Schetchiksg.ru

Счетчик СГ
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое тепловое снижение тока

Новости

13.10.2017

По статистическим данным на 01.10.2017 на территории Пермского края произошло 1508 пожаров (в 2016 – 1535, снижение на 1,76%), на пожарах обнаружено 120 погибших (в 2016 – 143, снижение на 16,08%), получили травмы 145 человек (в 2016 – 162, снижение на 10,49%).
Основными причинами возникновения пожаров послужили:
— неосторожное обращение с огнем – 425 случаев (в 2016 – 479, снижение на 11,27%);
— нарушение правил устройства и эксплуатации печей – 247 случаев (в 2016 – 227, рост на 8,81%);
— поджог – 206 случаев (в 2016 – 238, снижение на 13,45%).
— нарушение правил устройства и эксплуатации электрооборудования – 463 случаев (в 2016 –438, рост на 5,71%);
На пожарах, причиной которых послужили нарушения правил устройства и эксплуатации электрооборудования обнаружено 24 погибших (в 2016 – 22, рост на 9,09%), получили травмы 32 человека (в 2016 – 31, рост на 3,23%)
По статистическим данным на 01.10.2017 на территории Кунгурского муниципального района произошло 43 пожара (в 2016 – 36, рост на 19,44%), на пожарах обнаружено 4 погибших (в 2016 – 9, снижение на 55,56%), получили травмы 5 человек (в 2016 – 2, снижение в 2,5 раза).
Основными причинами возникновения пожаров послужили:
— неосторожное обращение с огнем – 13 случаев (в 2016 – 10, рост на 23%);
— нарушение правил устройства и эксплуатации печей – 10 случаев (в 2016 – 5, рост в 2 раза);
— поджог – 3 случаев (в 2016 – 2, рост на 33,33%).
— нарушение правил устройства и эксплуатации электрооборудования – 16 случаев (в 2016 –17, снижение на 5,8%);

