Как рассчитать температуру перехода к окружающей среде светодиода?

Это светодиод высокой мощности. Он предназначен для рассеивания подавляющего большинства тепла через паяные соединения. Таким образом, вам необходимо выяснить тепловое сопротивление контактной площадки припоя печатной платы, на которую вы собираетесь ее припаивать. Это, конечно, можно рассчитать на основе размеров медных элементов на вашей плате, но на самом деле самый простой способ может состоять в том, чтобы просто припаять светодиод к плате и измерить температуру в месте пайки для нескольких различных уровней мощности.

В отличие от других полупроводниковых устройств, таких как транзисторы, присоединение радиатора к устройству не очень полезно, так как оно блокирует свет.

На странице 12 техпаспорта указано:

Максимальный прямой ток определяется тепловым сопротивлением между переходом светодиода и окружающей средой. Крайне важно, чтобы конечный продукт был разработан таким образом, чтобы свести к минимуму тепловое сопротивление от места пайки до окружающей среды , чтобы оптимизировать срок службы лампы и оптические характеристики. [Выделение мое.]

Рис. 1. Значения теплового сопротивления указаны только для соединения с точкой пайки. Это означает, что соединение с воздухом (через линзу) не имеет значения.

Вы должны уметь проектировать в соответствии со спецификациями площадок для пайки, приведенными в конце документа, и следовать приведенным кривым рейтинга.

Рис. 2. Текущая безопасная рабочая зона в зависимости от температуры окружающей среды.

Дальнейшее чтение:

• Примечание по применению Cree Long-Term Lumen Maintenance .
• Примечание по применению Cree Thermal Management .

рассчитать переход к температуре окружающей среды

Я предполагаю, что это означает вычисление температуры перехода из окружающего воздуха.

Я знаю, как рассчитать это:
Температура перехода = переход к корпусу + корпус к радиатору + радиатор к окружающей среде + окружающая среда

Я так не думаю. Это бессмысленная формула. И неясно, имеете ли вы в виду температуру или термическое сопротивление, потому что ваши термины не имеют надлежащих этикеток. Дело к соединению чего? Температура? Термическое сопротивление?

Чтобы рассчитать температуру перехода (T _j ), вам необходимо знать, сколько тепловой мощности (тепла) вырабатывается и сколько этого тепла рассеивается.

Если я хочу знать, что такое соединение с температурой окружающей среды, как мне рассчитать это из таблицы данных?

Не существует такого понятия, как « переход к температуре окружающей среды » .

Есть температура перехода, температура окружающей среды и тепловое сопротивление перехода к окружающей среде.

Очень мало этой информации взято из таблицы данных.

Чтобы рассчитать количество рассеиваемых ватт, вам необходимо знать потребляемые электрические ватты и мощность излучения, излучаемую светодиодом.

Электрические ватты исходят из кривой IV.

Для расчета радиантных ватт необходимо преобразовать фотометрический (световой) поток (люмены) в радиометрический поток (радиантные ватты). Для этого вам нужно спектральное распределение.

Спектральное распределение в таблице данных указано в радиометрических радиантных ваттах.

Если бы мне нужно было оцифровать синюю кривую, чтобы получить относительную высоту кривой для каждой длины волны, а затем построить графики длин волн, я бы получил что-то вроде этого:

Итак, теперь у меня есть лучистые ватты для каждой длины волны. Мне нужно преобразовать ватты в люмены. Это двухэтапный процесс. Фотоны на каждой длине волны несут разное количество лучистой энергии.

ССЫЛКА: Таблицы преобразования квантовых, радиометрических и фотометрических единиц

Например, если мы сравним поток излучения с длиной волны 450 нм (синий) и поток излучения с длиной волны 550 нм (зеленый), то
1 мкмоль синих фотонов будет нести 0,27 Вт энергии. В то время как
1 мкмоль зеленых фотонов будет нести 0,22 Вт энергии.

Чтобы «измерить» люмены, на самом деле измеряется поток излучения, а затем мощность излучения преобразуется в люмены в соответствии с фотопической световой эффективностью из кривой относительной чувствительности для таблицы CIE Standard Observer .

1 Вт синих фотонов с длиной волны 450 нм преобразуется в 27,46 люмен.
1 Вт зеленых фотонов с длиной волны 550 нм преобразуется в 679,55 люмен.

Таким образом, вы получаете количество люменов из таблицы данных

Затем отрегулируйте люмены в соответствии с величиной тока, который вы будете использовать для управления светодиодом.

Затем используйте приведенное выше преобразование из люменов в ватты.

Температура является функцией теплового сопротивления окружающей среде и количества тепла, выделяемого на стыке. На тепловом пути от перехода к окружающей среде есть несколько тепловых сопротивлений.

