…cza. q=Pth/S
drukowanych istotny wpływ na ich opór cieplny miał też
[W] Tj [oC] [W/m2]
P [W]
dobór podstawowego materiału5 (dielektryk lub dielektryk + Al)
C460XB900- 1.2 14 0.98 125 1.4 ð106
pozwalajÄ…cy uzyskać przewodność cieplnÄ… lð=0,2¸ð1W/K m [5].
S92xx-A
Cree EZ1000 3.8 28 2.7 145 3.1 ð106
Dioda LED w oprawach oświetleniowych
OSTAR LEWE3A 27 28 19.4 150 2.9 ð106
Oprawy i inny sprzęt oświetleniowy z diodami LED jako
z
ródłem światła pod względem  termicznym można
Przykładową konstrukcję diody LED oraz odpowiadający jej
podzielić na dwie grupy. Oprawy (lub inny sprzęt)
model 2D przedstawiono na rys.2.
przeznaczony dla sygnalizacji, oświetlenia punktowego,
lokalnego, dekoracyjnego lub akcentowego oraz sprzęt
4 5
Wyłączywszy LEDy emitujące promieniowanie zakresie UV lub IR Ostatnio wprowadzono płytki o podłożu grafitowym (GPCB).
340 PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 5/2010
th
Opór cieplny R (K/W)
przeznaczony bezpośrednio do podstawowego oświetlania Wnioski
pomieszczeń, dróg, iluminacji elewacji itd. [3]. Współczesne diody LED przy skuteczności świetlnej 25-
W pierwszej grupie opraw zagadnienia termiczne 110 lm/W osiągnęły poziom znacznie przewyższający
ograniczają się do obszaru montażu samej diody, skuteczność z
ródeł inkadescentnych i praktycznie zrównały
zastosowanie moce diod są małe w stosunku do objętości się z popularnymi z
ródłami fluoroscencyjnymi i matalohalo-
całej oprawy. Za szacunkową granicę można przyjąć genkowymi.
średnią gęstość powierzchniową mocy q=Pth/S=0,12 Zaletami z
ródeł opartych na diodach LED jest znaczna
W/cm2. Dla zapewnienia właściwego chłodzenia trwałość, niska awaryjność, małe wymiary, łatwość
wystarczają zwykłe pasywne środki: montaż na płytkach sterowania strumieniem i barwą (bez filtrów), brak
PCB lub MCPCB z radiatorem (lub nawet bez). Często promieniowania IR i UV w emitowanym widmie.
funkcję radiatora przejmuje obudowa lub inne metalowe Główną wadą z
ródeł opartych na diodach LED jest, jak
elementy oprawy. Schemat przepływu ciepła w takim dotąd, mały strumień świetlny z pojedynczej diody,
przypadku pokazuje rys. 4. Za otoczenie można w tym problemy termiczne diod dużych mocy oraz silna zależność
przypadku przyjąć wnętrze oprawy. strumienia świetlnego od temperatury oraz jego spadek w
W przypadku opraw drugiej grupy, gdy wymagany jest trakcie eksploatacji.
znaczny sumaryczny strumień świetlny, w pojedynczej
oprawie skoncentrowana jest  wynikajÄ…ca ze znacznej LITERATURA
[1] Domke K., Wandachowicz K.: Thermal investigation of light
liczby diod  stosunkowo duża moc. Ograniczenia cieplne
emitting diodes. in: Advanced Computional Methods and
stają się wówczas istotnym czynnikiem wpływającym na
Experiments in Heat Transfer X, ed, B. Sundén, C.A. Brebbia.
konstrukcję oprawy. Oprócz poprawnie zaprojektowanego
WITpress, Southampton, Boston, 2008, pp. 159-168
pod kątem cieplnym bezpośredniego otoczenia diody LED
[2] Cree EZ 000 LEDs. http://www.cree.com/products/pdf /CPR 3C
(tak samo jak w przypadku opraw pierwszej grupy) należy
[3] Kołakowski M., LED wychodzą w teren, Oświetlenie Info, nr 1
bezwzględnie rozpatrzyć także drogi przepływu ciepła
(25) styczeń-marzec 2009
wewnÄ…trz oprawy oraz na zewnÄ…trz do otoczenia. Ma to na
[4] Ostar Lightning. Application note. www.osram-os.com,
celu zapewnienie odpowiednio niskiej temperatury (12.06.2009)
[5] Reiner Huber, Thermal Management of Golden DRAGON®
bezpośredniego otoczenia diody LED. W tym celu
LED - Application Note, April 2006, http://catalog.osram-
najczęściej stosuje się dwa rozwiązania: albo zmniejsza się
os.com/catalogue, (12.06.2009)
koncentracjÄ™ mocy (do poziomu odpowiadajÄ…cego oprawom
[6] Rocznik Statystyczny 2009, GUS, Warszawa
pierwszej grupy) poprzez umieszczenie dużej liczby
[7] Thermally Efficient Technique for High-Power LED Packages,
pojedynczych diod rozmieszczonych na dużej powierzchni6,
http://www.cofan-pcb.com, (12.06.2009)
albo przy dużych powierzchniowych koncentracjach mocy
stosuje się rozbudowane radiatory, często z wymuszonym
Autor: dr hab. inż. Konrad Domke prof. nadzw., Politechnika
obiegiem powietrza wewnÄ…trz oprawy, a w najnowszych nie
Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, ul.
wprowadzanych jeszcze do obrotu oprawach także z Piotrowo 3a, 60-965 Poznań, E-mail:
[e-mail]
wmontowanymi rurami cieplnymi lub innymi aktywnymi
układami wymiany ciepła. Powierzchnie zewnętrzne oprawy
konstruuje siÄ™ przy tym tak aby poza funkcjami
mechaniczno-dekoracyjnymi spełniały także odpowiednie
wymagania cieplne.
6
Np. oprawa CityWing prod. Philips.
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 5/2010 341