Разновидности аварийных режимов, приводящих к пожару
Электрооборудование может способствовать возникновению пожара в двух случаях — при работе в обычном режиме, за счет теплового воздействия на окружающие горючие предметы (например, в случае загорания шторы от электрического прибора), либо в результате возникновения того или иного аварийного электрического режима. Хотя бывают и более редкие случаи (например, наведенный заряд, искрение в оборудовании и др.).
В настоящее время принято считать, что пожарную опасность представляет любая электрическая цепь, в которой в течение определенного времени выделяется в виде теплоты мощность более 12-15 Вт.
Возгорание электропроводки может быть вызвано разными причинами, например:
— разрушение проводника, изоляции проводника;
— разрушение электропроводки грызунами;
— ухудшение свойств изоляции за счет естественного старения;
— непрофессиональный монтаж;
— искрение в местах плохого контакта проводников;
— горение электрической дуги вследствие короткого замыкания.
Существуют разные классификации электрических аварийных режимов, которые приводят к пожару и иногда путают причины и следствия.
Обычно при решении вопроса о технической причине пожара в судебной пожарно-технической экспертизе анализируется причастность следующих аварийных режимов:
— короткое замыкание;
— перегрузки;
— большое переходное сопротивление.
С физической точки зрения, источниками загорания, проявляющимися при описанных аварийных электрических режимах, являются:
а) сильное тепловыделение при прохождении тока. Это может происходить по причине несоответствия величины протекающего тока и сечения проводника – либо за счет того, что ток слишком велик для данного штатного проводника (перегрузка) или микроканала, по которому проходит ток утечки (нагрев при не полном коротком замыкании), либо за счет того, что электрическое сопротивление в локальной зоне слишком большое (БПС).
Если тепловыделение при прохождении электрического тока превышает теплоотвод в окружающую среду, провод или иной элемент электрической цепи нагревается, это ведет к термическому разложению изоляции или иных примыкающих к зоне нагрева органических материалов и, в конечном счете, может привести к их загоранию.
б) искры, возникающие при больших переходных сопротивлениях, а так же работе коммутационных устройств другого искрящего «электрооборудования»;
в) макродуги, возникающие при коротком замыкании;
г) раскаленные частицы и капли расплавленного металла, образующиеся при коротком замыкании.
При анализе версий обычно учитывают, что источники зажигания как правило проявляют себя не поодиночке, а в комплексе. И при коротком замыкании, и при перегрузке, и больших переходных сопротивлениях часто имеет место сочетания последовательно или параллельно протекающих физических процессов.
Короткие замыкания
Коротким замыканием принято называть замыкания электрических проводников, которые подключены к разным фазам, имеют разные потенциалы, полярность и нарушают нормальную работу. Первый случай (разные фазы) относится к многофазным переменным токам, второй – к замыканию на землю, третий — к электропитанию постоянным током.
Перегрузка по току
Перегрузка по току — аварийный режим, при котором в проводниках электросетей, машин и аппаратов возникают токи, длительно превышающие величины, допускаемые нормами. Различают перегрузки нормальные и аварийные. Первые имеют место при нормальных условиях эксплуатации, обычно кратковременны и потому, в общем-то, пожаробезопасны. Такие перегрузки возникают, в частности, при пуске электродвигателей. Аварийные перегрузки могут быть следствием:
— неправильного расчета сечения проводников при проектировании;
— подключения к сети дополнительных нагрузок.
В первом случае негативные следствия перегрузки проявятся достаточно быстро уже на начальном этапе эксплуатации электрической сети или отдельной установки. Во втором случае – когда угодно после подключения нагрузок, мощность которых такова, что обеспечивает прохождение по проводнику тока, на который он не рассчитан. Опасность перегрузки заключается в повышенном (по сравнению с нормой) нагреве проводников.
Перенапряжение
Перенапряжение – перегрузка, суть которой заключается в подаче потребителям повышенного напряжения. Этот процесс возникает в результате аварии в питающей низковольтной, высоковольтной электросети; при ремонтных работах.
Перенапряжение часто возникает в ходе монтажа или ремонта при неправильном подсоединении, перемены нуля, фазы, отсоединения нуля и возникающего «перекоса фаз». Перенапряжения могут возникать во время грозы при наведении на провода воздушных линий электропередач. Величина таких перенапряжений может достигать десятков, а иногда и сотен киловольт. Несмотря на меры ограничения величины потенциала перенапряжения, оно может проникать с высоковольтных линий 380 В на внутренние проводки и достигать там 2-3 кВ. При таких перенапряжениях возможен пробой изоляции и возникновение КЗ, а так же другие аварийные режимы. Перенапряжение бывает кратковременным — скачок напряжения, но значительным по величине, что может привести к пожару. Перенапряжение возникает и при пожаре за счет теплового воздействия на элементы электросети, если электросеть не будет обесточена. Такого рода явления могут даже стать причиной образования вторичных очагов горения.
Большие переходные сопротивления
Большие переходные сопротивления – пожароопасный режим, который возникает при переходе электрического тока из одной токоведущей части в другую. При БПС происходит нагревание контакта, в результате чего выделяется тепло и может произойти пожар.
В некоторых случаях вследствие плохого контакта возможно возникновение неполного короткого замыкания. Образованию неполного короткого замыкания способствует потерявшая свои диэлектрические свойства изоляция, которая карбонизируется в результате длительного локального нагрева в месте «плохого контакта». В противоположность прямому короткому замыканию, неполные замыкания, как правило, ведут к пожарам даже при правильно выбранной защите, вследствие того, что сопротивление места повреждения, ограничивая ток, поддерживает его на уровне, недостаточном для срабатывания аппаратов защиты.
Источники зажигания от теплового проявления электрической энергии возникают при несоответствии электрооборудования характеру среды; в случае несоблюдения правил устройства
и эксплуатации электрооборудования; при неисправностях и повреждениях, вызываемых механическими причинами, а также действием химически активных веществ, влаги. Тепловое действие электрического тока является в виде электрических искр и дуг (при коротких замыканиях, пробоях изоляции т.п.), чрезмерного перегрева двигателей машин, контактов, участков электрических сетей и электрооборудования, а также аппаратов при перегрузках и больших переходных сопротивлениях, неправильной эксплуатации электронагревательных приборов, устройств и др.
Опасность возникновения пожаров при эксплуатации электроустановок заключается в наличии сгораемой изоляции электрических сетей, окислителя (кислорода) и источника зажигания (электрического тока).
С целью снижения количества пожаров, произошедших по электротехническим причинам, прошу Вас разместить, данную информацию на своих официальных сайтах в сети интернет.
Начальник 13 ОНПР УНПР ГУ МЧС России
по Пермскому краю
подполковник внутренней службы Д.С.Стуков

Читайте так же:
Кратность тока короткого замыкания теплового расцепителя

Тепловое сопротивление выпрямителей: трюки маркетологов и истинное положение

Статья написана сотрудниками компании Diotec Semiconductor (Германия) по результатам маркетинговых исследований российского рынка, в частности проанализировано применения диодов.

