Проблемът с прегряването на осветителните светодиоди и решения

В сравнение с бързо избледняващите източници на светлина, LED източниците имат само един, но много сериозен недостатък. Тяхната издръжливост и надеждност до голяма степен зависят от ефективността на отделянето на топлина от компонентите, излъчващи светлина. Следователно защитната верига на светодиода от прегряване е важен компонент на всяка висококачествена система за LED осветление.

Средната стойност осветление доведе десет пъти превъзхождаща енергийната ефективност (рентабилността) спрямо традиционната електрическа крушка с нажежаема жичка. Ако обаче светодиодът не е инсталиран върху радиатор с достатъчна площ, тогава той най-вероятно ще се провали бързо. Общоприето е, без да навлизаме в подробности, че по-ефективните осветителни светодиоди се нуждаят от по-ефективно разсейване на топлината от конвенционалните.

Нека все пак да разгледаме проблема по-задълбочено. Ще оценим две лампи: първата е халогенна, втората е LED. И след това - нека обърнем внимание на начините за запазване на издръжливостта на светодиодите и удължаване на живота на техните водачи. Факт е, че защитната част на LED осветителната система трябва да гарантира безопасната работа както на светодиодите, така и на веригите на водача.

Например имаме две светлини. И двете устройства осигуряват 10 вата светлинна мощност. Единствената разлика е, че халогенният прожектор изисква 100 вата електрическа енергия, а светодиодът само 30 вата.

Знаем, че светодиодите са около 10 пъти по-ефективни при произведената светлина, но в действителност те са изключително чувствителни към високите температури и следователно температурният режим, при който преобразуването на енергията на електрически ток в светлина е много важно за тях.

За осветително тяло с халогенна лампа работната температура дори при +400 ° C е безопасна норма, докато за светодиодите температурата на кристала +115 ° C вече е критично опасна, а максималната температура на диодния корпус е само +90 ° C. Следователно светодиодът не трябва да се оставя да се прегрява и има няколко причини за това.

С повишаване на температурата на прехода на светлина, светлинната ефективност на светодиода намалява и това зависи както от дизайна на светодиода, така и от състоянието на околната среда. Освен това светодиодите по принцип се различават в отрицателния температурен коефициент на директния спад на напрежението през кръстовището. Това означава, че с повишаване на температурата на прехода, директният спад на напрежението през нея намалява. Обикновено този коефициент варира от -3 до -6 mV / K.

По този начин, ако при 25 ° C директният спад на напрежението върху светодиода е 3,3 V, тогава при 75 ° C той вече ще бъде 3 или по-малко волта. И ако светодиодният драйвер не намали напрежението на всички светодиоди на монтажа, докато температурата се повиши, тогава в един прекрасен момент токът ще се поддържа недостатъчно високо, което ще доведе до прегряване, претоварване, по-нататъшно намаляване на директния спад на напрежението и още по-бързо повишаване на температурата на кристала. Евтините LED лампи с резистивно ограничение на тока често показват този недостатък в най-неочаквания момент.

Допустими отклонения за колебанията в напрежението на захранването в комбинация с разлики в директен спад на напрежението върху светодиода (на етапа на производство светодиодите не са идеално идентични за този параметър) и поради отрицателния температурен коефициент на падане на напрежението - по всяко време тези фактори заедно могат да причинят нарушение на безопасността режим на работа на светодиода и провокира слайд към неговото самоунищожение.

Разбира се, ако дизайнът на LED лампата (особено на радиатора) е достатъчно надежден, тогава краткотрайните капки за яркост могат да бъдат пренебрегвани, тъй като те са много редки и тези прегрявания са краткосрочни. Но ако прегряването е непрекъснато, тогава покачването на температурата веднага се превръща в истинска заплаха за лампата.

Причините за неизправността на светодиодите при прегряване

Светодиодите се унищожават чрез прегряване по няколко причини. Първата причина е промяна в механичното напрежение вътре в излъчващия светлина кристал и монолитния светодиоден монтаж. Второто е нарушение на херметичността, проникването на влага и окисляването. Защитният епоксиден слой се разгражда, на границите се случва разслояване, а кристалните контакти претърпяват корозия.

Трето, увеличаването на броя на дислокациите в кристала води до промяна на токовите пътища и поява на точки с висока плътност на тока и, следователно, до прегряване на тези точки. И накрая - феноменът на дифузия на металите при контактите при повишени температури, което също в крайна сметка води до неработоспособност на светодиода.

LED разработчиците се опитват да намалят тези фактори на отказ и затова непрекъснато технологично подобряват производствения процес. Въпреки това, поради прегряване, повредите все още са неизбежни, въпреки че стават по-рядко срещани с подобряването на производствения процес.

Механичното налягане е най-честата причина за преждевременна повреда на светодиодите. Долната линия е, че по време на прегряване уплътнителят омеква, електрическите контакти и свързващите проводници се изместват от „фабрично“ положение, а когато температурата най-накрая спадне, се извършва охлаждане и уплътнителят отново се втвърдява, но в същото време натиска върху леко изместените връзки, което в крайна сметка води до ясно нарушение на първоначално равномерната проводимост. За щастие светодиодите, направени без свързващи проводници, на практика са лишени от този недостатък.

