Stabilization of LEDs thermal conditions by thermoelectric modules of cooling

Abstract

Для стабілізації теплового режиму LED запропоновано використовувати термоелектричні модулі охолодження (TCM). Термоелектрична система охолодження має ряд переваг у порівнянні з іншими системами, а саме: високу надійність і відсутність рухомих частин, компактність і невелику вагу, малу інерційність і безшумність роботи. Система охолодження працює за рахунок виникнення перепаду температур між гарячою і холодною поверхнями TCM. Побудовано теплову математичну модель термоелектричної системи охолодження. Розв’язано систему рівнянь, яка містить стаціонарне рівняння теплопровідності, рівняння термогенерації та рівняння генерації холоду. Розраховано температуру гетеропереходу LED залежно від його потужності, загального теплового опору системи охолодження, температури навколишнього середовища та холодопродуктивності TCM. Отримано аналітичні залежності температури гетеропереходу від струму живлення TCM різних потужностях LED та при різних значеннях теплового опору системи охолодження. При даній тепловій потужності LED та тепловому опорі системи охолодження знайдено оптимальну величину струму живлення TCM, при якому температура гетеропереходу LED досягає мінімуму. При струмах, близьких до оптимального, термоелектрична система охолодження дозволяє отримувати нижчі значення температури гетеропереходу ніж традиційна. Показано, що застосування TCM дає можливість зменшити температуру гетеропереходу LED до значень, нижчих температури навколишнього середовища. Це особливо актуально в умовах, коли температура середовища близька до критичної температури гетеропереходу. Показано, що ефективність використання TCM знижується при збільшенні потужності LED, температури навколишнього середовища й сумарного теплового опору системи охолодження. При аналізі ефективності роботи системи охолодження слід керуватися не лише параметрами TCM, а й параметрами всієї системи охолодження LED у цілому.

It is suggested to use the thermoelectric cooling modules (TCM) to stabilize the LED thermal mode. The thermoelectric cooling system has several advantages over other systems, such as: high reliability and absence of moving parts, compactness and low weight, low inertia and noiselessness of operation. The cooling system operates due to the temperature difference between the hot and cold TCM surfaces. The thermal mathematical model of the thermoelectric cooling system is constructed. The system of equations including the stationary heat conductivity equation, the thermogeneration equation, and the cold generating equation is solved. The temperature of the heterojunction of the LED is calculated, depending on its power, the total thermal resistance of the cooling system, the ambient temperature and the cold productivity of TCM. The analytical dependences of the temperature of the heterojunction on the current supply of TCM at various LEDs and at various values of the thermal resistance of the cooling system are obtained. With the given thermal power of LED and the thermal resistance of the cooling system, an optimal value of the TCM supply current is found, in which the temperature of the heterojunction of the LED reaches its minimum. At current value that is close to the optimal, the thermoelectric cooling system allows to achieve lower value of the temperature of the heterojunction in comparison with the traditional one. It has been shown that the use of TCM makes it possible to reduce the temperature of the heterojunction of the LED to the values that are lower than the ambient temperature. This is especially actual under the condition of the temperature of the medium is close to the critical temperature of the heterojunction. It has been shown that the efficiency of using the TCM decreases with the increasing of LED power, ambient temperature and total thermal resistance of the cooling system. When analyzing the efficiency of the cooling system, it should be guided not only by the parameters of the TCM, but also by the parameters of the entire LED cooling system as a whole.