Свойства полупроводниковых выпрямителей определяются тремя основными предельными характеристиками:

  • максимальное напряжение пробоя;
  • максимальный пиковый ток;
  • максимальная температура кристалла.

Важнейшим ограничивающим параметром для выпрямителей является не максимальное значение выпрямленного тока (Ifav), а именно предельная температура кристалла (Tjmax). Обе характеристики связаны между собой через рассеиваемую мощность и величину теплового сопротивления. Надо помнить, что превышение допустимой температуры чипа может привести к выходу элемента из строя.

Интересно отметить, что маркетологи фирм-производителей предпринимают постоянные попытки сделать техническую документацию более привлекательной для пользователей. Они завышают значение Ifav, пытаясь таким образом представить свои диоды более мощными, чем у конкурентов. Фокус в данном случае состоит в попытке определить параметры выпрямителя в нереальных условиях эксплуатации или при тепловом сопротивлении конструкции, не реализуемом на практике. Типичным ухищрением является нормирование характеристик чипа для случая его установки на гибридную подложку.

Однако законы физики распространяются на всех производителей диодов. Ключевым для данного случая является следующее выражение, определяющее перегрев кристалла диода в зависимости от рассеиваемой мощности и теплового сопротивления:

Данная формула является приближенной, поскольку в ней не учитываются потери, вызванные токами утечки, динамические потери при обратном восстановлении и температурная зависимость прямого падения напряжения Vf.

Чтобы получить абсолютно корректный результат, необходимо сумму всех имеющихся потерь умножить на величину теплового сопротивления. При сопоставлении характеристик выпрямителей не следует сравнивать справочные значения Ifav, в то время как сопоставление прямого падения напряжения Vf вполне корректно, поскольку это значение непосредственно связано с размером кристалла и, следовательно, с его мощностью.

Давайте взглянем на типовой график зависимости Vf от тока выпрямителя, приводимый в технических характеристиках. Это простое действие позволит вам сравнить размеры чипов в компонентах, которые вы собираетесь приобрести. Необходимо отметить, что данное утверждение не справедливо для быстрых диодов, поскольку для них параметр Vf зависит от количества легирующих материалов золота (Au) или платины (Pt), используемых для уменьшения времени обратного восстановления trr.

Некоторые производители определяют величину прямого тока Ifav при коэффициенте заполнения 50%, хотя промышленным стандартом является 100%. Это дает им очевидную возможность завышать нормы.

Из приведенного выше выражения для Tjmax видно, что снижение значения теплового сопротивления «кристалл — окружающая среда» Rth(j-a) позволяет увеличивать значение Ifav и этот трюк также широко применятся рядом производителей.

Кривая снижения значения среднего выпрямленного тока в зависимости от температуры для случая использования алюминиевой подложки, показанная на рисунке 1, является типичным примером подобной маркетинговой хитрости. Для конкурирующего прибора нормальные условия эксплуатации определяются для выпрямителя «установленного печатную плату из эпоксистеклопластика или стандартного материала FR4». В некоторых случаях параметры могут нормироваться для PCB других типов, однако, как правило, тепловое сопротивление при этом оказывается еще выше.

Читайте так же:
Тепловые источники тока применение

Кривая для «алюминиевой подложки» относится к случаю использования диода в гибридной схеме. Очевидно, что такая характеристика выглядит для пользователя более привлекательно, однако следует учесть, что она справедлива только для менее 1% применений! Тем не менее, некоторые производители диодов публикуют только такую кривую.

Технические характеристики, приводимые в документации Diotec, всегда нормированы из условия применения стандартных материалов PCB эпоксистеклопластик / FR4.

Другим способом корректного сравнения является использование условий измерения теплового сопротивления. В приведенном примере, являющемся достаточно типичным для промышленных применений, элемент монтируется методом пайки на омедненную контактную площадку размером 1,3 × 1,3 мм на плате из эпоксистеклопластика. Изменяя условия пайки или размер площадки, можно уменьшить тепловое сопротивление. С точки зрения разработчика это очень хорошо, поскольку снижение температуры чипа увеличивает его срок службы и время наработки на отказ. Однако это еще и помогает маркетологам завышать технические характеристики компонентов, поэтому будьте очень внимательны при использовании подобных кривых.