Температура перехода уменьшается по мере того, как тепловой поток перемещается от перехода к окружающей среде. Величина теплового сопротивления на пути теплового потока определяет, насколько быстро течет поток, измеряемый тем, насколько снижается температура на количество выделяемого тепла (°C/Вт).

Тепло течет от горячего к холодному. Поэтому нам нужно обеспечить тепловой путь от перехода к окружающей среде с как можно меньшим тепловым сопротивлением. В техническом описании указано только одно тепловое сопротивление на этом пути. То есть от места соединения до термоприпоя на корпусе светодиода.

Следующим тепловым сопротивлением является припой между светодиодом и печатной платой.

Изображение слева — это медь на печатной плате, а рисунок припоя — справа.

Источник: техническое описание светодиода Cree XLamp XHP50.2.

Толщина припоя и теплопроводность припоя определяют тепловое сопротивление. По трафарету видно, что они делают все возможное, чтобы припой был как можно тоньше.

Остальное тепловое сопротивление обусловлено конструкцией печатной платы и радиатора.

Модель теплового сопротивления для типичной печатной платы

Для полупроводника формула для температуры окружающей среды и перехода выглядит следующим образом:

Источник: Тепловое проектирование на основе понимания, а не задним числом.

Рассеиваемая мощность для классического полупроводника такая же, как и используемая электрическая мощность:
напряжение x ток = ватты (как тепловые, так и электрические).

Светодиод рассеивает электрическую мощность как в виде тепла, так и в виде лучистой энергии (света). Чтобы рассчитать тепловые ватты, вы вычитаете лучистые ватты из электрических ватт.

Этот светодиод Cree XHP50.2 имеет довольно низкую эффективность — 129 лм/Вт для светодиода 5700K в этой линейке. Он будет рассеивать больше тепла, чем светодиод с меньшей плотностью. Этот светодиод спроектирован так, чтобы излучать как можно больше люменов на небольшой площади, поскольку он имеет 4 кубика, создающих V _f 11,2 В, или 2 кубика при 5,6 В. Я хотел бы видеть эффективность, близкую к 180-200 лм/Вт, в высокомощном однокристальном светодиоде с низкой плотностью 5700K, таком как XP-3G.

Электрическая мощность при испытательном токе составляет 11,2 х 700 мА или 5,6 х 1400 мА = 7,84 Вт. Этот светодиод будет излучать около 47% электроэнергии в виде света и 53% в виде тепла. Таким образом, необходимо рассеять 4,15 Вт тепла. ПРИМЕЧАНИЕ: 47% - это обоснованная оценка, основанная на эффективности других светодиодов, для которых мне известен лучистый поток.

Если T _{окружающей среды} (температура печатной платы) составляет 60°C, температура перехода равна.

T _j = (Ø _ja x 4,1 Вт) + 60°

Ø _ja сильно зависит от компоновки печатной платы и управления температурным режимом (например, радиатор, тепловые отверстия, толщина меди и т. д.).

В этом случае требуемый Ø _ja будет рассчитываться из 4 Вт, которые необходимо рассеять. Затем печатная плата будет спроектирована для достижения требуемого Ø _ja .

Таким образом, вам нужно будет оценить Ø _ca (термопрокладка корпуса относительно окружающей среды) для вашей печатной платы, чтобы получить температуру перехода по температуре печатной платы. 1,2 °C/Вт в техническом описании (помечено как открытая площадка на изображении выше) добавляются к тепловому сопротивлению от тепловой площадки светодиода к окружающей среде.

ИМХО, лучший и самый простой для понимания источник для проведения этих расчетов:
тепловой расчет с точки зрения, а не задним числом.
И «простой» я не имею в виду простой.

Дополнительная литература:
Термическое управление источниками света на основе SMT-светодиодов.

PowerPAD™ Thermally Enhanced Package, SLMA002H, ноябрь 1997 г. Пересмотрено, июль 2018 г.

Я обнаружил, что этот документ , в котором вычисляется температура перехода светодиода, малопригоден, но он должен сделать резервную копию некоторых расчетов, использованных в моем ответе.

Нижняя граница

Вы можете получить степень магистра термодинамики и выполнить расчеты, описанные выше. Если вы очень умны, вы можете пойти коротким путем и пройти курс MIT Open Course Ware: Лекция 1: Термодинамика, часть 1.

Или вы можете сделать это практическим путем.

Спроектируйте свою печатную плату, используя передовые методы управления температурным режимом, соберите свою печатную плату, включите ее и отрегулируйте ток в зависимости от температуры печатной платы рядом со светодиодом и желаемой яркости. Обычно я не допускаю, чтобы температура печатной платы превышала 55°C. Это при том, что я использую только светодиоды с максимальной температурой перехода 150°C.