Problém prehrievania LED diód a ich riešení

V porovnaní s rýchlo slabnúcimi svetelnými zdrojmi majú zdroje LED iba jeden, ale veľmi vážny nedostatok. Ich trvanlivosť a spoľahlivosť do veľkej miery závisia od účinnosti odvodu tepla z komponentov emitujúcich svetlo. Preto je ochranný obvod LED pred prehriatím dôležitou súčasťou každého vysoko kvalitného LED osvetľovacieho systému.

priemerný osvetlenie viedlo desaťkrát vyššia energetická účinnosť (ziskovosť) ako tradičná žiarovka s vláknom. Ak však LED nie je nainštalovaná na radiátore s dostatočnou plochou, s najväčšou pravdepodobnosťou rýchlo zlyhá. Všeobecne sa uznáva, že bez toho, aby boli podrobne uvedené, účinnejšie osvetľovacie LED diódy potrebujú účinnejší rozptyl tepla ako tradičné.

Preskúmajme však tento problém hlbšie. Vyhodnotíme dve žiarovky: prvá je halogén, druhá LED. A potom - pozrime sa na spôsoby, ako zachovať životnosť LED diód a predĺžiť životnosť ich vodičov. Faktom je, že ochranná časť systému osvetlenia LED by mala zaistiť bezpečné fungovanie LED diód aj obvodov vodiča.

Napríklad máme dve svetlá. Obe zariadenia poskytujú 10 W svetelného výkonu. Jediný rozdiel spočíva v tom, že halogénový reflektor vyžaduje elektrickú energiu 100 wattov a LED iba 30 wattov.

Vieme, že LED diódy sú pri produkovanom svetle asi 10-krát účinnejšie, ale v skutočnosti sú mimoriadne citlivé na vysoké teploty, a preto je pre nich veľmi dôležitý teplotný režim, v ktorom je premena energie elektrického prúdu na svetlo veľmi dôležitá.

Pre svietidlo s halogénovou žiarovkou je pracovná teplota dokonca aj pri +400 ° C bezpečná norma, zatiaľ čo pre LED diódy je teplota kryštálu +115 ° C už kriticky nebezpečná a maximálna teplota diódy je iba +90 ° C. Preto sa nesmie dovoliť prehriatie LED, a existuje niekoľko dôvodov.

So zvyšujúcou sa teplotou prechodu vyžarujúceho svetlo klesá svetelná účinnosť LED, a to záleží tak na konštrukcii LED, ako aj na stave životného prostredia. Okrem toho sa LED diódy v zásade líšia v zápornom teplotnom koeficiente priameho poklesu napätia na križovatke. To znamená, že pri zvýšení teploty prechodu klesá priamy pokles napätia. Typicky sa tento koeficient mení od -3 do -6 mV / K.

Ak je teda pri 25 ° C priamy pokles napätia cez LED 3,3 V, potom pri 75 ° C už bude 3 alebo menej voltov. A ak ovládač LED nezníži napätie na všetkých montážnych diódach LED, keď sa teplota zvyšuje, potom sa v jednom jemnom okamihu udržiava prúd neprimerane vysoký, čo vedie k prehriatiu, preťaženiu, ďalšiemu poklesu priameho poklesu napätia a ešte rýchlejšiemu zvýšeniu teploty kryštálov. Lacné LED žiarovky s obmedzením odporového prúdu túto nevýhodu často ukazujú v najneočakávanejšom okamihu.

Tolerancie pre kolísanie napätia napájacieho zdroja v kombinácii s rozdielmi v priamom poklese napätia na LED (vo výrobnom štádiu nie sú LED ideálne v tomto parametri ideálne identické) a vďaka zápornému teplotnému koeficientu poklesu napätia - tieto faktory môžu kedykoľvek spôsobiť narušenie bezpečnosti. spôsob činnosti LED a vyvolať skĺznutie do jeho samodeštrukcie.