Кривая, характеризующая снижение нагрузочной способности при увеличении температуры, вообще является основным источником ошибок. Очевидно, что при максимальной температуре кристалла ток должен быть нулевым, однако все остальные участки характеристики могут быть использованы в целях маркетинга. Это становится понятным, например, при сравнении кривых, показанных на рисунках 1 и 2. Обратите внимание на то, что в первом случае параметры нормируются при заданной температуре окружающей среды, а во втором — при температуре контактов элемента. Полное значение теплового сопротивления smd диода включает 2 составляющих: тепловое сопротивление «кристалл — вывод» и «вывод — контакт печатной платы». Вторая часть этой характеристики в большинстве практических применений вносит более 90% в общее значение. Это и является источником ошибок при использовании кривой, нормированной для температуры выводов, которая на практике ограничена значением не более 95°C.

Наклон рассматриваемой нами кривой определяется тепловым сопротивлением конструкции, которая во многом зависит от свойств печатной платы и топологии трассировки. С этой точки зрения характеристика, предоставляемая изготовителем диода, может оказаться слишком оптимистичной. Точка начала перегиба кривой выбирается производителем и тоже используется как маркетинговый инструмент, повышающий привлекательность компонента. Например, диод, у которого снижение тока начинается со 110°C, кажется нам более мощным, чем выпрямитель, у которого излом характеристики происходит при 25°C.

При сравнении двух диодов также очень полезно представлять себе их конструкцию и способ корпусирования. Например, корпус MiniMELF имеет длину всего 3,5 мм, но при этом наличие массивных медных выводов, припаянных к кристаллу, означает, что тепло от него будет отводиться очень эффективно (см. рис. 3). Это является очевидным преимуществом такого типа корпуса перед smd-конструктивом c плоскими (см. рис. 2) или аксиальными выводами. Чем меньше поперечное сечение контакта, тем хуже тепловое сопротивление и ниже допустимая плотность тока. Использование MELF технологии позволяет компании Diotec производить надежные выпрямительные диоды с номинальным током 1 А в миниатюрном корпусе MiniMELF, а в корпусе MELF-длиной 5 мм — с током до 3 А.

Ценность технологий, используемых при производстве выпрямителей, явно недооценена. Десятки миллиардов диодов выпускается промышленностью каждый год, среди них выпрямители являются самыми популярными элементами силовой электроники. Диоды рассеивают большое количество мощности, они должны работать при высоких напряжениях и высоких температурах кристаллов. С точки зрения показателей надежности выпрямители используются в стрессовых условиях, но при этом находятся и под мощным ценовым давлением.

Одним из путей повышения надежности является снижение теплового сопротивления и, следовательно, уровня перегрева. Поскольку значение этого параметра во многом зависит от свойств конструкции, пользователям рекомендуется уделять самое пристально внимание тепловым характеристикам и измерять реальные значения рабочих температур. При использовании справочных данных, предоставляемых производителями компонентов, необходимо тщательно анализировать условия нормирования параметров и адаптировать их к реальным режимам эксплуатации.

Способность аппарата выдерживать кратковременное тепловое действие тока К.З. без повреждений, препятствующих дальнейшей исправной работе, называется термической стойкостью аппарата.

Вопросы для самопроверки:

· Суть явлений поверхностного эффекта и эффекта близости.

· Что понимается под Джоулевыми потерями?

· Дайте определение постоянной времени нагрева.

· В чем основное отличие теплового процесса при продолжительном режиме работы аппарата от теплового процесса при кратковременном режиме работы?

· Дайте определение термической стойкостью аппарата.

Вопросы к экзамену:

7. Основные источники теплоты в электрических аппаратах.

8. Тепловые процессы при продолжительном режиме работы аппарата.

9. Тепловые процессы при кратковременном режиме работы аппарата.

10. Тепловые процессы при повторно-кратковременном режиме работы аппарата.

11. Нагрев аппарата при коротком замыкании.

ЛЕКЦИЯ 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

1. Общие сведения.

2. Условие гашения дуги постоянного тока.

3. Условие гашения дуги переменного тока.

4. Способы гашения дуги.

Общие сведения.

В коммутационных электрических аппаратах, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает электрическийразряд в газе либо в виде в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд встречается на контактах маломощных реле и далее не рассматривается.

Дуга — электрический разряд в газе для которого характерны: ясно очерченная граница между дуговым столбом и окружающей средой; высокаяплотностью тока в дуговом столбе (десятки — сотни А/мм 2 ); высокая температура 5000…25000 о К.

