Problem przegrzania oświetlenia LED i rozwiązań

W porównaniu z szybko zanikającymi źródłami światła źródła LED mają tylko jedną, ale bardzo poważną wadę. Ich trwałość i niezawodność w dużej mierze zależą od wydajności usuwania ciepła z komponentów emitujących światło. Dlatego obwód ochronny diody LED przed przegrzaniem jest ważnym elementem każdego wysokiej jakości systemu oświetlenia LED.

Średnia oświetlenie led dziesięć razy lepsza pod względem efektywności energetycznej (rentowności) niż tradycyjna żarówka z żarnikiem. Jeśli jednak dioda LED nie zostanie zainstalowana na grzejniku o wystarczającej powierzchni, najprawdopodobniej szybko ulegnie awarii. Zasadniczo przyjmuje się, bez wchodzenia w szczegóły, że bardziej wydajne oświetlenie LED wymaga wydajniejszego rozpraszania ciepła niż tradycyjne.

Niemniej jednak przyjrzyjmy się temu problemowi głębiej. Ocenimy dwie lampy: pierwsza to halogen, druga to LED. A potem - zwróćmy uwagę na sposoby zachowania trwałości diod LED i przedłużenia żywotności ich sterowników. Faktem jest, że część ochronna systemu oświetlenia LED powinna zapewniać bezpieczne działanie zarówno diod LED, jak i obwodów sterownika.

Na przykład mamy dwa światła. Oba urządzenia zapewniają 10 watów mocy świetlnej. Jedyną różnicą jest to, że reflektor halogenowy wymaga 100 watów energii elektrycznej, a dioda LED tylko 30 watów.

Wiemy, że diody LED są około 10 razy bardziej skuteczne w wytwarzanym świetle, ale w rzeczywistości są wyjątkowo wrażliwe na wysokie temperatury, a zatem reżim temperaturowy, w którym konwersja energii prądu elektrycznego na światło jest dla nich bardzo ważna.

W przypadku oprawy z lampą halogenową bezpieczną normą jest temperatura robocza nawet +400 ° C, podczas gdy w przypadku diod LED temperatura kryształów +115 ° C jest już krytycznie niebezpieczna, a maksymalna temperatura obudowy diody wynosi tylko +90 ° C. Dlatego nie wolno dopuścić do przegrzania diody LED, a jest to z kilku powodów.

Wraz ze wzrostem temperatury przejścia emitującego światło zmniejsza się skuteczność światła LED, a to zależy zarówno od konstrukcji LED, jak i od stanu środowiska. Ponadto diody LED zasadniczo różnią się ujemnym współczynnikiem temperaturowym bezpośredniego spadku napięcia na złączu. Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury przejścia zmniejsza się bezpośredni spadek napięcia. Zazwyczaj współczynnik ten waha się od -3 do -6 mV / K.

Zatem, jeśli w 25 ° C bezpośredni spadek napięcia na diodzie LED wynosi 3,3 V, to w 75 ° C będzie już wynosił 3 lub mniej woltów. A jeśli sterownik LED nie obniży napięcia na wszystkich diodach montażowych wraz ze wzrostem temperatury, to w pewnym momencie prąd zostanie utrzymany nieodpowiednio wysoki, co doprowadzi do przegrzania, przeciążenia, dalszego spadku bezpośredniego spadku napięcia i jeszcze szybszego wzrostu temperatury kryształu. Tanie lampy LED z rezystancyjnym ograniczeniem prądu często wykazują tę wadę w najbardziej nieoczekiwanym momencie.

Tolerancje wahań napięcia zasilacza w połączeniu z różnicami w bezpośrednim spadku napięcia na diodzie LED (na etapie produkcji diody LED nie są idealnie takie same dla tego parametru), a ze względu na ujemny współczynnik temperaturowy spadku napięcia - w dowolnym momencie czynniki te łącznie mogą spowodować naruszenie bezpieczeństwa tryb działania diody LED i sprowokować poślizg do samozniszczenia.

Oczywiście, jeśli konstrukcja lampy LED (szczególnie grzejnika) jest wystarczająco niezawodna, wówczas można pominąć krótkoterminowe spadki jasności, ponieważ są one bardzo rzadkie, a te przegrzanie są krótkotrwałe. Ale jeśli przegrzanie jest ciągłe, wzrost temperatury natychmiast staje się realnym zagrożeniem dla lampy.

Przyczyny awarii diod LED, gdy się przegrzewają

Diody LED są niszczone przez przegrzanie z kilku powodów. Pierwszym powodem jest zmiana naprężeń mechanicznych wewnątrz emitującego światło kryształu i monolitycznego zespołu LED. Drugi to naruszenie szczelności, przenikania wilgoci i utleniania. Ochronna warstwa epoksydowa ulega degradacji, rozwarstwienie zachodzi na granicach, a styki kryształu ulegają korozji.

Po trzecie, wzrost liczby przemieszczeń w krysztale prowadzi do zmiany ścieżek prądowych i pojawienia się punktów o nadmiernej gęstości prądu, a w konsekwencji do przegrzania tych punktów. Wreszcie - zjawisko dyfuzji metali na stykach w podwyższonych temperaturach, co ostatecznie prowadzi również do niesprawności diody LED.

Deweloperzy LED starają się jak najlepiej zminimalizować te czynniki awarii, dlatego cały czas doskonalą technologicznie proces produkcji. Niemniej jednak, z powodu przegrzania, awarie są nadal nieuniknione, chociaż stają się mniej powszechne wraz z poprawą procesu produkcyjnego.

Ciśnienie mechaniczne jest najczęstszą przyczyną przedwczesnego uszkodzenia diod LED. Najważniejsze jest to, że w przypadku przegrzania szczeliwo mięknie, styki elektryczne i przewody łączące zostają przesunięte z pozycji „fabrycznej”, a kiedy temperatura w końcu spada, następuje chłodzenie i szczeliwo ponownie zestala się, ale jednocześnie naciska na już lekko przesunięte połączenia, które w końcu prowadzi do wyraźnego naruszenia początkowo jednolitego przewodnictwa. Na szczęście diody LED wykonane bez podłączenia przewodów są praktycznie pozbawione tej wady.

Podobne problemy wiążą się również z połączeniami lutowanymi między diodą LED a podłożem. Regularny cykliczny, niewidoczny dla oka, mięknący i utwardzający koniec z pojawieniem się pęknięć w lutach i naruszeniem pierwszego kontaktu. Dlatego występują awarie diod LED z powodu otwartego obwodu, a ta przerwa często nie jest widoczna. Aby zapobiec temu problemowi, możesz zminimalizować różnicę między bezpieczną temperaturą pracy diody LED a temperaturą otoczenia.

Mocne diody LED (zużywające więcej energii elektrycznej) dają więcej światła, ale ich moc świetlna jest nadal ograniczona. Właśnie dlatego konsumenci i producenci często mają niebezpieczną pokusę, aby diody LED w lampie pracowały z pełną mocą, aby uzyskać maksymalną możliwą jasność. Ale to naprawdę niebezpieczne, jeśli nie zapewnisz wystarczająco skutecznego chłodzenia.

Oczywiście projektanci chcą tworzyć eleganckie oprawy o ciekawych kształtach, ale czasami zapominają, że konieczne jest zapewnienie odpowiedniego ruchu powietrza i odpowiedniego rozpraszania ciepła - jest to często najważniejsza rzecz dla diod LED, po stabilnym i wysokiej jakości źródle zasilania.

Tak, ważna jest bezpośrednia instalacja lamp LED. Jeśli jedna lampa jest zamontowana nad drugą jako tak mocna, wówczas przepływ powietrza z dolnej lampy może zostać spowolniony przez górną, a zatem dolna będzie w gorszych warunkach temperaturowych. Lub, na przykład, izolacja termiczna w ścianie lub na suficie pomieszczenia może zakłócać rozpraszanie ciepła, nawet jeśli podczas projektowania lampy wszystkie obliczenia termiczne zostały wykonane perfekcyjnie, a technologicznie zostało wykonane tak poprawnie, jak to możliwe. Niemniej jednak prawdopodobieństwo awarii wzrasta po prostu z powodu wysypki i niepiśmiennego montażu gotowego produktu.

Jednym z godnych rozwiązania problemu przegrzania diod LED jest włączenie ochrony temperatury w obwodzie sterownika ze sprzężeniem zwrotnym dokładnie według temperatury. Gdy temperatura emitera z jakiegoś powodu niebezpiecznie wzrasta - w celu obniżenia mocy, w celu utrzymania temperatury w bezpiecznym zakresie, prąd automatycznie maleje.

Najprostszym rozwiązaniem jest dodanie do schematu. termistor o dodatnim współczynniku temperaturowym (Jest to możliwe przy ujemnym współczynniku temperaturowym, ale wtedy obwód powinien odwrócić sygnał w obwodzie sprzężenia zwrotnego).

Przykład zabezpieczenia termicznego z wykorzystaniem termistora

Rozważmy na przykład obwód oparty na specjalistycznym mikrokontrolerze z obwodem ograniczającym prąd. Gdy temperatura wzrośnie powyżej pewnego progu (ustawionego przez termistor i rezystory), termistor o dodatnim współczynniku rezystancji, zamontowany na radiatorze wraz z diodami LED, zwiększa jego rezystancję, co prowadzi do odpowiedniego spadku prądu w obwodzie wyjściowym sterownika.

Pod tym względem obwody sterownika z regulacją jasności są bardzo wygodne PWM (modulacja szerokości impulsu), która umożliwia jednoczesną i ręczną regulację jasności oraz ochronę diod LED przed przegrzaniem.

Rozwiązanie z termistorem jest wygodne, ponieważ zmiana prądu, a zatem zmniejszenie jasności, nastąpi w takim schemacie płynnie, niewidocznie dla oczu i układu nerwowego, co oznacza, że ​​nic nie będzie migotać i nie spowoduje podrażnienia u ludzi i zwierząt w pobliżu. Temperatura górnej granicy jest po prostu określona przez wybór termistora i rezystora. Jest to znacznie lepsze niż rozwiązania z czujnikami temperatury, które po prostu gwałtownie otwierają obwód i czekają, aż chłodnica ostygnie, a następnie ponownie włączają oświetlenie przy pełnej jasności.

Specjalizacja Chipy sterownika LED, oczywiście, kosztują pieniądze, ale niezawodność i trwałość uzyskanej w zamian lampy będą wielokrotnie opłacać tę inwestycję.

Warto pamiętać, że w normalnych warunkach temperaturowych działania diod LED ich żywotność mierzona jest w dziesiątkach tysięcy godzin, po czym znikają pytania dotyczące kosztów materiałowych „poprawnego” sterownika.

Ważne jest tylko, aby zapewnić kierowcy stałą niską temperaturę, w tym celu nie trzeba po prostu umieszczać go blisko grzejnika diod LED. Niewłaściwe postępowanie tych, którzy starają się uszczelnić umieszczenie elementów wewnątrz projektora. Lepiej jest wyświetlić obudowę sterownika jako oddzielną jednostkę. Tutaj bezpieczeństwo i ostrożność są kluczem do trwałości diod LED.

Najlepsze mikroukłady do zarządzania energią diod LED są wyposażone w obwody wewnętrzne w celu ochrony przed ich własnym przegrzaniem w przypadku, gdy mikroukład, ze względów projektowych twórcy oprawy, powinien mimo to być umieszczony w tej samej obudowie z zauważalnymi elementami grzewczymi, takimi jak grzejnik. Ale lepiej nie dopuścić do przegrzania mikroukładu powyżej 70 ° C i wyposażenia go we własny grzejnik. Wtedy zarówno diody LED, jak i mikroukład sterownika będą żyły dłużej.

Ciekawe może być rozwiązanie wykorzystujące dwa szeregowo połączone termistory w obwodzie zabezpieczenia termicznego. Będą to różne termistory, ponieważ bezpieczne granice temperatury mikroukładu i diod LED są różne. Ale wynik zostanie osiągnięty, co jest potrzebne - płynna kontrola jasności zarówno w przypadku przegrzania sterownika, jak i przegrzania diod LED.