Problém přehřátí světelných LED a jejich řešení

Ve srovnání s rychle mizejícími světelnými zdroji mají LED zdroje pouze jeden, ale velmi závažný nedostatek. Jejich trvanlivost a spolehlivost do značné míry závisí na účinnosti odvádění tepla ze součástí emitujících světlo. Proto je ochranný obvod LED před přehřátím důležitou součástí každého vysoce kvalitního LED osvětlovacího systému.

Průměr osvětlení vedlo desetkrát lepší energetická účinnost (ziskovost) než tradiční žárovka s vláknem. Pokud však LED není nainstalována na radiátoru s dostatečnou plochou, bude s největší pravděpodobností rychle selhat. Obecně se přijímá, aniž by docházelo k podrobnostem, že účinnější osvětlovací LED diody vyžadují účinnější odvod tepla než konvenční.

Prozkoumejme však problém hlouběji. Vyhodnotíme dvě žárovky: první je halogenová, druhá LED. A poté - věnujme pozornost způsobům, jak zachovat životnost LED a prodloužit životnost jejich ovladačů. Faktem je, že ochranná část osvětlovacího systému LED by měla zajišťovat bezpečné fungování jak LED, tak obvodů budiče.

Máme například dvě světla. Obě zařízení poskytují 10 W světelného výkonu. Jediný rozdíl je v tom, že halogenové bodové světlo vyžaduje 100 wattů elektrické energie a LED pouze 30 wattů.

Víme, že LED diody jsou v produkovaném světle asi 10krát účinnější, ale ve skutečnosti jsou extrémně citlivé na vysoké teploty, a proto je pro ně velmi důležitý teplotní režim, ve kterém je přeměna energie elektrického proudu na světlo velmi důležitá.

Pro svítidlo s halogenovou žárovkou je pracovní teplota i při +400 ° C bezpečná norma, zatímco pro LED diody je teplota krystalu +115 ° C již kriticky nebezpečná a maximální teplota pouzdra diody je pouze +90 ° C. Proto se nesmí dovolit přehřívání LED, a existuje několik důvodů.

Se zvyšující se teplotou přechodu emitujícího světlo se snižuje účinnost světla LED, což závisí jak na konstrukci LED, tak na stavu prostředí. Kromě toho se LED diody v zásadě liší v záporném teplotním koeficientu přímého úbytku napětí na křižovatce. To znamená, že se zvýšením teploty přechodu klesá přímý pokles napětí. Obvykle se tento koeficient liší od -3 do -6 mV / K.

Pokud je tedy při 25 ° C přímý pokles napětí přes LED 3,3 V, pak při 75 ° C to bude již 3 nebo méně voltů. A pokud ovladač LED nesnižuje napětí na všech montážních diodách LED, jak se teplota zvyšuje, pak se v jednom jemném okamžiku proud bude udržovat nedostatečně vysoký, což povede k přehřátí, přetížení, dalšímu poklesu přímého úbytku napětí a ještě rychlejšímu zvýšení teploty krystalu. Levné LED žárovky s omezením odporového proudu tuto nevýhodu často ukazují v nej neočekávanějším okamžiku.

Tolerance pro kolísání napětí napájecího zdroje v kombinaci s rozdíly v přímém úbytku napětí na LED (ve fázi výroby nejsou LED ideální pro tento parametr) a díky zápornému teplotnímu koeficientu úbytku napětí - tyto faktory mohou kdykoli způsobit bezpečnostní narušení způsob provozu LED a vyvolání skluzu k jeho vlastní destrukci.

Samozřejmě, pokud je konstrukce LED lampy (zejména zářiče) dostatečně spolehlivá, lze krátkodobé poklesy jasu zanedbat, protože jsou velmi vzácné a tyto přehřátí jsou krátkodobé. Pokud je však přehřívání nepřetržité, pak se nárůst teploty okamžitě změní na skutečnou hrozbu pro lampu.

Důvody selhání LED při přehřátí

LED diody jsou zničeny přehřátím z několika důvodů. Prvním důvodem je změna mechanického napětí uvnitř krystalu emitujícího světlo a monolitická sestava LED. Druhým je porušení těsnosti, pronikání vlhkosti a oxidace. Ochranná epoxidová vrstva degraduje, na hranicích dochází k delaminaci a krystalové kontakty podléhají korozi.

Zatřetí, nárůst počtu dislokací v krystalu vede ke změně v současných drahách a výskytu bodů nadměrné proudové hustoty a následně k přehřátí těchto bodů. Konečně - jev difúze kovů při kontaktech při zvýšených teplotách, což také nakonec vede k nefunkčnosti LED.

Vývojáři LED se snaží co nejlépe minimalizovat tyto faktory selhání, a proto po celou dobu technologicky zlepšují výrobní proces. Nicméně kvůli přehřátí jsou poruchy stále nevyhnutelné, i když se zlepšením výrobního procesu stávají méně běžnými.

Mechanický tlak je nejčastější příčinou předčasného selhání LED. Sečteno a podtrženo, že během přehřátí změkčuje tmel, elektrické kontakty a spojovací vodiče jsou přemístěny z „tovární“ polohy, a když teplota konečně klesne, dochází k ochlazování a tmel opět tuhne, ale současně tlačí na mírně přemístěné spoje, což nakonec vede k jasnému porušení původně jednotné vodivosti. Naštěstí LED diody vyrobené bez připojovacích vodičů tuto nevýhodu prakticky postrádají.