Читайте так же:
Пример теплового источника тока

Процесс возникновения дуги.При расхождении контактов вначале уменьшается контактное давление и соответственно контактная поверхность, увеличиваются переходное сопротивление — начинаются местные перегревы, которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии, когда под воздействием высокой температуры увеличивается скорость движения электронов, и они вырываются с поверхности электрода. Плотность тока при этом невелика и может быть достаточной для возникновения электрической дуги, но она недостаточна для ее горения.

В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение. Поскольку при этом расстояние между контактами мало, возникает электрическое поле высокой напряженности, под воздействием которого с поверхности электрода вырываются электроны – происходит автоэлектронная эмиссия. Плотность тока также невелика и не достаточна для дальнейшего горения дуги.

Процессы, поддерживающие горение дуги. В дуговом разряде различают три области:

Околокатодная областьзанимает весьма небольшое пространство, менее 10 -6 м. Падение напряжения на ней составляет 10-20В и практически не зависит от тока. Средняя напряженность электрического поля достигает 100кВ/см. Такая весьма высокая напряженность электрического поля, достаточная для ударной ионизации газа этой области. Однако ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости, достаточной для ударной ионизации. Чаще всего после удара атом переходит в возбужденное состояние (электрон атома переходит на более удаленную от ядра орбиту). Теперь для ионизации возбужденного атома требуется меньшая энергия. Происходит ступенчатая ударная ионизация — ионизация нейтральных частиц при многократном столкновении с электронами.

Положительные ионы разгоняются в поле катодного падения напряжения и бомбардируют катод. При ударе ионы отдают свою энергию катоду, нагревая его и создавая условия для выхода электронов, происходит термоэлектронная эмиссия электронов с катода.

Таким образом, околокатодная область является поставщиком электронов в ствол электрической дуги.

Область ствола электрической дугипредставляет собой газообразную, термически возбужденную ионизированную квазинейтральную среду- плазму, в которой под действием электрического поля носители зарядов (электроны и ионы) движутся в направлении к электродам противоположного знака. Однако скорость тяжелых положительных ионов значительно ниже скорости электронов, поэтому в дуге протекает электронный ток. Проводимость плазмы приближается к проводимости металлов.

Средняя напряженность электрического поля около 20-30В/см, что недостаточно для ударной ионизации. Основным источником электронов и ионов является термическая ионизация, когда при большой температуре скорость нейтральных частиц увеличивается настолько, что при их столкновении происходит их ионизация. Термическая ионизация — основной процессподдерживающий горение дуги.

В дуговом столбе наряду с ионизацией протекают процессы деионизции за счет рекомбинации — нейтрализации частиц за счет соединения ионов с зарядами различных знаков и диффузии – выхода заряженных частиц из области с большей их концентрации в область меньшей концентрации ( из ствола дуги в окружающее пространство). В стабильно горящей дуге процессы ионизации и деионизации уравновешены – наблюдается динамическое равновесие.

Околоанодная область, имеющая весьма малую протяженность, характеризуется также резким падением потенциала. Околоанодная область не оказывает существенного влияния на возникновение и условие существования дугового разряда. Задача анода сводится к приему электронного потока из ствола дуги.

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) (рис.5.1.а поз.1)устанавливает связь между различными значениями установившегося постоянного тока и падением напряжения на дуге. В этом случае при каждом значении установившегося постоянного тока устанавливается тепловой баланс (количество тепла выделяемого в дуге равно количеству тепла отдаваемого дугой в окружающую среду)

Характеристика имеет падающий характер. Напряжение на дуге равно произведению силы тока на сопротивление дуги. При увеличении силы тока возрастает степень ионизации дуги, вследствие чего снижается сопротивление дуги , причем так резко, что напряжение на ней падает, несмотря на рост тока.


5.1. Дуга постоянного тока

Динамическая вольтамперная характеристикаустанавливает связь между быстро изменяющимся током, когда вследствие тепловой инерции дугового столба тепловой баланс не успевает установиться.

Динамическая ВАХ при возрастании тока лежит выше статической ВАХ (рис.5.1. поз.2), так как снижение сопротивления дуги происходит медленнее, чем в случае статической ВАХ .

Динамическая ВАХ при снижении тока лежит ниже статической ВАХ (рис.5.1. поз.3), так как рост сопротивления дуги происходит медленнее, чем в случае статической ВАХ .