Припоените фуги между светодиода и основата също изпитват подобен проблем. Редовен цикличен, невидим за окото, омекотяващ и втвърдяващ край с появата на пукнатини в припоите и нарушаването на първоначалния контакт. Ето защо LED повредите възникват поради отворена верига и тази празнина често не се вижда. За да предотвратите този проблем, можете да сведете до минимум разликата между безопасната работна температура на светодиода и околната температура.

Мощните светодиоди (консумират повече електрическа енергия) дават повече светлина, но тяхната светлинна мощност все още е ограничена. Ето защо потребителите и производителите често имат опасно изкушение да работят светодиодите в лампата с пълна мощност, за да получат максимално възможна яркост. Но наистина е опасно, ако не осигурите достатъчно ефективно охлаждане.

Разбира се, дизайнерите искат да създадат елегантни тела с интересни форми, но понякога забравят, че е необходимо да се осигури адекватно движение на въздуха и адекватно разсейване на топлината - това често е най-важното за светодиодите, следвайки стабилен и висококачествен източник на енергия.

Да, и директният монтаж на LED светлините е важен. Ако една лампа е инсталирана над другата като мощна, тогава въздушният поток от долната лампа може да се забави от горния, и следователно долният ще бъде в по-лоши температурни условия. Или, например, топлоизолацията в стената или на тавана на помещение може да попречи на разсейването на топлината, дори ако по време на проектирането на лампата всички топлинни изчисления са били извършени перфектно и технологично е направено възможно най-правилно. Все едно, вероятността за неуспех се увеличава просто поради необмислена и неграмотна инсталация на готовия продукт.

Едно от достойните решения на проблема с прегряването на светодиодите е включването на температурна защита в схемата на водача с обратна връзка точно от температурата. Когато температурата на излъчвателя по някаква причина опасно се повиши - да намали мощността, за да се поддържа температурата в безопасния диапазон, токът автоматично намалява.

Най-простото решение е да добавите към схемата. положителен температурен коефициент термистор (Възможно е с отрицателен температурен коефициент, но тогава веригата трябва да обърне сигнала във веригата за обратна връзка).

Пример за термична защита с използване на термистор

Например, помислете за схема, базирана на специализиран микроконтролер с ограничаваща тока верига. Когато температурата се повиши над определен праг (зададен от термистор и резистори), термистор с коефициент на положително съпротивление, монтиран на радиатора заедно с светодиодите, увеличава неговото съпротивление, което води до съответно намаляване на тока в изходната верига на водача.

В това отношение веригите на водача с контрол на яркостта са много удобни на принципа на PWM (импулсна ширина модулация), която ви позволява едновременно и ръчно да регулирате яркостта и да предпазвате светодиодите от прегряване.

Решение с термистор е удобно с това, че промяна в тока, а оттам и намаляване на яркостта, ще се случи в такава схема плавно, невидимо за очите и нервната система, което означава, че нищо няма да трепне и няма да причини дразнене на хората и животните наоколо. Температурата на горната граница се определя просто от избора на термистор и резистор. Това е много по-добре от решения с температурни сензори, които просто рязко отварят веригата и изчакват, докато радиаторът се охлади, и след това отново включете осветлението при пълна яркост.

специализиран LED чипове за драйвериРазбира се, струват пари, но надеждността и издръжливостта на лампата, получена в замяна, многократно ще плащат за тази инвестиция.

Струва си да се помни, че при нормални температурни условия на работа на светодиодите техният експлоатационен живот се измерва в десетки хиляди часове, след това въпросите относно материалните разходи на „правилния“ драйвер изчезват сами.

Важно е само да осигурите на водача постоянна ниска температура, за това просто не е необходимо да го поставяте близо до радиатора на светодиодите. Неправилно правят онези, които се стремят да запечатат поставянето на компоненти вътре в проектора. По-добре е да покажете корпуса на водача като отделна единица. Тук безопасността и предпазливостта са ключът към трайността на светодиодите.

Най-добрите микросхеми за управление на мощността на светодиодите са оборудвани с вътрешни вериги за защита срещу собственото им прегряване, в случай че микросхемата, поради дизайнерски причини на дизайнера на лампата, все пак трябва да бъде разположена в един корпус със забележимо нагряващи компоненти, например радиатор. Но е по-добре да не позволявате на микросхемата да се прегрява над 70 ° C и да я оборудвате със собствен радиатор. Тогава както светодиодите, така и микросхемата на водача ще живеят по-дълго.

Може да бъде интересно решение, използващо два серийно свързани термистора в топлозащитна верига. Това ще бъдат различни термистори, тъй като границите на безопасната температура за микросхемата и за светодиодите са различни. Но резултатът ще бъде постигнат това, което е необходимо - плавен контрол на яркостта както когато драйверът прегрява, така и когато светодиодите прегряват.