Podobný problém mají také pájené spoje mezi LED a substrátem. Pravidelný cyklický, neviditelný pro oko, změkčení a ztvrdnutí končí výskytem trhlin v pájkách a narušením počátečního kontaktu. Proto k poruchám LED dochází v důsledku otevřeného obvodu a tato mezera často není viditelná. Chcete-li tomuto problému zabránit, můžete minimalizovat rozdíl mezi bezpečnou provozní teplotou LED a okolní teplotou.

Výkonné LED diody (spotřebovávající více elektrické energie) dávají více světla, ale jejich světelný výkon je stále omezený. To je důvod, proč spotřebitelé a výrobci mají často nebezpečné pokušení ovládat LED diody v lampě na plný výkon, aby dosáhli maximálního možného jasu. Je však opravdu nebezpečné, pokud nezajistíte dostatečné účinné chlazení.

Designéři samozřejmě chtějí vytvořit elegantní příslušenství zajímavých tvarů, ale někdy zapomínají, že je nutné zajistit přiměřený pohyb vzduchu a dostatečný odvod tepla - to je často nejdůležitější věc pro LED diody po stabilním a vysoce kvalitním zdroji energie.

Ano, a přímá instalace LED světel je důležitá. Pokud je jedna lampa instalována nad druhou jako výkonná, pak může být proud vzduchu z dolní lampy zpomalen horní lampou, a proto bude spodní lampa v horších teplotních podmínkách. Nebo například tepelná izolace ve stěně nebo na stropě místnosti může narušovat odvod tepla, i když byly při návrhu svítidla všechny tepelné výpočty provedeny dokonale a technologicky byly provedeny co nejpřesněji. Přesto se pravděpodobnost selhání zvyšuje jednoduše kvůli vyrážce a negramotné instalaci konečného produktu.

Jedním z hodnotných řešení problému přehřátí LED je zařazení teplotní ochrany do obvodu řidiče se zpětnou vazbou přesně podle teploty. Když teplota chladiče z nějakého důvodu nebezpečně vzrostla - pro snížení výkonu, aby byla teplota udržována v bezpečném rozsahu, proud automaticky klesá.

Nejjednodušší řešení je přidat do schématu. termistor s kladným teplotním koeficientem (To je možné se záporným teplotním koeficientem, ale pak by obvod měl invertovat signál v zpětnovazebním obvodu).

Příklad tepelné ochrany pomocí termistoru

Zvažte například obvod založený na specializovaném mikrokontroléru s obvodem omezujícím proud. Když teplota stoupne nad určitý práh (nastavený termistorem a odpory), termistor s kladným koeficientem odporu, namontovaný na chladiči společně s LED, zvyšuje jeho odpor, což vede k odpovídajícímu poklesu proudu ve výstupním obvodu ovladače.

V tomto ohledu jsou velmi výhodné obvody ovladače s řízením jasu PWM (modulace šířky pulsu), která umožňuje simultánní a manuální nastavení jasu a chrání LED před přehřátím.

Řešení s termistorem je výhodné v tom, že ke změně proudu, a tedy ke snížení jasu, dojde v takovém schématu hladce, neviditelně pro oči a nervový systém, což znamená, že nic nebude blikat a nebude způsobovat podráždění pro lidi a zvířata v okolí. Teplota horní meze je jednoduše určena volbou termistoru a rezistoru. To je mnohem lepší než řešení s tepelnými senzory, které jednoduše ostře otevřou obvod a počkají, až chladič vychladne, a poté znovu zapnou osvětlení při plném jasu.

Specializované LED čipy ovladačesamozřejmě stojí peníze, ale spolehlivost a životnost získané lampy za tuto investici opakovaně zaplatí.

Je třeba si uvědomit, že za normálních teplotních podmínek provozu LED se jejich životnost měří v desítkách tisíc hodin, potom samy zmizí otázky týkající se materiálních nákladů „správného“ ovladače.

Je důležité poskytnout řidiči konstantní nízkou teplotu, proto ji prostě nemusíte umisťovat v blízkosti radiátoru LED. Špatně děláte ty, kteří se snaží utěsnit umístění komponent uvnitř projektoru. Je lepší zobrazit kryt řidiče jako samostatnou jednotku. Zde je bezpečnost a obezřetnost klíčem k životnosti LED.

Nejlepší mikroobvody pro správu napájení LED jsou vybaveny vnitřními obvody pro ochranu před vlastním přehřátím v případě, že by mikroobvod z konstrukčních důvodů vývojáře svítidla měl být přesto umístěn ve stejném krytu se znatelně topnými komponenty, jako je radiátor. Je však lepší nenechat mikroobvod přehřát se nad 70 ° C a vybavit jej vlastním radiátorem. Poté budou LED i mikroobvod řidiče žít déle.

Zajímavé může být řešení využívající dva termistory zapojené do série v okruhu tepelné ochrany. Budou to různé termistory, protože bezpečné teplotní limity pro mikroobvod a pro LED diody jsou odlišné. Dosáhne se však toho, co je potřeba - plynulé ovládání jasu jak při přehřátí řidiče, tak i při přehřátí kontrolek LED.