Таким образом, определенным условиям горения дуги соответствует одна статическая ВАХ и бесконечное множество динамических ВАХ, соответствующих различным скоростям изменения тока.

Напряжение при котором зажигается дуга называется напряжением зажигания Uз. Напряжение на дуге при уменьшении тока до нуля называется напряжением гашения Uг. Это напряжение всегда меньше напряжения зажигания.

Если падение напряжения на стволе дуги мало по сравнению с суммой падения напряжения у катода и анода то дуга считается короткой. Условия гашения короткой дуги в значительной степени определяются процессам происходящими у электродов, и условиями их охлаждения.

Если падение напряжения на стволе дуги значительно больше околоэлектродных, и последними можно пренебречь то дуга считается длинной. Условия существования таких дуг определяются процессами в стволе дуги.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Тепловой расчет

В наше время повысился интерес к созданию твердотельных источников света на основе светодиодов. Световая эффективность полупроводниковых излучателей уже достигла 100 люмен на ватт.

Читайте так же:
Как соединить перебитые провода теплого пола

Вместе с тем, стремление к дальнейшему повышению выхода светового потока неизбежно приводит к увеличению прямого тока через кристалл полупроводника, и как следствие, увеличению тепловыделения.

Данные исследований говорят о том, что примерно 65

85% электроэнергии при работе светодиода уходит в тепло. При неправильном тепловом расчете устройства излишек тепла повышает температуру активной области кристалла, что приводит к уменьшению максимального оптического выхода и ограничивает срок службы светодиода. К тому же полимер, из которого изготовлен корпус светодиода, нельзя нагревать свыше определенного предела – деформация колбы может привести к обрыву токовода. Понятно, что температура кристалла, находящегося внутри полимерной колбы, не должна превышать некоего значения в определенном интервале времени. Если не принять должных мер по отводу излишнего тепла, то все вышеперечисленные неприятные последствия неизбежно скажутся. Именно поэтому многие производители не решаются на серийный выпуск светодиодов с рассеиваемой мощностью более 3

Предлагаемый ниже материал предназначен для изучения основных тепловых свойств мощных светодиодов на примере светодиодов DORADO производства фирмы COTCO Ltd. Сейчас эти светодиоды сняты с производства, но описанная ниже методика применима к любым светодиодам, в том числе и к продукции фирмы CREE в корпусах XP-C, XP-E и XP-G, поскольку их конструкция близка к описанному ниже устройству DORADO.

Рассмотрим внутреннее устройство светодиода DORADO. Кристалл приклеен токопроводящим клеем с высокой теплопроводностью к медной подложке относительно больших размеров. Оптическая линза из полимера защищает конструкцию от внешних воздействий и формирует световой поток. Рисунок 2 поясняет модель теплового сопротивления для DORADO, припаянного на печатную плату из фольгированного алюминия (Al PCB).

Можно сравнить особенности конструктивного исполнения светодиодов LUXEON и DORADO, и способы их монтажа на печатную плату (Рис.3). Видно, что LUXEON припаян за ленточные выводы и требует установки на теплоотводящую пасту, в отличие от DORADO, весь корпус которого припаивается на печатную плату.

Мощность, рассеиваемая на светодиоде, прямо пропорциональна прямому напряжению и прямому току через светодиод.

PD = IF * VF, где PD = Рассеиваемая мощность; IF = Прямой ток; VF = Прямое напряжение

Рассеиваемая мощность выделяется на кристалле и повышает его температуру. Если температура перехода (кристалла) становится выше оговоренной в технической документации (DATASHEET), светодиод может быть поврежден. Температура p-n перехода рассчитывается следующим образом:

TJ = Ta + PD (θ jc + θca), где TJ =температура p-n перехода; Ta =температура окружающей среды; θ jc =тепловое сопротивление между p-n переходом и корпусом; θ ca=тепловое сопротивление между корпусом и окружающей средой.

Тепловое сопротивление определяется как отношение разности температур к соответствующему рассеянию мощности. Рассчитать температуру p-n перехода при конкретном тепловом сопротивлении θja можно с помощью следующих уравнений:

TJ — TA = PD * (θ jc+ θ cb+ θ ba)

где Tja = TJ — Ta (разница между температурой p-n перехода и температурой окружающей среды)

и θ ja = θj c+ θ cb+ θ ba или θ ja = θj c+ θ ca (тепловое сопротивление между p-n переходом и окружающей средой).

