Le problème de la surchauffe de l'éclairage LED et des solutions

Par rapport aux sources de lumière à décoloration rapide, les sources LED n'ont qu'une seule, mais un défaut très grave. Leur durabilité et leur fiabilité dépendent en grande partie de l'efficacité de l'élimination de la chaleur des composants électroluminescents. Par conséquent, le circuit de protection de la LED contre la surchauffe est un élément important de tout système d'éclairage LED de haute qualité.

Moyenne éclairage led dix fois supérieure en efficacité énergétique (rentabilité) à une ampoule traditionnelle à filament. Cependant, si la LED n'est pas installée sur un radiateur de surface suffisante, elle échouera très probablement. Il est généralement admis, sans entrer dans les détails, que les LED d'éclairage plus efficaces nécessitent une dissipation thermique plus efficace que les LED conventionnelles.

Examinons néanmoins le problème plus en profondeur. Nous évaluerons deux lampes: la première est halogène, la seconde est LED. Et après cela, prêtons attention aux moyens de préserver la durabilité des LED et de prolonger la durée de vie de leurs pilotes. Le fait est que la partie protectrice du système d'éclairage à LED doit garantir le fonctionnement sûr des LED et des circuits de commande.

Par exemple, nous avons deux lumières. Les deux appareils fournissent 10 watts de puissance lumineuse. La seule différence est qu'un projecteur halogène nécessite 100 watts de puissance électrique et une LED seulement 30 watts.

Nous savons que les LED sont environ 10 fois plus efficaces dans la lumière produite, mais en réalité, elles sont extrêmement sensibles aux températures élevées, et donc le régime de température dans lequel la conversion de l'énergie électrique en lumière est très important pour elles.

Pour un luminaire avec une lampe halogène, une température de travail même à +400 ° C est une norme sûre, tandis que pour les LED, une température de cristal de +115 ° C est déjà extrêmement dangereuse, et la température maximale du boîtier de diode n'est que de +90 ° C. Par conséquent, la LED ne doit pas être autorisée à surchauffer, et il y a plusieurs raisons à cela.

Avec l'augmentation de la température de la transition électroluminescente, l'efficacité lumineuse de la LED diminue, et cela dépend à la fois de la conception de la LED et de l'état de l'environnement. De plus, les LED diffèrent en principe par le coefficient de température négatif de la chute de tension directe à travers la jonction. Cela signifie qu'avec une augmentation de la température de transition, la chute de tension directe à travers elle diminue. Typiquement, ce coefficient varie de -3 à -6 mV / K.

Ainsi, si à 25 ° C la chute de tension directe aux bornes de la LED est de 3,3 V, alors à 75 ° C, elle sera déjà de 3 volts ou moins. Et si le pilote de LED ne réduit pas la tension sur toutes les LED d'assemblage à mesure que la température augmente, alors à un moment précis, le courant sera maintenu insuffisamment élevé, ce qui entraînera une surchauffe, une surcharge, une nouvelle diminution de la chute de tension directe et une augmentation encore plus rapide de la température du cristal. Les lampes LED bon marché avec limitation de courant résistif présentent souvent cet inconvénient au moment le plus inattendu.

Tolérances aux fluctuations de la tension de l'alimentation en combinaison avec des différences de chute de tension directe sur la LED (au stade de la production, les LED ne sont pas idéalement identiques dans ce paramètre), et en raison du coefficient de température négatif de la chute de tension - à tout moment, ces facteurs réunis peuvent entraîner une violation de la sécurité mode de fonctionnement de la LED et provoquer une diapositive à son auto-destruction.

Bien sûr, si la conception de la lampe LED (en particulier le radiateur) est suffisamment fiable, les baisses de luminosité à court terme peuvent être négligées, car elles sont très rares et ces surchauffes sont à court terme. Mais si la surchauffe est continue, l'augmentation de température devient immédiatement une menace réelle pour la lampe.

Les raisons de l'échec des LED lorsqu'elles surchauffent

Les LED sont détruites par une surchauffe pour plusieurs raisons. La première raison est un changement de la contrainte mécanique à l'intérieur du cristal électroluminescent et de l'assemblage LED monolithique. Le second est une violation de l'étanchéité, de la pénétration de l'humidité et de l'oxydation. La couche époxy protectrice se dégrade, la délamination se produit aux limites et les contacts cristallins subissent de la corrosion.

Troisièmement, une augmentation du nombre de dislocations dans le cristal entraîne une modification des trajets de courant et l'apparition de points de densité de courant excessive et, par conséquent, une surchauffe de ces points. Enfin - le phénomène de diffusion des métaux au niveau des contacts à des températures élevées, ce qui conduit finalement à une inopérabilité de la LED.

Les développeurs de LED font de leur mieux pour minimiser ces facteurs de défaillance, et donc tout le temps, ils améliorent technologiquement le processus de production. Néanmoins, en raison de la surchauffe, les défaillances sont toujours inévitables, bien qu'elles deviennent moins courantes avec l'amélioration du processus de production.

La pression mécanique est la cause la plus courante de défaillance prématurée des LED. L'essentiel, c'est qu'avec une surchauffe, le mastic se ramollit, les contacts électriques et les conducteurs de connexion sont déplacés de la position «usine», et lorsque la température baisse enfin, le refroidissement a lieu et le mastic se solidifie à nouveau, mais en même temps appuie sur les connexions déjà légèrement déplacées, ce qui à la fin conduit à une violation claire de la conductivité initialement uniforme. Heureusement, les LED fabriquées sans conducteur de connexion sont pratiquement dépourvues de cet inconvénient.

