V současné době existují tři druhy desek plošných spojů s vysoce výkonnými LED diodami pro odvod tepla: běžná oboustranně měděná deska (FR4), citlivá měděná deska na bázi hliníkové slitiny (MCPCB) a flexibilní fólie s lepidlem na desce z hliníkové slitiny.
Účinek odvodu tepla souvisí s vrstvou mědi a tloušťkou kovové vrstvy a tepelnou vodivostí izolačního média. Obvykle se používá MCPCB s vrstvou mědi 35µm a 1,5mm hliníkovou slitinou. Flexibilní desky plošných spojů se lepí na desku z hliníkové slitiny. MCPCBS s vysokou tepelnou vodivostí samozřejmě mají nejlepší tepelný výkon, ale jejich cena také roste.
Zde jsou jako příklady výpočtu převzaty některé údaje z příkladu MĚŘENÍ TC společnosti NICHIA. Podmínky jsou následující: LED: 3W bílá LED, model MCCW022, RJC=16 °C/W. Měřicí hlavice termočlánkového teploměru typu K přivařená k chladiči.
Testovací deska plošných spojů: dvouvrstvá měděná deska (40×40 mm), t=1,6 mm, plocha měděné vrstvy svařované plochy 1180 mm2, plocha měděné vrstvy zadní strany 1600 mm2.
Provozní stav LED: IF-500mA, VF=3,97V
TC=71℃ bylo naměřeno termočlánkovým teploměrem typu K. Okolní teplota TA=25℃
1. Vypočítá se TJ
TJ=RJC x PD+TC=RJC (IF x VF)+TC
TJ=16 °C/W (500 mA × 3,97 V)
+71 ℃ = 103 ℃
2. Vypočítá se RBA
RBA=(TC-TA)/PD
= (71 °C - 25 °C) / 1,99 W
=23,1 ℃/W
3. Vypočítá se RJA
RJA=RJC+RBA
=16℃/W+23,1℃W
=39,1 ℃ Z
Pokud je navržená hodnota TJmax -90 °C, pak hodnota TJ vypočítaná dle výše uvedených podmínek nemůže splňovat konstrukční požadavky. Je nutné vyměnit desku plošných spojů s lepším odvodem tepla nebo zvětšit její plochu pro odvod tepla a znovu testovat a vypočítávat, dokud nebude TJ ≤ TJmax.
Další metoda spočívá v tom, že když je hodnota UC LED příliš velká, VF = 3,65 V při RJC = 9 °C / WIF = 500 mA, ostatní podmínky zůstávají nezměněny, T) lze vypočítat jako:
TJ = 9 ℃ / W + 71 ℃ (500 ma * 3,65 V) = 87,4 ℃
Ve výpočtu 71 °C výše je určitá chyba, proto je třeba pro opětovné otestování TC přivařit novou 9 °CW LED (naměřená hodnota je o něco menší než 71 °C). Na tom ale nezáleží. Po použití 9 °C/W LED není nutné měnit materiál a plochu desky plošných spojů, což splňuje konstrukční požadavky.
Chladič na zadní straně desky plošných spojů
Pokud je vypočítaná hodnota TJmax mnohem větší než konstrukční požadavek a konstrukce neumožňuje dodatečnou plochu, zvažte přilepení desky plošných spojů zpět k hliníkovému profilu ve tvaru „U“ (nebo ražení hliníkového plechu) nebo přilepení k chladiči. Tyto dvě metody se běžně používají při návrhu více výkonných LED světel. Například ve výše uvedeném příkladu výpočtu je chladič 10 °C/W nalepen na zadní stranu desky plošných spojů s TJ=103 °C a jeho TJ klesne na přibližně 80 °C.
Je třeba poznamenat, že výše uvedený TC se měří při pokojové teplotě (obvykle 15~30 °C). Pokud je okolní teplota LED lampy TA vyšší než pokojová teplota, je skutečný TJ vyšší než vypočítaný TJ naměřený při pokojové teplotě, takže je třeba tento faktor při návrhu zohlednit. Pokud se zkouška provádí v termostatu, je nejlepší nastavit teplotu na nejvyšší okolní teplotu při používání.
Kromě toho, ať už je deska plošných spojů instalována horizontálně nebo vertikálně, podmínky odvodu tepla se liší, což má určitý vliv na měření tepelného odporového čidla. Materiál pláště, velikost a otvor pro odvod tepla ve výbojce mají také vliv na odvod tepla. Proto by měla být v návrhu ponechána určitá prostorová rezerva.
Čas zveřejnění: 23. března 2022