Ak je konštrukcia LED žiarovky (najmä žiariča) dostatočne spoľahlivá, je možné zanedbať krátkodobé poklesy jasu, pretože sú veľmi zriedkavé a tieto prehriatia sú krátkodobé. Ak je však prehrievanie nepretržité, zvýšenie teploty sa okamžite zmení na skutočnú hrozbu pre žiarovku.

Dôvody zlyhania diód LED pri ich prehriatí

LED sú zničené prehriatím z niekoľkých dôvodov. Prvým dôvodom je zmena mechanického napätia vo vnútri kryštálu emitujúceho svetlo a monolitická zostava LED. Druhým je narušenie tesnosti, prenikania vlhkosti a oxidácie. Ochranná epoxidová vrstva sa degraduje, na hraniciach dochádza k delaminácii a kryštálové kontakty podliehajú korózii.

Po tretie, zvýšenie počtu dislokácií v kryštáli vedie k zmene v súčasných dráhach a objaveniu sa bodov nadbytočnej prúdovej hustoty a následne k prehriatiu týchto bodov. Nakoniec - jav difúzie kovov pri kontaktoch pri zvýšených teplotách, čo nakoniec vedie aj k nefunkčnosti LED.

Vývojári LED sa snažia čo najviac minimalizovať tieto faktory zlyhania, a preto po celú dobu technologického zlepšovania výrobného procesu. Z dôvodu prehriatia sú však poruchy stále nevyhnutné, hoci so zlepšením výrobného procesu sa stávajú menej časté.

Mechanický tlak je najbežnejšou príčinou predčasného zlyhania diód LED. Pointa je, že počas prehrievania zmäkčovadlo zmäkčuje, elektrické kontakty a spojovacie vodiče sa premiestnia z „výrobnej“ polohy a keď teplota nakoniec klesne, dôjde k ochladeniu a tmel opäť stuhne, ale súčasne zatlačí na mierne posunuté spojenia, ktoré nakoniec vedie k jasnému porušeniu pôvodne jednotnej vodivosti. Našťastie LED diódy vyrobené bez pripojovacích vodičov nemajú túto nevýhodu.

Podobný problém sa vyskytuje aj pri spájkovaných spojoch medzi LED a substrátom. Pravidelné, cyklické, neviditeľné pre oko, zmäkčenie a vytvrdenie končí objavením sa prasklín v spájkach a narušením počiatočného kontaktu. Z tohto dôvodu dochádza k poruchám LED v dôsledku otvoreného obvodu a táto medzera často nie je viditeľná. Aby ste tomuto problému zabránili, môžete minimalizovať rozdiel medzi bezpečnou prevádzkovou teplotou LED a okolitou teplotou.

Výkonné LED diódy (spotrebúvajú viac elektrickej energie) dávajú viac svetla, ale ich svetelný výkon je stále obmedzený. Preto majú spotrebitelia a výrobcovia často nebezpečné pokušenie prevádzkovať LED diódy v žiarovke na plný výkon, aby sa dosiahol maximálny možný jas. Je však skutočne nebezpečné, ak nezabezpečíte dostatočné efektívne chladenie.

Návrhári chcú, samozrejme, vytvárať elegantné doplnky zaujímavých tvarov, ale niekedy zabudnú, že je potrebné zabezpečiť primeraný pohyb vzduchu a primeraný odvod tepla - to je často najdôležitejšia vec pre LED diódy po stabilnom a vysokokvalitnom zdroji energie.

Áno, a priama inštalácia LED svetiel je dôležitá. Ak je jedna žiarovka nainštalovaná nad druhou ako výkonná, potom môže byť prúdenie vzduchu z dolnej žiarovky spomalené hornou, a preto spodná bude v horších teplotných podmienkach. Alebo napríklad tepelná izolácia v stene alebo na strope miestnosti môže rušiť rozptyl tepla, hoci všetky tepelné výpočty boli počas návrhu lampy vykonané dokonale a technologicky čo najpresnejšie. Pravdepodobnosť zlyhania sa však zvyšuje len kvôli vyrážkam a negramotnej inštalácii hotového výrobku.

Jedným z dôležitých riešení problému prehrievania LED diód je zahrnutie teplotnej ochrany do obvodu vodiča so spätnou väzbou presne podľa teploty. Keď sa teplota chladiča z nejakého dôvodu nebezpečne zvýši - aby sa znížil výkon, aby sa teplota udržala v bezpečnom rozsahu, prúd automaticky klesá.

Najjednoduchším riešením je pridať do obvodu. termistor s kladným teplotným koeficientom (Je to možné s negatívnym teplotným koeficientom, ale potom by obvod mal obrátiť signál v spätnoväzbovom obvode).

Príklad tepelnej ochrany pomocou termistora

Napríklad, zvážte obvod založený na špecializovanom mikrokontroléri s obvodom obmedzujúcim prúd. Keď teplota stúpne nad určitý prah (nastavený termistorom a odpormi), termistor s kladným koeficientom odporu namontovaný na chladiči spolu s LED diódami zvyšuje jeho odpor, čo vedie k zodpovedajúcemu zníženiu prúdu vo výstupnom obvode budiča.

Z tohto hľadiska sú veľmi výhodné obvody vodiča s reguláciou jasu na princípe PWM (modulácia šírky impulzu), ktorá umožňuje simultánne a manuálne nastavenie jasu a ochranu LED pred prehriatím.

Riešenie s termistorom je výhodné v tom, že v takomto režime dôjde hladko, neviditeľne k očiam a nervovej sústave k zmene prúdu, a teda k zníženiu jasu, čo znamená, že nič nebliká a nespôsobí podráždenie ľudí a zvierat v okolí. Teplota hornej hranice je jednoducho určená výberom termistora a odporu. Je to omnoho lepšie ako riešenie s teplotnými senzormi, ktoré jednoducho ostro otvoria obvod a počkajú, kým chladič nevychladne, a potom znovu zapnú osvetlenie pri plnom jasu.

zvláštny Čipy ovládača LEDsamozrejme stoja peniaze, ale spoľahlivosť a životnosť získanej žiarovky za túto investíciu opakovane zaplatí.

Je potrebné si uvedomiť, že pri normálnych teplotných podmienkach prevádzky LED diód sa ich životnosť meria v desiatkach tisíc hodín, potom otázky týkajúce sa materiálnych nákladov „správneho“ vodiča zmiznú samy o sebe.

Je dôležité poskytnúť vodičovi stálu nízku teplotu, preto ju jednoducho nemusíte umiestňovať blízko žiariča LED. Nesprávne robia tí, ktorí sa snažia zapečatiť umiestnenie komponentov vo vnútri projektora. Je lepšie zobraziť kryt vodiča ako samostatnú jednotku. Bezpečnosť a obozretnosť sú tu kľúčom k životnosti LED.

Najlepšie mikroobvody na správu napájania LED diód sú vybavené vnútornými obvodmi na ochranu pred vlastným prehriatím v prípade, že by sa mal mikroobvod z konštrukčných dôvodov vyvíjača svietidla nachádzať v rovnakom kryte s viditeľne vyhrievanými komponentmi, ako je napríklad radiátor. Je však lepšie nedovoliť prehriatiu mikroobvodu nad 70 ° C a vybaviť ho vlastným chladičom. Potom budú LED aj mikroobvod vodiča žiť dlhšie.

Zaujímavé môže byť riešenie využívajúce dva termistory zapojené do série v okruhu tepelnej ochrany. Budú to rôzne termistory, pretože bezpečné teplotné limity pre mikroobvod a pre LED sú rôzne. Dosiahne sa však to, čo je potrebné - plynulé ovládanie jasu pri prehrievaní vodiča aj pri prehrievaní diód LED.