Les joints soudés entre la LED et le substrat rencontrent également un problème similaire. Cyclique régulier, invisible à l'oeil, fin ramollissant et durcissant avec l'apparition de fissures dans les soudures et la rupture du contact initial. C'est pourquoi les pannes de LED se produisent en raison d'un circuit ouvert, et cet écart n'est souvent pas visible. Pour éviter ce problème, vous pouvez minimiser la différence entre la température de fonctionnement sûre de la LED et la température ambiante.

Les LED puissantes (consommant plus d'énergie électrique) donnent plus de lumière, mais leur rendement lumineux est toujours limité. C'est pourquoi les consommateurs et les fabricants ont souvent une tentation dangereuse de faire fonctionner les LED de la lampe à pleine puissance afin d'obtenir la luminosité maximale possible. Mais c'est vraiment dangereux si vous ne fournissez pas suffisamment de refroidissement efficace.

Bien sûr, les concepteurs veulent créer des luminaires élégants de formes intéressantes, mais parfois ils oublient qu'il est nécessaire d'assurer un mouvement d'air et une dissipation de chaleur adéquats - c'est souvent la chose la plus importante pour les LED, après une source d'alimentation stable et de haute qualité.

Oui, et l'installation directe de lampes LED est importante. Si une lampe est installée au-dessus de l'autre aussi puissante, le flux d'air de la lampe inférieure peut être ralenti par la lampe supérieure, et la lampe inférieure sera donc dans des conditions de température pires. Ou, par exemple, l'isolation thermique dans le mur ou au plafond d'une pièce peut interférer avec la dissipation thermique, même si lors de la conception de la lampe tous les calculs thermiques ont été effectués parfaitement et technologiquement, ils ont été effectués aussi correctement que possible. Néanmoins, la probabilité de défaillance augmente simplement en raison d'une installation imprudente et analphabète du produit fini.

L'une des solutions valables au problème de la surchauffe des LED est l'inclusion d'une protection de température dans le circuit d'attaque avec rétroaction précise par la température. Lorsque la température de l'émetteur augmente dangereusement pour une raison quelconque - pour réduire la puissance, afin de maintenir la température dans la plage de sécurité, le courant diminue automatiquement.

La solution la plus simple consiste à ajouter au schéma. thermistance à coefficient de température positif (C'est possible avec un coefficient de température négatif, mais le circuit doit alors inverser le signal dans le circuit de rétroaction).

Exemple de protection thermique utilisant une thermistance

Par exemple, considérons un circuit basé sur un microcontrôleur spécialisé avec un circuit limiteur de courant. Lorsque la température dépasse un certain seuil (fixé par une thermistance et des résistances), une thermistance à coefficient de résistance positif, montée sur le radiateur avec des LED, augmente sa résistance, ce qui entraîne une diminution correspondante du courant dans le circuit de sortie du pilote.

À cet égard, les circuits de commande avec contrôle de la luminosité sont très pratiques PWM (modulation de largeur d'impulsion), qui vous permet de régler simultanément et manuellement la luminosité et de protéger les LED de la surchauffe.

Une solution avec une thermistance est pratique en ce sens qu'un changement de courant, et donc une diminution de la luminosité, se produira de manière fluide, invisible pour les yeux et le système nerveux, ce qui signifie que rien ne scintillera et ne provoquera pas d'irritation pour les personnes et les animaux autour. La température de la limite supérieure est simplement déterminée par le choix d'une thermistance et d'une résistance. C'est bien mieux que les solutions avec des capteurs de température, qui ouvrent simplement brusquement le circuit et attendent que le radiateur refroidisse, puis rallument l'éclairage à pleine luminosité.

Spécialisé Puces de pilote LED, bien sûr, coûte de l'argent, mais la fiabilité et la durabilité de la lampe obtenue en retour paieront à plusieurs reprises cet investissement.

Il convient de rappeler que, sous réserve des conditions normales de température de fonctionnement des LED, leur durée de vie est mesurée en dizaines de milliers d'heures, puis les questions concernant les coûts matériels du pilote «correct» disparaissent d'elles-mêmes.

Il est seulement important de fournir au conducteur une température constante basse, pour cela, vous n'avez tout simplement pas besoin de le placer à proximité du radiateur des LED. Mal faire ceux qui s'efforcent de sceller le placement des composants à l'intérieur du projecteur. Il est préférable d'afficher le boîtier du pilote comme une unité distincte. Ici, la sécurité et la prudence sont la clé de la durabilité des LED.

Les meilleurs microcircuits pour la gestion de l'énergie des LED sont équipés de circuits internes de protection contre leur propre surchauffe au cas où le microcircuit, pour des raisons de conception du développeur du luminaire, devrait néanmoins être situé dans le même boîtier avec des composants sensiblement chauffants, comme un radiateur. Mais il vaut mieux ne pas laisser le microcircuit surchauffer au dessus de 70 ° C et l'équiper de son propre radiateur. Ensuite, les LED et le microcircuit du pilote vivront plus longtemps.

Une solution utilisant deux thermistances connectées en série dans un circuit de protection thermique peut être intéressante. Il s'agira de thermistances différentes, car les limites de température sûres pour le microcircuit et pour les LED sont différentes. Mais le résultat sera atteint ce qui est nécessaire - contrôle de la luminosité en douceur à la fois lorsque le pilote surchauffe et lorsque les LED surchauffent.