Для количества светодиодов, больше одного

= (θj c/n)+ θ ca, где n – количество светодиодов на одной плате.

При тепловом расчете проектируемого устройства многие параметры можно найти в технической документации. Важнейший из этих параметров – температура перехода, которая не должна превышать установленного максимального значения. Параметры белого DORADO LD-700DWN6-70 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры белого DORADO LD-700DWN6-70

Junction temperature Tj maxМаксимально допустимая температура p-n перехода125°C
Junction temperature TjРекомендуемая температура p-n перехода110°C
Junction-to-ambiente θ jaТепловое сопротивление между p-n переходом и окружающей средой45°C/Вт
Junction-to-case θ jсТепловое сопротивление между p-n переходом и корпусом светодиода15°C/Вт

Примечание: Данные приведены при установке светодиода на Al PCB пластину размером 20*20*2 мм.
При оптимизации теплоотвода значения θ jс и θ ja уменьшатся.

К числу факторов, влияющих на тепловой режим, можно отнести величину прямого тока через светодиод, температуру окружающей среды, материала печатной платы и радиатора. При проектировании на уровне устройства тепловые сопротивления между корпусом светодиода и печатной платой, печатной платой и окружающей средой должны быть рассчитаны дополнительно.

Тепловой расчет

Для понимания влияния температуры окружающей среды и теплового сопротивления материалов, используемых для печатной платы, в лаборатории COTCO Ltd. были исследованы светодиоды DORADO, припаянные на плату Al PCB размером 20*20*2 мм. Температура корпуса измерялась с помощью термозонда, введенного сквозь отверстие диаметром 1 мм в плате под медным основанием корпуса светодиода (Рис. 4).

Через 30 минут после включения питания была проведено измерение температуры корпуса. Данные измерений приведены в таблице 2.

Таблица 2. Температура корпуса через 30 мин. после включения

Модель DORADOIf (мА)Vf (В)PD, Вт.Ta (0C)Tc (0C)Tj (0C)θJc (0C/Вт)
LD-700AWN1-703503.61.262577889
LD-700ABL1-E03003.61.0825708110
LD-700APG1-E03003.61.0825728310
LD-701CHR1-A54502.41.0824688213
LD-701CYL1-A54502.41.0824708413

Наряду с радиатором из Al PCB были исследованы и другие виды печатных плат размером 20*20 мм из фольгированного стеклотекстолита FR4, и из двустороннего стеклотекстолита с просверленными дополнительными сквозными металлизированными отверстиями диаметром 0,4 мм. При пайке DORADO эти отверстия заполняет припой. На этих платах не установлены никакие другие компоненты, излучающие тепло во время работы. Эксперимент проводился при температуре окружающей среды 25 °C и нормальной влажности (Рис. 5).

Читайте так же:
Где применяется тепловое действие тока в быту

Спустя 30 минут после подачи питания радиатор из Al PCB имел более низкую температуру, чем печатная плата из фольгированного стеклотекстолита FR4, так как у него более низкое тепловое сопротивление, что позволяет отдать большее количество тепла в окружающую среду.

Однако печатная плата из двустороннего фольгированного стеклотекстолита за счет наличия дополнительных металлизированных отверстий имеет тепловые характеристики даже лучше, чем у фольгированного алюминия (Табл. 3).

Таблица 3.

Материал платыИзмеренная температураθ ba (тепловое сопротивление между платой и окружающей средой)
Стеклотекстолит FR484.8 °C59.8 °C/Вт
Al PCB76.6 °C51.6 °C/Вт
Стеклотекстолит FR4 с отверстиями75.5 °C50.5 °C/Вт

При увеличении количества отверстий теплопроводность платы из фольгированного стеклотекстолита FR4 еще более увеличивается (Рис. 6, 7).

Размеры платы и расположение в пространстве

Размеры, материал печатной платы и расположение ее в пространстве тоже влияют на величину теплового сопротивления светодиод — окружающая среда. Было проведено экспериментальное исследование для изучения этих параметров. Замерялась температура корпуса после работы светодиода в течение 30 минут. Данные исследований сведены в таблицах 4,5.

Таблица 4.

Плата из Al РСВIf (мА)
Размеры, мм60x60x1.860x40x1.860x20x1.820x20x1.8
Объем (мм 3 )648043202160720
Площадь (мм 2 )360024001200400
LD-700AWN1-7047566880350
LD-700ABL1-E045536375300
LD-700APG1-E046546376300
LD-701CHR1-A544526174450
LD-701CYL1-A545526275450
Таблица 5.

