Проблема перегріву освітлювальних світлодіодів та шляхи її вирішення

Якщо порівнювати з джерелами світла, що стрімко йдуть у минуле, то світлодіодні джерела мають всього один, але вкрай серйозний недолік. Їх довговічність і надійність значною мірою залежать від ефективності відведення тепла від компонентів, що випромінюють світло. Тому схема захисту світлодіода від перегріву – важлива складова частина будь-якої якісної світлодіодної системи освітлення.

Середньостатистичний освітлювальний світлодіод десятикратно перевершує за енергоефективністю (економічності) традиційну лампочку з ниткою розжарювання. Однак, якщо світлодіод не встановити на радіатор достатньої площі, він швидше за все швидко вийде з ладу. Прийнято вважати, не вдаючись у подробиці, що ефективніші освітлювальні світлодіоди потребують ефективнішого відведення тепла ніж звичайні.

Проте, розглянемо проблему глибше. Оцінимо два ліхтарі: перший – галогенний, другий – світлодіодний. І вже потім звернемо увагу на способи збереження довговічності світлодіодів та продовження життя їх драйверам. Справа в тому, що захисна частина світлодіодної системи освітлення має забезпечити безпечне функціонування як світлодіодів, так і схем – драйверів.

Наприклад у нас є два ліхтарі. Обидва пристрої дають по 10 Вт світлової потужності. Різниця лише в тому, що прожектор на галогенній лампі потребує 100 Вт електричної потужності, а світлодіод – лише 30 Вт.

Ми знаємо, що світлодіоди ефективніші за виробленим світлом приблизно в 10 разів, але в реальності вони вкрай чутливі до високих температур, і для них дуже важливий температурний режим, при якому відбувається перетворення енергії електричного струму — у світло.

Для світильника з галогенною лампою робоча температура навіть +400 °C є безпечною нормою, тоді як для світлодіодів температура кристала +115 °C вже критично небезпечна, а максимальна температура корпусу діода становить всього +90 °C. Тому світлодіоду не можна давати перегріватись, і на те є кілька причин.

З підвищенням температури світловипромінюючого переходу світлова ефективність світлодіода знижується, і це залежить як від конструкції світлодіода, так і від стану навколишнього середовища. До того ж, світлодіоди в принципі відрізняються негативним температурним коефіцієнтом прямого падіння напруги на переході. Це означає, що зі збільшенням температури переходу пряме падіння напруги на ньому зменшується. Зазвичай цей коефіцієнт варіюється від -3 до -6 мВ/К.

Таким чином, якщо при 25 °C пряме падіння напруги на світлодіоді становить 3,3, то при 75 °C воно буде вже 3 або менше вольт. І якщо драйвер світлодіода не зменшує у міру зростання температури напруга на всіх світлодіодах збірки, то одного разу струм буде підтримуватися неадекватно високим, що призведе до перегріву, перевантаження, подальшого зниження прямого падіння напруги, і ще більш швидкого наростання температури кристала. Дешеві світлодіодні світильники з резистивним обмеженням струму часто виявляють цей недолік у найнесподіваніший момент.

Допуски по коливанням напруги блоку живлення у поєднанні з відмінностями у прямому падінні напруги на світлодіоді (на етапі виробництва світлодіоди не ідеально однакові за даним параметром), і у зв'язку з негативним температурним коефіцієнтом падіння напруги – у будь-який момент ці фактори в сукупності можуть спричинити порушення безпечного. режиму функціонування світлодіода та спровокувати скочування до його саморуйнування.

Звичайно, якщо конструкція світлодіодного світильника (особливо радіатора) досить надійна, то короткочасними зниженнями яскравості можна знехтувати, так як вони дуже рідкісні і ці перегріви короткочасні. Але якщо перегрів тривалий, перевищення температури відразу перетворюється на справжню загрозу для світильника.

Причини виходу світлодіодів з ладу при їх перегріванні

Світлодіоди руйнуються від перегріву з кількох причин. Перша причина - зміна механічної напруги всередині світловипромінюючого кристала та монолітного світлодіодного складання. Друга - порушення герметичності, проникнення вологи та окислення. Захисний епоксидний шар деградує, відбувається розшарування на межах, контакти кристала зазнають корозії.

Третя - зростання кількості дислокацій у кристалі веде до зміни шляхів струму та виникнення точок перевищення щільності струму і, відповідно, до перегріву цих точок. Нарешті - явище дифузії металів на контактах при підвищеній температурі, що також призводить до непрацездатності світлодіода.

Розробники світлодіодів усіма силами намагаються звести до мінімуму дані фактори відмови, і тому постійно технологічно вдосконалюють виробничий процес.Проте через перегрівання відмови все одно неминучі, хоча стають рідше з удосконаленням виробничого процесу.

Механічне тиск — найчастіша причина передчасного виходу світлодіодів з ладу. при цьому тисне на вже трохи зміщені з'єднання, що в результаті призводить до явного порушення спочатку рівномірної провідності. Благо, світлодіоди виготовлені без сполучних провідників практично позбавлені цього недоліку.

Паяні з'єднання між світлодіодом і підкладкою також відчувають схожу проблему. Щоб запобігти цій проблемі, можна максимально зменшити різницю між безпечною робочою температурою світлодіода та температурою навколишнього середовища.

Потужні світлодіоди (що споживають більше електричної потужності) дають більше світла, але їх світлова віддача все ж таки має обмеження. якщо не забезпечити достатньо ефективного охолодження.

Зрозуміло, дизайнери хочуть створювати елегантні світильники цікавих форм, проте вони часом забувають, що необхідно обов'язково забезпечити відповідний рух повітря та адекватне відведення тепла — це для світлодіодів найчастіше найголовніше, що йде за стабілізованим та якісним джерелом живлення.

Та й безпосередньо встановлення світлодіодних світильників важливе. Якщо один світильник встановлений над іншим таким же потужним, то потік повітря від нижнього світильника може бути уповільнений верхнім, тому нижній буде знаходитися в гірших температурних умовах. Або теплоізоляція в стіні або на стелі приміщення може перешкодити тепловідводу, навіть якщо при конструюванні світильника всі теплові розрахунки були виконані ідеально і технологічно він виготовлений максимально правильно. Все одно ймовірність відмови підвищується просто через необдуманий і неписьменний монтаж готового виробу.

Одне з гідних рішень проблеми перегріву світлодіодів - включення до схеми драйвера температурного захисту зі зворотним зв'язком саме за температури. Коли температура випромінювача з якоїсь причини небезпечно підвищилася — для зниження потужності з метою утримання температури всередині безпечного діапазону автоматично зменшується струм.

Найпростіше рішення — додати до схеми термістор із позитивним температурним коефіцієнтом (можна і з негативним температурним коефіцієнтом, але тоді схема має інвертувати сигнал у ланцюги зворотного зв'язку).

Приклад термічного захисту з використанням термістора

Наприклад розглянемо схему з урахуванням спеціалізованого микроконтроллера з струмообмежувальним ланцюгом.Коли температура піднімається вище за певний поріг (задається термістором і резисторами), термістор з позитивним коефіцієнтом опору, закріплений на радіаторі разом зі світлодіодами, збільшує свій опір, що призводить до відповідного зменшення струму у вихідному ланцюгу драйвера.

У цьому плані дуже зручні схеми драйверів з регулюванням яскравості за принципом ШІМ (широтно-імпульсної модуляції), що дозволяють одночасно і вручну регулювати яскравість і захищати світлодіоди від перегріву.

Рішення з термістором зручне тим, що зміна струму, а значить і зменшення яскравості, буде в такій схемі відбуватися плавно, непомітно для очей та нервової системи, а значить нічого не мерехтітиме і не викличе у навколишніх людей і тварин подразнення. Температура верхньої межі просто визначається вибором термістора та резистора. Це набагато краще рішень з термодатчиками, які просто різко розмикають ланцюг і чекають, поки радіатор охолоне, а потім знову включають освітлення на повну яскравість.

Спеціалізовані мікросхеми-драйвери світлодіодів, безумовно, коштують грошей, проте надійність і довговічність роботи світильника, що отримуються натомість, багаторазово окуплять це вкладення.

Варто лише згадати, що за дотримання нормального температурного режиму експлуатації світлодіодів їх термін служби вимірюється десятками тисяч годин, тоді й питання щодо матеріальних витрат на «правильний» драйвер відпадають самі собою.

Важливо лише забезпечити самому драйверу постійну невисоку температуру, для цього лише не потрібно розміщувати його близько до радіатора світлодіодів. Неправильно роблять ті, хто дуже прагне ущільнити розміщення компонентів всередині корпусу прожектора.Найкраще вивести корпус драйвера окремим блоком. Тут безпека та передбачливість – запорука довговічності світлодіодів.

Кращі мікросхеми для управління живленням світлодіодів оснащені внутрішніми ланцюгами захисту від власного перегріву на той випадок якщо мікросхема з конструктивних міркувань розробника світильника все ж таки повинна розміщуватися в одному корпусі з компонентами, що помітно нагріваються, такими як радіатор. Але краще взагалі не допускати перегріву мікросхеми вище 70 ° C та оснастити її власним радіатором. Тоді і світлодіоди та мікросхема драйвера проживуть довше.

Цікавим може виявитися рішення із застосуванням двох послідовно з'єднаних термісторів у ланцюзі термічного захисту. Це будуть різні термістори, оскільки безпечні температурні межі у мікросхеми та світлодіодів різні. А ось результату буде досягнуто все - плавне регулювання яскравості як при перегріві драйвера, так і при перегріві світлодіодів.

Інформація, опублікована на даному веб-сайті, представлена ​​виключно для ознайомлення, за застосування цієї інформації адміністрація сайту відповідальності не несе.

Проблема перегріву світлодіодів

Ті, хто хоч трохи цікавиться сферою освітлення та новинками ринку світлодіодів, знають, що головною проблемою даних елементів є саме їхній перегрів. У глобальній ретроспективі LED-елементи легко виграють у кожного зі своїх попередників відразу за всіма показниками. Однак подолати негативні ефекти, які дає при роботі надмірне нагрівання діодів, поки що найскладніше.Далі ми поговоримо про те, як сьогодні намагаються вирішити цю проблему, і якими є перспективи, що LED-елементи поступатимуть місцем іншим джерелам світла, не витримавши конкуренції лише за одним ознакою.

Зараз для брендових виробників майже не складно спроектувати такий світлодіодний світильник, який буде відповідати певним вимогам до експлуатації. Майже не важливими є розмір, яскравість, кольорова температура, кут розсіювання променів та довговічність. Всі зусилля кинуті те, щоб захистити готову схему від перегріву. Саме тому в наш час про рівень виробника часто судять з того, як організовано тепловідведення у його моделях – іншими характеристиками вже нікого особливо не здивуєш.

Теплові ефекти

З метою спростити розповідь будемо представляти собі якийсь виріб на основі світлодіодів високого класу, який має гарну якість сировини та відповідає своїм номінальним характеристикам. Пусть це буде світлодіодна лампа від відомого бренду. За потужності всього 10 Вт вона десятикратно перевищує аналогічну лампочку розжарювання на 100 Вт за показником енергоефективності. При рівному продукованому світловому потоці енергоспоживання сучасної моделі виявиться значно нижчим. Однак слід пам'ятати, що у колбі вольфрамових ламп містився повітря або спеціальний газ, який полегшує тепловідведення. КПД такого виробу зазвичай не перевищує 30%, що означає розсіювання більшої частини енергії у вигляді тепла. Світлодіоди продукують менше тепла, але все ж таки без спеціального радіатора вони швидко деградують та вийдуть з ладу. У техніці зберігається загальне уявлення про те, що з підвищенням реального КПД освітлювального пристрою йому потрібно дедалі більш ефективне тепловідведення.

Проте, час відійти від класичного порівняння діодів з лампою розжарювання та поговорити про ті освітлювальні прилади, для яких почали конструктивно передбачати тепловідведення. Як приклад візьмемо два прожектори – світлодіодний та галогенний – і подивимося, як у кожному випадку реалізовано механізм підтримки довговічності роботи. Відразу ж оговоримося, що сьогодні в нерозривній зв'язку розглядаються самі діоди та допоміжна електроніка – елементи плати та драйвер.

Пусть обидва прилади випромінюють світло однакової інтенсивності. Моделі на LED-елементах для виходу на необхідний показник буде мати потужність 30 Вт, а галогенний – 100 Вт. Величину їх фактичного енергоспоживання поки що залишимо за дужками, оскільки фокус нашого дослідження спрямований на інший аспект. Наприклад, для галогенової моделі температура близько 400°С вважається нормальною, безпечною – і вона може працювати навіть в умовах додаткової спеки на палючому сонці, що додає ще 35-50°С у вигляді фонового нагріву та розжареного металу корпусу. При цьому світлодіод визнає критичною температуру вже в 110-120°С, а для корпусів самих світловипромінюючих елементів максимальна межа оцінюється в 90°С.

При підвищенні температури змінюється сам механізм p-n-переходу, що лежить в основі світлового випромінювання діодів: різко падає ефективність процесу, тобто зменшується кількість світла, що виділяється Крім того, діоди влаштовані таким чином, що при вищій температурі p-n-переходу падіння напруги на них зменшується (приблизно на 3-6 мВ/градус) А це означає, що параметри ланцюга живлення починають різко не відповідати потребам компонентів схеми.У теплій кімнаті, при 25°С падіння напруги становить приблизно 3,3 В, а при роботі де-небудь біля лазні або просто на відкритому повітрі під палаючими лучами сонця за температури у 75°С, опорна величина вже буде нижчою за три вольти. Таким чином, якщо драйвер світильника не має здатності адаптуватися та не знижує напругу в міру зростання температури, у якийсь момент струм виявиться занадто. великим для елементів. Це спричинити спочатку перегрівання, потім перевантаження, а далі – зменшення прямого падіння напруги.

Важливо відзначити, що описані вище явища властиві всім без винятку світлодіодам, а не лише найдешевшим, як вважають деякі споживачі. максимально загальною. Крім того, не варто забувати про неідеальність блоків живлення: вони теж виготовляються з певними. припущеннями, що за наявності факторів перегріву в навколишньому середовищі призводить до прискореної деградації діодів.

Наукове пояснення

Вчені виділяють чотири основні причини руйнування світлодіодів під час нагрівання.

1. Зміна механічної напруги всередині кристала в межах його оболонки.Можна сказати, що світловипромінюючий елемент весь час трохи «роздувається» та повертається у норму всередині корпусу, тим самим руйнуючись зсередини.
2. Порушення герметичності виробу. У лампу чи світильник може потрапити волога чи пил, дістатися діодів, призвести до пошкодження зовнішніх шарів та покриттів, що надалі знизити опір елементів факторам зовнішньої середовища. Крім того, будь-яка рідина може спровокувати корозію, а сухі мікрочастинки – поцарапати чутливі елементи.
3. Перегрів у осередкових точках. Зі збільшенням кількості центрів деградації на поверхні кристала шляхи струму змінюються і його щільність зростає саме там, де руйнація вже почалося. Таким чином, процес деградації буквально підживлює сам собі.
4. Дифузія металів на контактах. При підвищених температурах швидкість дифузії в місцях приєднання елементів до плати різко збільшується, що в кінцевому підсумку призводить до зміни реального перетину живлячого проводника, зростання струму та деградації діода.

На превеликий жаль, технологічне вдосконалення процесу виробництва світлодіодів та виробів з них поки що не змогло подолати дані фактори більш ніж на 10-12%. Для галузі, що швидко розвивається, це досить слабкі показники, тому є ризик, що з виходом на ринок якоїсь принципово нової технології освітлення світлодіоди швидко втратить свої позиції. Водночас, серйозних конкурентів у них поки що немає.

Як не дивно, вважається, що найпоширенішою передумовою руйнування діодів є механічний фактор. У моменти перегріву починається пошкодження герметика, внаслідок чого він розм'якшується і точки контакту з платою зміщуються. Після клацання вимикачем лампа гасне та починається остигання: герметик фіксує елементи на невірних місцях, а тому тисне на кристал та приєднання. Після кількох десятків таких циклів порушується рівномірна струмопровідність, наслідком якої стає деградація.На щастя, моделі освітлювальних приладів, які за технологією виготовляються із застосуванням мінімальної кількості проміжних провідників, практично позбавлені цього недоліку.

Подібне за механізмом явище спостерігається й у паяних з'єднань. Наприклад, елементи на світлодіодних стрічках регулярно відчувають деякі циклічні розм'якшення та затвердіння. Згодом це призводить до того, що на гнучкій платі з'являються мікротріщини в місцях паяння, а якість первинного електричного контакту падає. До речі, цим пояснюється досить поширена несправність: стрічка чи окрема секція не світитиме через розрив ланцюга, але розглянути його без мікроскопа майже неможливо.

Відомо, що світлодіоди можна експлуатувати за підвищеної сили струму: вони будуть світити помітно яскравіше, але ресурс елементів зменшиться. Особливо потужні діоди необхідно обмежувати за світловою віддачею та струмом, інакше вони відпрацюють паспортний термін набагато швидше. Але навіть за номінальних мережевих параметрів не варто забувати їх якісно охолоджувати. Витончені форми світильників – це добре, але без правильно організованого теплообміну з навколишнім середовищем споживачам не вдасться довго милуватися виробом. Кожний діод або лампа повинні розміщуватися таким чином, щоб потік повітря міг проходити мимо щонайменше з двох боків від елемента. Грамотно вибудована на платі композиція передбачає позиціонування діодів, яке виключає перекриття, розташування один над одним у безповітряній зоні та взаємне перехльостування теплових полів на понад 50%.

Крім того, критично важливим є монтаж світлодіодних виробів.Занурюючи їх у товщу перегородки з теплоізоляцією під час облаштування інтер'єру, Ви штучно знижуєте ресурс виробу. Погане тепловідведення може бути й у підсвічування, яке ховається за натяжним стелом, якщо його полотно герметично примикає до всіх стін. Дуже цікаве та сучасне рішення – спеціальний датчик температурної захисту. Він забезпечує зворотний зв'язок із живильною частиною плати та ініціює зниження струму при збільшенні фонової температури навколо виробу.

Безумовно, подібні керуючі мікросхеми здорожчають загальну вартість контуру підсвічування, проте суттєво продовжують йому життя. У низці ситуацій це досить практично: крім того, що споживач отримує додаткову впевненість у надійності виробу, він заощаджує і на його безпеці. Імовірність перегріву та займання зводиться до нуля, а також виключається необхідність у скорому розбиранні потолку чи стіни, замінювати комунікації чи джерела світла. За правильних умов експлуатації, без перегріву, світлодіоди працюватимуть не лише протягом терміну, відведеного їм виробником (понад 5 або 10 тисяч годин), але й довше, не маючи серйозних причин для поломки.

Термодатчики, з'єднані з блоком живлення, дедалі частіше починають зустрічатися на ринку. Вони дуже компактні, не вимагають особливого поводження, а єдине обмеження полягає в тому, що їх не варто розміщувати у безпосередній близькості до радіатора світлодіодного виробу. Сьогодні вже продаються термодатчики, оснащені власним захистом від перегріву. Їх можна розміщувати прямо в тому ж корпусі, де і світлоприлад, якщо в цьому є потреба.Вентилятори на побутові світлодіодні освітлювальні установки поки що не ставлять, але фахівці рекомендують не забувати про радіатори, які виконуватимуть функцію пасивного охолодження.

На підставі всього наведеного вище можна сказати, що за балансом найбільшої значущості та розумної вартості дуже важливим компонентом схеми будь-якого приладу стає радіатор. До нього інженери мають відразу кілька вимог:

• метал радіатора повинен мати високу теплопровідність, бути легким у обробці та коштувати недорого;
• площа радіатора повинна бути максимально можливою для даних обставин;
• на кожний 1 Вт тепла рекомендовано виділяти по 35-65 кв. див. поверхні радіатора;
• потрібно заздалегідь представляти спосіб кріплення радіатора до лампи, групи діодів чи плати, щоб вони не конфліктували з формою світильника чи люстри, куди надалі встановлюватимуться;
• технологія виробництва радіаторів повинна бути простою та досить варіативною, щоб змінювати розмір було неважко.

Сьогодні проектування високоефективних радіаторів виходить на перший план у світлотехнічній галузі. Фахівці моделюють системи пасивного охолодження та здійснюють розрахунки, які мають дозволити збільшувати яскравість діодів та продовжувати термін їхньої служби без ушкодження для інших характеристик виробу.

Лампи для вуличного освітлення