O problema do superaquecimento dos LEDs e soluções de iluminação

Quando comparadas com fontes de luz que desaparecem rapidamente, as fontes de LED possuem apenas uma, mas uma falha muito séria. Sua durabilidade e confiabilidade dependem amplamente da eficiência da remoção de calor dos componentes emissores de luz. Portanto, o circuito de proteção do LED contra superaquecimento é um componente importante de qualquer sistema de iluminação LED de alta qualidade.

Média iluminação led dez vezes superior em eficiência energética (lucratividade) a uma lâmpada tradicional com um filamento. No entanto, se o LED não estiver instalado em um radiador de área suficiente, provavelmente falhará rapidamente. É geralmente aceito, sem entrar em detalhes, que os LEDs de iluminação mais eficientes precisam de dissipação de calor mais eficiente que os convencionais.

Vamos, no entanto, examinar o problema mais profundamente. Vamos avaliar duas lâmpadas: a primeira é halógena, a segunda é LED. E depois disso - vamos prestar atenção às maneiras de preservar a durabilidade dos LEDs e prolongar a vida útil de seus drivers. O fato é que a parte de proteção do sistema de iluminação por LED deve garantir a operação segura dos LEDs e dos circuitos do driver.

Por exemplo, temos duas luzes. Ambos os dispositivos fornecem 10 watts de energia leve. A única diferença é que um refletor de halogênio requer 100 watts de energia elétrica e um LED apenas 30 watts.

Sabemos que os LEDs são cerca de 10 vezes mais eficazes na luz produzida, mas, na realidade, são extremamente sensíveis a altas temperaturas e, portanto, o regime de temperatura no qual a conversão da energia da corrente elétrica em luz é muito importante para eles.

Para uma luminária com lâmpada de halogênio, uma temperatura de trabalho mesmo a +400 ° C é uma norma segura, enquanto para LEDs, uma temperatura de cristal de +115 ° C já é criticamente perigosa, e a temperatura máxima da caixa de diodo é de apenas +90 ° C. Portanto, o LED não deve sobreaquecer e existem vários motivos para isso.

Com o aumento da temperatura da transição de emissão de luz, a eficiência luminosa do LED diminui, e isso depende tanto do design do LED quanto do estado do ambiente. Além disso, os LEDs, em princípio, diferem no coeficiente de temperatura negativo da queda direta de tensão na junção. Isso significa que, com o aumento da temperatura de transição, a queda direta de tensão diminui. Normalmente, esse coeficiente varia de -3 a -6 mV / K.

Assim, se a 25 ° C a queda direta de tensão no LED é de 3,3 V, a 75 ° C já será de 3 ou menos volts. E se o driver do LED não reduzir a tensão em todos os LEDs de montagem à medida que a temperatura subir, então, em um momento preciso, a corrente será mantida inadequadamente alta, o que levará a superaquecimento, sobrecarga, uma diminuição adicional na queda direta da tensão e um aumento ainda mais rápido da temperatura do cristal. Lâmpadas LED baratas com limitação de corrente resistiva geralmente mostram essa desvantagem no momento mais inesperado.

Tolerâncias para flutuações na tensão da fonte de alimentação em combinação com diferenças na queda direta de tensão no LED (no estágio de produção, os LEDs não são idealmente idênticos para este parâmetro) e devido ao coeficiente de temperatura negativo da queda de tensão - a qualquer momento, esses fatores juntos podem causar uma violação de segurança modo de operação do LED e provocar um deslize para sua autodestruição.

Obviamente, se o design da lâmpada LED (especialmente o radiador) for confiável o suficiente, as quedas de brilho a curto prazo podem ser negligenciadas, uma vez que são muito raras e esses superaquecimentos são de curto prazo. Mas se o superaquecimento for contínuo, o aumento da temperatura imediatamente se transforma em uma ameaça real à lâmpada.

Os motivos da falha dos LEDs quando superaquecem

Os LEDs são destruídos pelo superaquecimento por vários motivos. A primeira razão é uma mudança no estresse mecânico dentro do cristal emissor de luz e no conjunto monolítico de LED. O segundo é uma violação do aperto, penetração de umidade e oxidação. A camada epóxi de proteção se degrada, a delaminação ocorre nos limites e os contatos do cristal sofrem corrosão.

Terceiro, um aumento no número de deslocamentos no cristal leva a uma mudança nos caminhos da corrente e ao aparecimento de pontos de excesso de densidade de corrente e, consequentemente, ao superaquecimento desses pontos. Finalmente - o fenômeno de difusão de metais nos contatos a temperaturas elevadas, o que também leva à inoperabilidade do LED.

Os desenvolvedores de LED estão tentando ao máximo minimizar esses fatores de falha e, portanto, o tempo todo estão tecnologicamente melhorando o processo de produção. No entanto, devido ao superaquecimento, as falhas ainda são inevitáveis, embora se tornem menos comuns com a melhoria do processo de produção.

A pressão mecânica é a causa mais comum de falha prematura dos LEDs. A conclusão é que, com superaquecimento, o selante amolece, os contatos elétricos e os condutores de conexão são deslocados da posição "de fábrica" ​​e, quando a temperatura finalmente cai, o resfriamento ocorre e o selante solidifica novamente, mas ao mesmo tempo pressiona as conexões já levemente deslocadas, que no final leva a uma clara violação da condutividade inicialmente uniforme. Felizmente, os LEDs fabricados sem conectar condutores são praticamente desprovidos dessa desvantagem.

As juntas soldadas entre o LED e o substrato também apresentam um problema semelhante. Cíclico regular, invisível aos olhos, amolecimento e endurecimento final com o aparecimento de rachaduras nas soldas e a violação do contato inicial. É por isso que as falhas de LED ocorrem devido a um circuito aberto, e essa lacuna geralmente não é visível. Para evitar esse problema, você pode minimizar a diferença entre a temperatura operacional segura do LED e a temperatura ambiente.

LEDs poderosos (que consomem mais energia elétrica) fornecem mais luz, mas sua saída de luz ainda é limitada. É por isso que consumidores e fabricantes costumam ter uma perigosa tentação de operar os LEDs na lâmpada com potência máxima, a fim de obter o brilho máximo possível. Mas é realmente perigoso se você não fornecer um resfriamento eficaz suficiente.

Obviamente, os designers querem criar acessórios elegantes de formas interessantes, mas às vezes esquecem que é necessário garantir um movimento adequado do ar e uma dissipação de calor adequada - isso costuma ser a coisa mais importante para os LEDs, seguindo uma fonte de energia estável e de alta qualidade.

Sim, e a instalação direta de luzes LED é importante. Se uma lâmpada for instalada acima da outra como potente, o fluxo de ar da lâmpada inferior poderá ser mais lento pela lâmpada superior, e a lâmpada inferior estará, portanto, em piores condições de temperatura. Ou, por exemplo, o isolamento térmico na parede ou no teto de uma sala pode interferir na dissipação de calor, mesmo que durante o design da lâmpada todos os cálculos térmicos tenham sido realizados de maneira perfeita e tecnológica, o mais correto possível. Mesmo assim, a probabilidade de falha aumenta simplesmente devido à instalação imprudente e analfabeta do produto acabado.

Uma das soluções dignas para o problema de superaquecimento dos LEDs é a inclusão da proteção de temperatura no circuito do driver com feedback precisamente pela temperatura. Quando a temperatura do radiador, por algum motivo, aumenta perigosamente - para diminuir a potência, a fim de manter a temperatura dentro da faixa segura, a corrente diminui automaticamente.

A solução mais simples é adicionar ao esquema. termistor com coeficiente de temperatura positivo (É possível com um coeficiente de temperatura negativo, mas o circuito deve inverter o sinal no circuito de realimentação).

Exemplo de proteção térmica usando um termistor

Por exemplo, considere um circuito baseado em um microcontrolador especializado com um circuito limitador de corrente. Quando a temperatura sobe acima de um determinado limite (definido por um termistor e resistores), um termistor com um coeficiente de resistência positivo, montado no dissipador de calor junto com LEDs, aumenta sua resistência, o que leva a uma diminuição correspondente da corrente no circuito de saída do driver.

A este respeito, os circuitos de driver com controle de brilho são muito convenientes PWM (modulação por largura de pulso), que permite ajustar simultaneamente e manualmente o brilho e proteger os LEDs contra superaquecimento.

Uma solução com um termistor é conveniente, pois uma mudança na corrente e, portanto, uma diminuição no brilho ocorrerá em um esquema como esse de maneira suave e invisível aos olhos e ao sistema nervoso, o que significa que nada pisca e não causa irritação a pessoas e animais ao redor. A temperatura do limite superior é simplesmente determinada pela escolha de um termistor e um resistor. Isso é muito melhor do que as soluções com sensores de temperatura, que simplesmente abrem bruscamente o circuito e esperam até o radiador esfriar e depois acendem a iluminação novamente com o brilho total.

Especializado Chips de driver de LED, é claro, custam dinheiro, mas a confiabilidade e a durabilidade da lâmpada obtida em troca pagarão repetidamente por esse investimento.

Vale lembrar que, sujeita às condições normais de temperatura de operação dos LEDs, sua vida útil é medida em dezenas de milhares de horas, então as perguntas sobre os custos de material do driver “correto” desaparecem por si mesmas.

É importante apenas fornecer ao motorista uma temperatura baixa constante, para isso você não precisa colocá-lo próximo ao radiador dos LEDs. É errado fazer os que se esforçam para selar a colocação dos componentes dentro do projetor. É melhor exibir a caixa do driver como uma unidade separada. Aqui, segurança e prudência são a chave para a durabilidade dos LEDs.

Os melhores microcircuitos para gerenciamento de energia dos LEDs estão equipados com circuitos internos para proteção contra superaquecimento próprio, caso o microcircuito, por motivos de projeto do desenvolvedor da luminária, deva estar localizado no mesmo compartimento com componentes visivelmente aquecidos, como um radiador. Mas é melhor não permitir que o microcircuito superaqueça acima de 70 ° C e equipá-lo com seu próprio radiador. Então, os LEDs e o microcircuito do driver permanecerão mais tempo.

Uma solução usando dois termistores conectados em série em um circuito de proteção térmica pode ser interessante. Serão termistores diferentes, pois os limites de temperatura seguros para o microcircuito e para os LEDs são diferentes. Mas o resultado será alcançado do que é necessário - controle suave do brilho tanto quando o driver superaquece quanto quando os LEDs superaquecem.