Плата из двустороннего текстолита FR4 с 4 отверстиямиIf (мА)
Размеры, мм60x60x1.860x40x1.860x20x1.820x20x1.8
Объем (мм 3 )648043202160720
Площадь (мм 2 )360024001200400
LD-700AWN1-70747579,881,7350
LD-700ABL1-E063,468,17276,5300
LD-700APG1-E071,271,577,379,8300
LD-701CHR1-A567,672,176,882,9450
LD-701CYL1-A571,676,379,284,1450

Графики на рисунках 8 и 9 иллюстрирует таблицу 4 и 5, а график на рис. 10 иллюстрирует зависимость теплового сопротивления плат различного размера из фольгированного алюминия при разной ориентации в пространстве. При вертикальном размещении отвод тепла в условиях естественной конвекции будет лучше, чем при горизонтальном. Используя этот же график можно рассчитать необходимую площадь платы для достижения необходимого теплового сопротивления.

Приведем конкретный пример расчета теплового сопротивления печатной платы на открытом воздухе.

Таблица 6. Расчетные параметры

Та = температура окружающей среды (макс)40°СПредположительно
Tj= температура р-n перехода110°СРекомендуемые данные ИЗ технической документации
θ jс = тепловое сопротивление между р-п переходом и корпусом15вС/ВтСогласно данным из технической документации
IF= Прямой ток0,25АЗначение при данном расчете
VF= Прямое напряжение3.8 В.Согласно данным из технической документации
Количество светодиодов, шт.1 или 4
θcb = тепловое сопротивление припоя между корпусом и печатной платой.3°С/ВтЗначение при данном расчете

Расчет

Рассеиваемая мощность на светодиоде PD = VF * IF = 0,95 Вт

θJa= ( TJ – TA )/PD =73,7°C/Вт

θJB светодиода= θJc + θcb =18°C/Вт

θBA печатной платы = θJa — θJB =55,7 °C/Вт

По графику видно, что такое тепловое сопротивление обеспечит плата AlPCB площадью примерно 400 кв. мм. Расчет для сборки светодиодов из 4 штук.

Рассеиваемая мощность на светодиодах

PD = 4*(VF * IF )= 3,8 Вт.

θJa= ( TJ – TA)/PD =18,4°C/Вт

θJB светодиода = θJc + θcb =18°C/Вт

θJB сборки светодиодов = θJB / 4 шт= 4,5°C/Вт

θBA печатной платы = θJa — θJB = 13,9 °C/Вт.

Для нормальной работы такой сборки мы должны использовать плату площадью более 3500 кв. мм или подобрать дополнительный радиатор с соответствующими тепловыми характеристиками.

В продажу светодиоды поступают на ленте и россыпью, а также уже смонтированные на Al PCB радиаторах квадратной или звездообразной формы. (Рис. 11) Нам часто задают вопрос – при какой максимальной температуре окружающей среды могут работать светодиоды на Al PCB радиаторе.

Расчеты для синего DORADO показывают следующее:

Ta = T j- PD*(θJc+θca)= 110°C – 1.08*(10+51.6) =43,5 °C

При температуре перехода 125°C температура окружающей среды допускается 58,5 °C – это предельное значение.

Применение радиатора

Использование дополнительного радиатора – более эффективный метод, чем увеличение размера платы.

С его помощью можно значительно уменьшить температуру корпуса светодиода. Были проведены экспериментальные исследования двух видов алюминиевых радиаторов (Pис.12), размерами 28x18x8мм и 38x38x6мм.

Влияние температуры окружающей среды

При увеличении температуры окружающей среды увеличивается и температура печатной платы с установленным на ней светодиодом. Чтобы компенсировать рост температуры корпуса светодиода, необходимо увеличить размер печатной платы и/или размер радиатора, что часто бывает затруднительно из-за ограничений в размере корпуса готового устройства. Возможно, придется поступиться некоторыми светотехническими параметрами при поиске компромисса в решении данной задачи. При этом необходимо учитывать, что пиковая длина волны может изменяться примерно на 0,1 нм на каждый градус C изменения относительно комнатной температуры (25°C). Графики на рисунках 13-16 показывают изменение длины волны на красном, желтом, зеленом и синем светодиоде соответственно, а график на рис.17 – на белом светодиоде. Видно, что с нагревом свечение будет казаться голубым.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию